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下一代锂电池-固态电池争霸赛幕启

2019-09-02来源:玉林生活网

固态电池已成为全球新一轮动力电池竞赛中的投资热点。

2018年年底,成立于2010年的半固态锂电池研发企业——美国24M公司对外宣布,该公司已获得D轮2180万美元融资,资本方来自高级陶瓷制造商日本京瓷集团和全球贸易公司伊藤忠商事。

这家公司系从曾经的行业龙头——美国磷酸铁锂电池企业A123分拆出来,由中国台湾科学家蒋业明博士创立。该公司宣称将从2019年开始建立一个小型产业化工厂,希望在2020年交付首批产品,为电动汽车开发价格合理的高能量密度电池。

24M是新一轮全球动力电池产业竞赛的一个缩影。从全球来看,中国、日本、韩国、德国、法国、美国、英国、澳大利亚等国家的诸多汽车企业和电池企业纷纷下注固态电池,希望打造下一个超级明星公司。

不过,中国化学与物理电源协会秘书长刘彦龙等业界人士认为,固态电池现在还处于实验室阶段,在研发上还面临比较多的难以克服的障碍,预计真正量产至少要在五年之后。

抢注下一代


电动汽车的蓬勃发展对动力电池的能量密度和安全性提出了越来越高的要求。

2017年11月中国政府发布的 《节能与新能源汽车技术路线图》提出,纯电动汽车动力电池的单体能量密度在2020年达到 300瓦时/千克, 2025年达到400瓦时/千克,2030年达到500瓦时/千克。

这对现有液态锂电池而言是一个很高的目标。“特斯拉用的电池目前是全球能量密度最高的动力电池,2018年初特斯拉宣布与松下联合研发的21700单体能量密度达300瓦时/千克,而国内一般电芯厂家的单体能量密度在230瓦时/千克左右,到2020年实现国家要求的300瓦时/千克挑战很大。” 清陶能源公司董事长冯玉川解释,固态电池实现这一目标就相对容易,“全固态锂电池单体的能量密度在实验室可以达到430瓦时/千克以上,在中试阶段可达375瓦时/千克,在量产阶段可以轻松达到300瓦时/千克以上。”

据中科院物理所研究员、固态离子学课题组组长黄学杰介绍,固态锂电池采用金属锂作为负极,固体无机或高分子材料作为电解质,能量密度比采用同类型正极材料的锂电子电池高20%~30%。

除能量密度外,安全性是固态电池的更大优势。对此,中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员董衫木表示,目前液态锂电池选择使用的液态有机电解液易燃易爆,用固态电解质代替液态电解液,是公认可以提升锂电池安全性能最为有效的方法之一。

据清华大学材料学院副教授李亮亮分析,固态电解质不易燃,还不会产生液态电解液,因此不带腐蚀性,是解决电池安全性问题的有效方法,也符合未来电池发展的趋势。同时,固态电解质较高的机械强度也能有效地抑制电池循环过程中锂枝晶的刺穿,使锂金属负极的应用成为可能。

根据固态电池中固态电解质的状态,可以将固态电池分为全固态和半固态电池,前者的电解质是纯固态,但在电芯中有少量的液态电解质,后者就是一半固态电解质、一半液态电解质,如前述的24M这家公司的产品。

加速布局中


正是因为固态电池具有这么多的优点,世界多国政府都高度重视固态电池的研发,上市公司和创业公司纷纷投身固态电池这一全新赛道。

其中,日本在全球遥遥领先。2018年7月,日本国立研究机构新能源产业技术综合开发机构(NEDO)对外宣布,启动第二阶段固态锂离子电池研发项目,并为此斥资100亿日元(约合人民币5.9亿元),成员包括23家整车及电池、材料厂商,另外还有15家大学及公共研究机构,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

日本企业在固态电池方面的研究起步较早,水平也较高,尤其是在硫系固态电解质方面,丰田汽车公司近日披露了其全固态电池的框架,并计划于本世纪20年代初实现商业化。

在韩国,三大蓄电池厂商LG化学、三星SDI和SK创新2018年11月对外宣布,联手开发核心电池技术,将成立一个规模为1000亿韩元的基金,计划在固态电池、锂金属电池和锂硫电池领域进行研发,打造下一代电池产业生态系统。

2018年11月,德国总理默克尔宣布计划下拨10亿欧元用于支持德国的一家电池生产商,同时也将资助一家电池研发机构,用于开发下一代固态电池。德国政府的这一举措是为了减少德国车企对于中日韩电池供应商的依赖。其中,大众和宝马公司也在大力发展固态电池,可能从2024或2025年开始批量生产。

在法国,博洛雷(Bolloré)公司一直致力于聚合物全固态电池的研究,其子公司Bat Scap生产的PEO基固态锂离子电池用于电动汽车,是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例,但该聚合物固态电池需要在80℃下工作,且能量密度不够高,未显示出相较于液态电解质电池的优势。

美国则主攻基于聚合物和氧化物固态电解质的全固态锂电池的研发路线,美国先进电池联合会(USABC)提出,在2020年将电芯能量密度提高至350瓦时/千克。一些初创电池企业如Sakit 3、SEEO、Quantum Scape和Solid Power等纷纷宣布在高能量密度全固态锂电池研发方面取得重大进展。 其中,2015年Sakti 3表示将开发出能量密度为当前锂电池2倍的全固态电池,而成本只要锂电池的五分之一。自 2012 年以来,苹果公司就开始布局全固态电池技术的专利。2017年,美国专利商标局公布了苹果一项与固态电池充电技术相关的新专利。


下一代锂电池-固态电池争霸赛幕启



相比而言,中国的固态电池进展更快。在研发层面,中科院宁波材料技术与工程研究所牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题在2018年年底通过验收。

在企业方面,中国动力电池企业和车企也表示了最浓厚的兴趣。

在上市公司领域,当升科技表示,已开展前瞻性开发工作,预计2025年以后固态锂电可逐步实现产业化;宁德时代公司在聚合物固态锂金属电池和硫化物基固态电池方向分别开展相关研发工作并取得了初步进展,其在固态电池上的思路是对正极材料做了保护,提高兼容性问题;比亚迪公司于2017年8月申请了相关发明专利,表示积极推进固态电池项目商用;赣锋锂业2018年3月宣称,正在对固态电池进行广泛试验,将在2019年上半年建成第一代固态锂电池生产线,在2019年12月完成3亿元固态锂电池销售,并推动第二代固态锂电池技术成熟化,实现第三代固态锂电池可研。

在创业公司领域,拥有中科院物理所背景,由中国工程院院士陈立泉、北汽新能源前高管俞会根投资的卫蓝新能源科技有限公司,在江苏溧阳成立了江苏卫蓝新能源电池有限公司,正在建设电池中试线;已经完成B轮融资的清陶(昆山)能源发展有限公司在2018年11月对外宣布,其建成的全国首条固态锂电池产线已于当月正式投产。

商业化还需五年


尽管全球的固态电池研发和投资热闹非凡,但整体来看,车用固态电池尚处于研发阶段,远未进入量产阶段。


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“虽然固态电池具有高安全性、高能量密度、循环次数高、相对较轻等特点,但界面阻抗大(电解质跟材料界面是固—固状态,不利于锂离子传输)、快充难度大(高阻抗、低导电率导致内阻大)、成本高等一系列问题尚待解决。”劲邦资本合伙人王荣进如此分析。

中科院青岛生物能源与过程研究所研究员崔光磊认为,现在的固态电池还停留在研发阶段,主要是因为固态电池存在容量衰减、内阻增加、内路短、热失控、日历等失效行为,降低了电池的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性和可靠性。

从实操的角度来看,清陶新能源材料研究院院长何泓材认为,固态电池研发和生产的挑战主要在于:高离子导电率固态电解质材料的开发、固体与固体之间的接触界面高阻抗和稳定性、固态电池特需设备的开发等。只有对这些挑战都找到解决方案,固态电池才能够实现量产。不少创业公司可能仅仅在其中一两点上有自己的解决方案,最终还是没能实现固态电池的产业化。

青域基金创始人徐政军的解释是,国内虽然有不少科研院所、产业龙头都在布局研发,但大都还在实验室样品阶段。媒体宣传的所谓固态电池,都不是真正的“全固态锂电池”,很多都是半固态锂电池,采用固液混合电解质技术。

在王荣进看来,固态电池的应用演进路径是:先要在消费电子领域推广,经过充分的验证后, 再经过1~2年整车测试验证,才能真正在汽车上使用,这一过程至少还需要5~7年。

固态/半固态电池巨大的发展潜力同样引起了资本界的关注。今年年初,外媒报道称,24M获得了2180万美元(约1.5亿元)的D轮融资,该轮融资由日本两家企业界巨头京瓷集团和伊藤忠商事株式会社领投。加上最新一轮的投资,迄今为止该公司募资总额已经达到7180万美元(约4.9亿元)。

日本

日本巨头的投资自然不是突然的心血来潮。据起点锂电大数据记者了解,目前日本对半固态电池的布局较为全面,包括丰田、本田、松下等23家汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构也在联合研发电动车全固态锂电池。

上个月,丰田汽车宣布,将于松下共同建设一家新的合资公司展开车用方形电池事业,合作内容包括丰田拟向新公司出资51%,松下出资49%,共同开发全固态电池。据了解,丰田已研究固态电池多年,按照其规划,将于本世纪20年代初实现全固态电池商业化。

中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事欧阳明高曾透露,日本为应对中国和韩国电池产业的崛起,据全国之力研发下一代固态电池,每年政府经费达到50-100亿日元。

中国

面对日本的强势布局,国内企业也并不示弱。据起点锂电大数据记者了解,国内企业中清陶能源、宁德时代、赣锋锂业、比亚迪、国轩高科、辉能科技等已有这方面的行动。

在今年年初的美国CES展上。辉能科技推出了新一代革命性的原创固态电池技术。该新一代电池包与传统电池的差异主要在于两方面:电池包仅有四颗电池芯构成;自带散热系统的电芯。

目前,辉能固态电池包技术已吸引中欧美日车厂试样,并与欧洲某汽车集团洽谈合作计划,预计最快今年便能看到全球首台采用“BiPolar+三维结构固态电池包技术”的样车展出。


下一代锂电池-固态电池争霸赛幕启


四颗电池芯就能组成一辆整车电池的三维结构固态电池包

运用该技术的电池包单一电芯已可达到85.2伏、20度电以上,只需要四颗电芯就能驱动整车,因此省去大量连接线材,将电池包体积缩小了五成。

随后,1月12日,在中国电动汽车百人会论坛期间,一台天际ME7成为了大家争相讨论的焦点,这也是国内首台公开展示的固态电池样车。


下一代锂电池-固态电池争霸赛幕启


天际汽车搭载固态电池动力的ME7展车 工信部苗圩部长饶有兴致地坐进车内体验,并给予了高度评价

清华大学材料学院副教授李亮亮表示:“固态电解质不易燃,还不会产生液态电解质,因此不带腐蚀性,是解决电池安全性问题的有效方案,也符合未来电池发展的趋势。

韩国

在锂电池领域与中日三分天下的韩国对固态电池亦虎视眈眈,早在2017年,三星SDI就于北美车展展出了固态电池;2018年11月,三星SDI、LG化学和SK创新计划联手开发核心电池技术,并将成为1000亿韩元的基金,用于进行固态电池、锂金属电池等的研发。

德国

作为包揽了几乎全球优质车企的德国,在新能源汽车逐渐成为趋势的今天,动力电池似乎成为了德国上下的一块“心病”。既然锂电池中日韩三分天下的局势已定,那么固态电池或将成为不错的选择。

大众汽车去年宣布,向加州初创公司QuantumScape注资1亿美元,用于固态电池的开发和量产。后者计划在2025年研发并拥有可量产的固态电池。此外,宝马也宣布,将携手电池技术公司SolidPower共同研发全新的固态电池,此前SolidPower曾打造出了一种全新的固态电池,在相同重量下,其电量达传统锂电池的2--3倍。

小结

固态电池作为锂电池下一代的重要方向,从市场的角度来看,如果能够量产使用,将会很大程度上改变目前的电池市场格局,因此,跑马圈地已成为各个国家的共识;从应用的角度来看,固态电池结构中没有气体和液体,拥有高密度性、高安全性等无可比拟的优势。

文章来源丨能源评论

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