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未来五年固态电池将快速发展,中国方案至关重要

作者: 李泯泯/赛迪智库 来源:澎湃新闻 时间:2021-06-25

[摘要]目前全球共有53家企业在布局研发固态电池,预计到2025年开始小批量进入市场,将成为电动汽车取代燃油汽车的制胜利器。在市场需求方面,据预测,到2030年,全球固态电池需求有望达到500GWh,按照专家保守估计,将形成三千亿元以上的市场规模。

电池成为新能源汽车企业获得市场优势的关键。在众多电池技术的研发中,固态电池尤其受到全球范围的广泛关注。丰田、宝马、大众、三星等巨头企业都投入了大量资金用于固态电池研究,以期早日获得突破。丰田更是计划在2021年东京奥运会上推出其搭载固态电池的纯电动示范车。当前,固态电池技术研发已经被推上了潮头浪尖。目前全球共有53家企业在布局研发固态电池,预计到2025年开始小批量进入市场,将成为电动汽车取代燃油汽车的制胜利器。在市场需求方面,据预测,到2030年,全球固态电池需求有望达到500GWh,按照专家保守估计,将形成三千亿元以上的市场规模。

根据国务院办公厅2020年印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,国家计划到2025年把新能源汽车的销量推高到占据新车总销量的20%左右,并在“新能源汽车核心技术攻关工程”中明确要求“加快固态动力电池技术研发及产业化”。

一、 固态电池相较于锂电池具备优势

固态电池是一种新兴技术。固态电池和传统锂电池最显著的区别在于电池内部的电解质的物理形态。目前在新能源汽车上最广泛使用的三元锂电池,一般由正极、隔膜、负极,再灌入电解液制造而成。下一代电源的固体电解质层,可以替代当前锂离子电池中的易燃液体溶液,实现更密集地存储能量。电解质还可以兼作电池的隔膜,这是锂离子电池的关键组件,可以减少火灾危险和所需原材料的数量。数据原型表明,与相同重量和体积的锂离子电池相比,固态电池可以存储多达80%的能量。具有较高能量密度的锂金属可以代替石墨,从而有助于减少电池的重量和体积。图1  锂电池和固态电池工作原理的区别    来源:赛迪智库整理,2021.6.7



图1  锂电池和固态电池工作原理的区别  来源:赛迪智库整理,2021.6.7

固态电池具备诸多优势,能够有效解决新能源汽车的环保和安全问题。一是固态电池大幅减少原材料的使用,其中铜和铝的使用将大比例下降,石墨和钴可以完全从原材料中剔除。二是固态电池更轻巧,可以像砌砖一样堆叠在墙上,使它们更容易安装到不同的汽车设计中。三是固态电池的里程数可大幅增加,由于其可在10分钟左右充满电,并具有更高的能量密度,因此与锂电池相比,可以提供两倍或更多的行程。此外,回收固态电池是一个更简单,更安全的过程。

锂电池的原材料价格不断上涨。对于汽车制造商来说,另一个问题是,随着电池成为众多技术的关键组成部分,对原材料的需求也在增加。截至目前,镍、石墨、锂、钴和铜的价格进一步上涨。平均而言,电动乘用车的电池需要约20kg的镍(特斯拉Model 3需要30kg),阴极中需要多达20kg的钴,再加上约60kg的锂化合物。2020年,特斯拉占了欧洲电动汽车行业所用镍总量的一半以上,而提高镍的产量是非常困难的。由于各种原因,锂的供应也受到限制,建设新的锂矿开采设施可能需要长达10年的时间。高盛预测,基础材料价格长达数十年的上升趋势才刚刚开始,这将加速电动汽车电池材料和基础技术的替代。 图2  关键电动汽车原材料需求将超过供应  来源:赛迪智库整理,2021.6.7


图2  关键电动汽车原材料需求将超过供应  来源:赛迪智库整理,2021.6.7

锂电池在安全性和成本方面存在缺陷。传统锂电池中高度易燃的液态溶液不仅易燃,还回收困难,转售贬值严重。另一方面,在不增加电池组成本的情况下,对安全性和能量密度的改进,每辆车的成本约为12000美元,已经达到了技术极限,这意味着使用锂离子电池的长续航汽车价格有一个内部底线。比如入门级的特斯拉Model 3的起价为37990美元,现代IONIQ为33245美元。除了昂贵和不稳定之外,电池还很笨重,特斯拉Model S的电池重量超过540公斤,它们的存在大大压缩了腿部空间,并限制了其他设计。这种额外的重量使电动汽车比汽油车重得多,因此它们需要更多的动力来覆盖相同里程,特别是在寒冷的天气。

二、 固态电池发展面临的挑战

固态电池核心技术难点在于电解质。电解质是锂离子传输的重要媒介,对电池性能至关重要。根据电解质的不同,目前科学界又将固态电池按电解质分为三种类型:一是已实现商业化应用案例的PEO类聚合物固体电解质路线,以欧美发展路径为代表,包括加拿大、法国等。二是无机固体电解质材料,主要包括硫化物和氧化物,硫化物以亚洲国家的丰田和三星为代表。三是有机(聚合物)与无机复合的固体电解质路线。基于不同技术体系的固态电解质材料,存在各自的缺陷或短板。

电解质从“液态”转向“固态”充满挑战。在固态电解质选择、电芯设计上需要不断解决循环过程中固相界面接触及体积膨胀问题。其中,氧化物材料的柔韧性比较差,界面接触较差,会导致界面阻抗增加;聚合物则存在着导电率过低的问题,比现在液态电解质的导电率低4-5个数量级;硫化物固态电池则面临电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等问题。为了兼顾高能量密度、高安全、长寿命等综合性能,固态电池需要匹配高比能的正负极材料,如高镍三元正极、硅碳负极、金属锂负极等。这些高比能正负极材料的引入也为研制固态电池带来了一系列挑战,仍需要反复实验和比较,提出综合优化的解决方案。

自动驾驶的算法追责更加复杂。在自动驾驶车辆发生事故时,如何鉴定事故原因成为关键因素。在2018年发生的Uber自动驾驶汽车测试导致行人死亡的事故,由法庭认定为车上安全驾驶员担责,而没有对自动驾驶算法的研发企业进行追责。这正是L3级别自动驾驶车辆所陷入的两难境地,一方面允许车辆自行判断路况,另一方面在事故发生时却由驾驶员担责。因此,在针对有条件自动驾驶车辆的保险,无论是驾驶员还是车辆生产商或辅助系统制造商承担主要事故责任,都会极大阻碍自动驾驶技术发展。

固态电池批量制造仍存在阻碍。虽然固态电池的原型已经开发成功,但电动汽车要实现长续航需要的电芯数量至少是迄今为止在实验室测试的20倍。目前每块电池的制造成本约为10万美元,这意味着工厂将很难批量制造。从实验室到工厂的研制过程能否加快,在生产线上能否生产出标准的固态电池,性能是否达到人们的期望,是否具备在车用领域商业化应用,这些都是极为关键的标准。尽管有高能量密度、高安全性的突出优势,但就目前业界的研发进展来看,现阶段固态电池在材料成本、加工成本、量产能力等方面都或多或少存在着短时间无法突破的短板。

固态电池在抢占市场占有率方面存在劣势。目前固态电池能量密度的提高还处于试验阶段,远远达不到商用要求,从研制周期来看,短时间内要完全实现从液态锂离子电池到全固态电池的跨越是比较困难的。而以三元和磷酸铁锂材料体系为主的液态锂电池能量密度已经做到250Wh/kg以上(指已量产可商用),甚至已有触及300Wh/kg高点的产品已进入实质化的应用测试阶段。如搭载这种锂电池的汽车投入使用,电动汽车的续航焦虑定将得到较大缓解,那么姗姗来迟的固态电池想要抢占新能源汽车动力制高点就失去了先机。

三、 国外固态电池的发展进程

丰田汽车是日本推动固态电池技术研发的骨干力量。丰田在2019年初宣布与松下合作将固态电池从试制向产业转化。本田、三菱、日产等其他大企业也纷纷加速布局固态电池行业,争取早日实现量产。丰田汽车在固态电池技术研发上获得专利已超过两百项,居全球首位。不仅自己研发,丰田还联合电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等10余家科研院所共同研发新能源汽车用全固态锂电池,并预计将于2025年左右实现商业化。日本正在举全国之力研发固态电池,每年政府投入的经费在50亿-100亿日元(约合人民币3.11亿-6.22亿元)。丰田表示,已经按照计划成功制造出固态电池的样品,且安装到概念车上,希望成为全球首家量产搭载固态电池汽车的厂商,计划于2021年推出原型车,2025年左右开始量产。

美国新兴固态电池企业Quantum Scape(简称QS)从根本上解决了阻碍固态电池商业化的基础难题。该企业花费5年时间研究固态电池电解质材料体系,宣称已经攻克技术障碍并已经生产出产品。QS今年1月宣称其固态电池产品能量密度超过1000Wh/L,完成近1100次的循环测试,仍可保持80%以上的容量。但是,QS把实用产品推向市场还要走过漫长道路。QS计划与德国大众合作,于2024年建立1GWh试生产线,通过在大众高端车型上搭载,实现其锂金属固态电池的商业化量产。

韩国三星利用其强大的财团背景对全球范围内固态电池技术相关项目或公司进行了较大规模的投资、参股或技术跟踪。2018年,三星SDI与LG化学、SK创新成立了联合基金,共同开发包括固态电池的下一代电池核心技术。现代没有参加以上的三家联盟,而是选择自主开发、与高校合作和外部投资的方式进入固态电池的产业链。在专利方面,韩国分布相对比较集中,以硫化物电解质方面专利为主,三星SDI、LG和现代占比50%以上。2020年12月,LG新能源正式从LG化学拆分成立,该公司计划到2021年末前,将电池年产量从2020年的120GWh增加到156GWh,提高30%。LG公司计划在2025年年底实现锂硫电池商业化,并在2025年至2027年间实现全固态电池商业化。

四、 如何推进中国固态电池的市场化

刻苦攻关,抢占固态电池领域的制高点。只有掌握技术主动权和规则制定的发言权,才能够彻底摆脱昔日在科技发展上处处受制于人的被动局面。纵观全球固态电池的发展格局,中国科研机构和相关企业拥有赶上并超越世界一流技术水平的绝佳机会。但是对比日本,我们还需要大力改进工作方式和加大工作力度。从2018年开始,日本政府联合日本38家机构、日本电池制造商及本田、日产和丰田三大主要汽车制造商研发固态锂离子电池。同时,日本政府启动了多个项目,与优势企业携手致力于固态电池实用化。中国最大的问题不仅是企业投入不够,社会资本把握时机和精准度不够,特别是基础性创新缺乏。基础研究的机构更倾向于出新成果,往往不太关心市场的需求,与企业的合作不够密切,产、学、研链条不能打通,没有承担起国家赋予的公共技术基础研究的重任。因此,中国应从以下四个方面着手抢占固态电池高地。

政策引导方面。国家应分类下达重点研发计划、地方政府重点科技项目、产学研合作项目等。分别针对电动汽车、智能电网、国家安全等领域应用需求,针对不同类型的正负极材料、不同性能的固态锂电池,布局有关基础研究、关键技术攻关,以及产业化培育项目。

产业化方面。为了加快开发固态锂电池,应在关键原材料、电芯制造、装备制造、电源管理、电池模块、系统应用、诊断测试等产业链各个环节进行布局,对其中的关键工程技术问题组织力量集中攻关。

技术支撑方面。应尽快建设高水平的国家级研发诊断测试平台,提升中国固态锂电池的技术保障能力,通过对优势科研团队的集中支持,迅速提升核心团队在世界学术界、专业领域的影响力。

商用策略上。采纳固液混合态的路线,从加快商用视角来看,固态电池虽具备广阔的前景,必将成为未来的主流电池,但从当下情况来看,技术水平和成本问题都制约了其大规模商用化,液态电池依然占据大部分市场。为争取发展空间,就必须走双管齐下路线。

最后,成本问题是固态电池技术商业化的最大挑战,从本质上讲,续航里程与使用成本(整车与更换电池成本)目前仍是亚博网址登录不上 的薄弱环节,任何新技术的成功都必须同时解决这两大问题。再核对一下时间表:2030年前碳达峰、2060年前碳中和。2025或2030年,世界主力新能源车企搭载全固态电池商用化。可以预见,未来的4-5年内车用固态电池技术将迎来突破性进展和快速发展期,新能源汽车动力大变局即将到来。

 

 

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