全固態(tài)電池會顛覆現(xiàn)有的鋰電池嗎

時間:2024-01-22 09:18來源:言之成鋰 作者:言之成鋰
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2024年1月21日,由歐陽明高院士發(fā)起的中國全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(CASIP) 在北京舉辦了揭牌儀式,會上邀請了來自工信部、能源局,物理與化學(xué)電源協(xié)會,中國產(chǎn)學(xué)研合作促進會等部委和協(xié)會的領(lǐng)導(dǎo)致辭,對固態(tài)電池的發(fā)展前景以及CASIP恰當其時的成立給予了較高的評價。
 
此前業(yè)界就對固態(tài)電池寄予厚望,號稱是鋰離子電池的“最終形態(tài)”,是對現(xiàn)有業(yè)態(tài)鋰離子電池的顛覆性創(chuàng)新。那么,CASIP成立的目的是什么?全固態(tài)電池真的會顛覆現(xiàn)有的鋰離子電池嗎?本文帶您分析。
一、CASIP成立的目的
 
關(guān)于中國全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(CASIP)成立的目的,歐陽明高院士在其主題報告中做了比較完整的表述。主旨概括起來如下:
 
1. 過去十年中國動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了輝煌的成就,電池能量密度提高3倍,成本下降80%,電池產(chǎn)量占全球接近70%。這些輝煌成績有力保證了新能源汽車的發(fā)展:去年新能源汽車的銷量接近950萬輛,滲透率超過30%。有望在2025~2026年達成滲透率50%的目標,比原定的2035年提前10年左右。而且新能源汽車的領(lǐng)先也對汽車出口產(chǎn)生了積極影響,去年950萬輛車里面有120萬出口到海外市場,助力我國超越日本,成為世界第一大汽車出口國。
2. 雖然成就有目共睹,但是動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著產(chǎn)能過剩以及行業(yè)內(nèi)卷的問題。其中低端的磷酸鐵鋰電池價格已經(jīng)跌到了0.4元/Wh,并且有望持續(xù)下跌到0.32元/Wh左右,這樣的價格已經(jīng)低于成本線。
 
所以除了頭部的兩家企業(yè)之外,國內(nèi)大部分動力電池企業(yè)并沒有賺錢,還處于虧損狀態(tài)。我們不能總盯著低成本的電池來內(nèi)卷,也要開發(fā)高比能高安全的電池來占領(lǐng)高端市場。
3. 為了改善高比能電池的安全,歐美日韓普遍采用了全固態(tài)電池的路線。尤其是在硫化物技術(shù)路線方面,日本深耕多年,專利和技術(shù)遙遙領(lǐng)先,這一輪硫化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率的提升都是日本團隊主導(dǎo)的。尤其是東京工業(yè)大學(xué)的Kanno教授,可以說憑借一個課題組之力將硫化物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提高到了逆天的程度,也側(cè)面促進了豐田從2012年開始的固態(tài)電池布局。
 
韓國的三星SDI電池性能也很不錯,美國的Solid Power的電池A樣也已經(jīng)給寶馬測試。而我國在還主要停留在半固體電池的階段,其基本思路跟液態(tài)電池是一致的,只是提高了安全性,不是顛覆性技術(shù)。
4. 目前在全固態(tài)電池專利布局上,日本遙遙領(lǐng)先,尤其是豐田已經(jīng)有超過1300個全固態(tài)電池的專利授權(quán),而國內(nèi)大部分企業(yè)專利授權(quán)數(shù)量不足100。
 
考慮到全固態(tài)電池是一種顛覆性的技術(shù),在安全性,能量密度,溫度范圍,倍率以及系統(tǒng)集成效率等多個方面超過目前的液態(tài)鋰電池。我們必須要提前布局,避免在該領(lǐng)域被歐美日韓彎道/換道超車。
5. 基于以上分析,考慮到目前國內(nèi)對于全固態(tài)電池研發(fā)認識不統(tǒng)一,力量比較分散,產(chǎn)學(xué)研不協(xié)調(diào)等現(xiàn)狀,急需聯(lián)合起來建立協(xié)同創(chuàng)新平臺,從基礎(chǔ)研發(fā),科研服務(wù),以及產(chǎn)業(yè)協(xié)作等幾個方面來統(tǒng)籌協(xié)調(diào)國內(nèi)全固態(tài)電池的發(fā)展。
 
既能夠解決共性問題,比如Li2S的大規(guī)模合成,固態(tài)電池設(shè)備的統(tǒng)籌開發(fā)等(會上歐陽明高院士提到,如果采用全固態(tài)電池以及干法工藝,目前的鋰電設(shè)備大約60~70%都要重新開發(fā)),也能保留各家企業(yè)的特色技術(shù),加快全固態(tài)電池的創(chuàng)新發(fā)展,來趕上歐美日韓2027~2030年全固態(tài)電池的量產(chǎn)時間節(jié)奏。
 
同時也能夠讓制定政策的高層乃至普通消費者們掌握固態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢,不再為國內(nèi)電池的發(fā)展前景擔憂。
二、全固態(tài)電池會顛覆鋰離子電池嗎?
 
雖然全固態(tài)電池號稱是鋰離子電池的“最終形態(tài)”,但是其發(fā)展的時間比液態(tài)鋰電池更早。這從物理所陳立泉院士今天的報告中可見端倪,全固態(tài)電池早在20世紀70年代就開始研發(fā),90年代初由于索尼公司成功商用了液態(tài)電解液的鋰離子電池,固態(tài)電池退居幕后。隨著電動汽車的廣泛普及,電池安全的重要性不斷提高,在2011年以后重新引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的矚目。
全固態(tài)電池的核心是改善電池安全,正是因為電芯本征安全的改善,就可以使用更高能量密度的材料體系,做成高比能的電池。
 
不過在取消隔膜和電解液以后,電池內(nèi)部的空間都要由固態(tài)電解質(zhì)進行填充,如果采用石墨或者硅負極的話,正負極的孔隙率都要考慮,即使是密度較低的硫化物電解質(zhì),其質(zhì)量占比一般都在20%以上,導(dǎo)致同樣的正負極配方,固態(tài)電池的比能量不占優(yōu)勢(參考全固態(tài)電池更加務(wù)實了)。
 
比如歐陽明高院士展示的350Wh/kg的硫化物全固態(tài)電池,正極克容量235mAh/g, 負極硅克容量2400mAh/g, 要是用液態(tài)電池的話,那么能量密度可以達到450Wh/kg(不過電芯的安全性可能會比較差)。
 
從這個意義上講,寧德時代的凝聚態(tài)電池比能量達到了500Wh/kg, 雖然不是全固態(tài)這種顛覆性技術(shù),如此高的比能量依然讓其他固態(tài)體系望塵莫及。
實際上,歐陽明高院士課題組也做了基于原位聚合的半固體電池(類似于凝聚態(tài)),通過電解液配方的優(yōu)化以及聚合物包覆層對正極釋氧的阻隔,熱失控特征溫度T2提升接近50℃,并且比能量可到320Wh/kg, 充電倍率4C, 1C循環(huán)壽命1500次以上。
 
而且這些是在不怎么增加成本的情況下實現(xiàn)的,在國內(nèi)車企既要又要還要也要的復(fù)雜需求下,雖然半固體電池算不上顛覆,但是短期內(nèi)有望迅速鋪開。
當然了,全固態(tài)電池的核心還得是高端化,從電解質(zhì)材料合成到電極制作都有較高的壁壘,這樣才有更多的利潤。比如近期韓國的SK On跟美國硫化物固態(tài)電池初創(chuàng)公司Solid Power簽署合作協(xié)議,其中在電池設(shè)計和生產(chǎn)工藝的方面,SK On需支付2000萬美元,才能得到后者的授權(quán)進行研發(fā)活動,且僅限研發(fā),不能量產(chǎn)。生產(chǎn)線的組裝還得額外支付2200萬美元,而且還得獨家從Solid power購買硫化物電解質(zhì),預(yù)計也要1000萬美元。
 
不過這樣的合作方式估計在國內(nèi)很難展開,因為國內(nèi)從事某一行業(yè)的人才高度集中,且專利意識不強,人才的流動很容易導(dǎo)致技術(shù)的流動,所以一旦哪家掌握了固態(tài)電池的技術(shù),其他家可能很快就會趕上。比如手機的AI大模型,2023年寥寥無幾,今年全都上了;衛(wèi)星通訊也隨著華為的引領(lǐng),變成了各家旗艦機普及的性能。
 
綜合來看,全固態(tài)電池很難顛覆現(xiàn)有的鋰離子電池。不過在特斯拉model S出現(xiàn)之前,國內(nèi)也幾乎沒人相信電動汽車能搞成,因為電池的能量不夠,續(xù)航太短;蘋果當初搞觸屏智能手機,諾基亞摩托羅拉們也是嗤之以鼻,因為這手機打電話不穩(wěn)定,短信也不能群發(fā),最基本的功能都無法保證;豐田的HEV技術(shù)超級節(jié)油且可靠性也很高,誰能想到比亞迪的DM-i取消了多檔變速箱,且國內(nèi)LFP電芯成本能降到0.4元/Wh以下,使得PHEV的性能和成本超過了HEV。
 
所以說對全固態(tài)電池還是要滿懷敬畏之心,就如喬布斯所說的”Stay hungary, Stay foolish”。
 
小結(jié):隨著中國全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(CASIP)的成立,我國全固態(tài)電池的發(fā)展邁入了新的階段,從之前的單打獨斗到后面的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同,希望能夠在跟日韓歐美的激烈競爭中脫穎而出,趕在2030年前全面實現(xiàn)商業(yè)化。
 
雖然從目前的技術(shù)路線來看,全固態(tài)電池很難徹底顛覆現(xiàn)有的鋰電池,但是不能忽略人工智能AI技術(shù)在新材料開發(fā)中的變數(shù)?紤]到國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和投資環(huán)境,能有多少企業(yè)堅持到2030年還是未知,過程中可能需要政府的專項支持,至于后面的政策如何,讓我們拭目以待,靜待花開。
 
(責任編輯:子蕊)
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