近年來，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護日益重視，電動汽車逐漸成為了解決交通污染和能源依賴性的重要選擇，而固態(tài)電池作為下一代能源儲存技術(shù)也備受關(guān)注。2023年6月，北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司向蔚來汽車交付了360Wh/kg鋰電池電芯，標志著鋰電池技術(shù)在能量密度方面取得了重大突破。2024年3月25日，上汽旗下智己汽車披露，行業(yè)首個準900V超快充固態(tài)電池即將量產(chǎn)上車;4月2日，太藍新能源也宣布，在“車規(guī)級全固態(tài)鋰電池”的研發(fā)方面取得重大進展，成功制備出實測能量密度達到720Wh/kg的超高能量密度體型化全固態(tài)鋰金屬電池。這些重大突破為電動汽車行業(yè)帶來了新的希望。
據(jù)蔚來創(chuàng)始人李斌實測，150kWh(即150度電)電池包行駛距離達1044公里。據(jù)悉，該電池包的電芯能量密度為360Wh/kg，電池包能量密度為260Wh/kg。
李斌實測直播畫面 圖片來源：視頻截圖
若720Wh/kg能量密度電芯真的量產(chǎn)，或許2000公里續(xù)航也不是夢。不過，目前固態(tài)電池需要使用多種新型材料，底層材料學(xué)問題尚待解決。此外，還存在生產(chǎn)工藝不成熟、產(chǎn)業(yè)鏈配套需降低成本等問題。
固態(tài)電池概念受熱捧
實際上，目前各大廠商推出的固態(tài)電池，大多為固態(tài)、液態(tài)混合電池，或稱半固態(tài)電池。盡管仍未達到全固態(tài)，但半固態(tài)電池的推出仍然意義非凡。
此前，動力電池廠商技術(shù)提升主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域。不管是刀片電池、短刀片電池，還是CTB(電池車身一體化)、4680電池，主要是電池包層面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而非電芯層面能量密度提升。
而固態(tài)、半固態(tài)電池，是真正通過化學(xué)材料的改變，提升能量密度、改進安全性能等方面。
從液態(tài)電池走向固態(tài)、半固態(tài)，最核心是電解質(zhì)的改變。4月7日，孚能科技(SH688567，股價12.62元，市值154.23億元)研究院固態(tài)組專家對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示：“半固態(tài)或固態(tài)是指電解質(zhì)從液態(tài)向固態(tài)化發(fā)展的技術(shù)路線，隨著液態(tài)電解液用量的減少，鋰離子電池的安全性得到大幅提升，也讓更高能量密度材料體系的應(yīng)用成為可能?！?/span>
4月7日，鑫欏資訊主編呂真真在微信上對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示：“固態(tài)電池體系包括聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系、鹵化物體系和復(fù)合電解質(zhì)體系。目前行業(yè)內(nèi)主流是前三者。”
當下資本市場熱炒的三祥新材(SH603663，股價19.86元，市值84.21億元)，就屬于氧化物體系。3月25日至4月3日，三祥新材區(qū)間漲幅達85.09%。
據(jù)了解，三祥新材主要業(yè)務(wù)為鋯系制品、鑄造改性材料等工業(yè)新材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品為電熔氧化鋯、海綿鋯、氧氯化鋯及特種陶瓷等。
氧化物體系中，鋰鑭鋯氧(LLZO)由氫氧化鋰、氧化鑭、氧化鋯混合燒結(jié)而成。對于公司是否向固態(tài)/半固態(tài)電池廠商供應(yīng)氧化鋯等電解質(zhì)材料，記者4月7日致電三祥新材，工作人員回復(fù)稱：“目前我們(鋯基材料)只有送樣。”對于具體送樣哪些固態(tài)電池廠商，是否送樣衛(wèi)藍新能源、清陶能源等，其表示“無法告知”。
同樣被熱炒的，還有老牌正極材料廠商當升科技(SZ300073，股價42.1元，市值213.24億元)。3月25日至4月3日，當升科技區(qū)間漲幅達24.37%。
據(jù)當升科技2023年年報，公司在固態(tài)鋰電正極材料商業(yè)化應(yīng)用方面走在了行業(yè)前列，超高鎳產(chǎn)品銷量同比實現(xiàn)數(shù)倍增長，年內(nèi)累計出貨數(shù)百噸，持續(xù)提升在“輝能”、“清陶”、衛(wèi)藍新能源、贛鋒鋰電等固態(tài)電池客戶的供應(yīng)份額，并成功配套用于上汽集團(SH600104，股價15.35元，市值1776.81億元)、VinFast(越南車企)等全球一線車企固態(tài)車型上。
固態(tài)電池：“安全不爆炸、能量密度大”
據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2024年3月，新能源車在零售市場滲透率超過40%。盡管如此，新能源車仍然因為起火、自燃、冬季續(xù)航焦慮、電池老化等問題為一些人詬病。
但若固態(tài)電池成功量產(chǎn)，上述很多問題將得以解決。孚能科技研究院固態(tài)組專家認為：“目前所使用的有機液態(tài)電解質(zhì)在鋰離子電池充放電過程中會不可避免地發(fā)生副反應(yīng)，影響鋰離子電池的使用壽命;同時，液態(tài)電解質(zhì)中的有機溶劑具有易燃性和高腐蝕性，抗氧化性較差，因此存在熱失控的風(fēng)險。”
對于固態(tài)電池相對液態(tài)電池的優(yōu)勢，其表示：“首先是安全性的提升。只有在實現(xiàn)本征(物質(zhì)本身的特征)安全的基礎(chǔ)上才可以應(yīng)用高電壓正極和鋰金屬負極等高性能材料，最終達成更高能量密度的目標，取得性能與成本的兼顧，才能制造出滿足TWh(億千瓦時)時代需求的動力電池?！?/span>
呂真真表示：“理論上，固態(tài)、半固態(tài)電池有以下幾個方面的優(yōu)勢：固態(tài)電解質(zhì)更耐高溫，可拓寬工作溫度(區(qū)間)，無需添加冷卻子系統(tǒng);固態(tài)電解質(zhì)無可燃液態(tài)電解液，可提高使用的安全性;固態(tài)電池可簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)電芯內(nèi)部的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，提升體積能量密度。”
太藍新能源研發(fā)進展 圖片來源：微信文章截圖
因此，呂真真認為：“基于這些優(yōu)勢，也就意味著固態(tài)、半固態(tài)在應(yīng)用方面可以在較大倍率下進行充放電，縮短充電時間，提高功率輸出;可在過充過放、過熱、沖擊、穿刺等極端條件下使用;減少電池組的尺寸和重量提高電池的續(xù)航里程?！?/span>
也有投資者把固態(tài)電池的優(yōu)勢總結(jié)為“安全不爆炸、能量密度大”。
智慧芽向《每日經(jīng)濟新聞》記者提供的數(shù)據(jù)顯示，截至4月7日，全球固態(tài)電池相關(guān)專利已超過1.5萬件，其中授權(quán)發(fā)明專利超過5500件。從技術(shù)維度看，該領(lǐng)域的專利主要聚焦于固體電解質(zhì)、正電極、負電極等細分技術(shù)領(lǐng)域。
目前，全球在固態(tài)電池相關(guān)領(lǐng)域布局專利數(shù)量(包括取得、在審和失效量)靠前的企業(yè)有豐田自動車株式會社、株式會社LG新能源、株式會社村田制作所、現(xiàn)代自動車株式會社、起亞自動車株式會社等。
中國企業(yè)在固態(tài)電池相關(guān)領(lǐng)域布局專利數(shù)量靠前的有北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司、蜂巢能源科技股份有限公司(以下簡稱蜂巢能源)、蜂巢能源科技(無錫)有限公司、浙江鋒鋰新能源科技有限公司、國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責(zé)任公司等。
圖片來源：智慧芽提供
而發(fā)明人排名分析中，陳少杰、俞會根位列前十。結(jié)合上述公司專利布局排名，這兩人或為蜂巢能源固態(tài)電池開發(fā)部部門總監(jiān)陳少杰，以及衛(wèi)藍新能源總經(jīng)理俞會根。
快充電池能否解決離子電導(dǎo)性問題?
“安全不爆炸、能量密度大”，固態(tài)、半固態(tài)電池看起來很完美，但在其發(fā)展中仍存在不少挑戰(zhàn)。
首先是電解質(zhì)材料。具體來看，固態(tài)、半固態(tài)電池由于技術(shù)路線的不同，各種電解質(zhì)技術(shù)路線優(yōu)缺點也不同。呂真真梳理道：
聚合物體系主要使用材料是PEO(聚環(huán)氧乙烷)等，其優(yōu)勢為柔韌性好、質(zhì)量輕、成本低、易于加工;劣勢為常溫下離子電導(dǎo)率低，電化學(xué)窗口窄。歐美企業(yè)多采用該體系路線。
氧化物體系主要使用材料是石榴石(Garnet)、鈉離子導(dǎo)體(NASICON)等，其優(yōu)勢為循環(huán)性能良好，電化學(xué)穩(wěn)定性高;劣勢為離子電導(dǎo)率較低，界面接觸性差。國內(nèi)企業(yè)多采用該體系路線。
硫化物體系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS(均為一種硫化物電解質(zhì))等，其優(yōu)勢為離子電導(dǎo)率較高，劣勢為與空氣接觸形成有毒的硫化氫，材料生產(chǎn)對工藝的要求極高，成本較高。目前主要是日韓企業(yè)采用該體系路線。
根據(jù)東方證券研報，硫化物固態(tài)電解質(zhì)因極高的鋰離子電導(dǎo)率受到廣泛關(guān)注，如LGPS、LSP-SC(均為一種硫化物電解質(zhì))室溫下的離子電導(dǎo)率已與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)媲美。以LGPS為例，其離子電導(dǎo)率為12mS/cm(毫西門子/厘米)。而氧化物體系中，主流為LLZO(一種固態(tài)電解質(zhì))，其離子電導(dǎo)率為0.51mS/cm?？梢钥闯觯琇LZO的離子電導(dǎo)率大幅低于LGPS。
東方證券表示，電解質(zhì)的功能是為鋰離子在正負極之間傳輸搭建通道，決定鋰離子運輸是否順暢的指標被稱為離子電導(dǎo)率。在電極與電解質(zhì)界面上，傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)與正、負極的接觸方式為液-固接觸，界面潤濕性良好，界面之間不會產(chǎn)生大的電阻，而固態(tài)電解質(zhì)與正負極之間以固-固界面接觸，接觸面積小，緊密性較差，離子電導(dǎo)率通常比液態(tài)電解質(zhì)低兩個數(shù)量級。這一特性導(dǎo)致了電池的快充性能受限。
有趣的是，智己汽車聯(lián)合清陶能源推出的，卻是接近900V的快充電池。智己汽車表示，采用“超高離子電導(dǎo)率復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)”，以及行業(yè)首創(chuàng)的“干法固態(tài)電解質(zhì)一體成型”工藝技術(shù)。
4月1日，智己汽車聯(lián)席CEO劉濤在其微博表示：“是時候來給大家介紹一位智己的超級伙伴，那就是：清陶能源?！?/span>
劉濤稱：固態(tài)電池技術(shù)要量產(chǎn)非常非常難，有很多很多材料和工藝方面要突破，但最終，我們與這群中國頂級的人才攻破了難關(guān)，聯(lián)合開發(fā)出第一代固態(tài)電池。
圖片來源：清陶能源官網(wǎng)截圖
據(jù)清陶能源官網(wǎng)，其固態(tài)電解質(zhì)材料有氧化物固態(tài)電解質(zhì)粉體、復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜。從介紹可，清陶能源或?qū)儆谘趸镫娊赓|(zhì)路線。而根據(jù)上述研報，氧化物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率既低于液態(tài)電解質(zhì)。
對于固態(tài)、半固態(tài)電池離子電導(dǎo)率較低的問題，孚能科技研究院固態(tài)組專家表示：“半固態(tài)電解質(zhì)由于保留少量電解液，可以彌補導(dǎo)電率低和界面接觸差的問題，但活性物質(zhì)的添加也同時制約了更高能量密度材料體系的應(yīng)用。從全固體電解質(zhì)看，原位生長固態(tài)電解質(zhì)包覆層可以有效改善固-固界面接觸，此外還可通過熱壓或冷壓工序減少孔隙率以提高電極的物理接觸?！?/span>
固態(tài)電池難點：使用正極、負極新材料
除了固態(tài)電解質(zhì)材料，固態(tài)、半固體還需使用新的正極、負極材料。
呂真真認為：“首先，來自于底層材料學(xué)的問題尚待解決。電解液從液態(tài)變成固態(tài)不會帶來能量密度的提升。但固態(tài)電池體系提供了更高的安全冗余度和對新型正負極材料的相性，可以用到更高容量的負極材料或者正極材料。但如果這些材料的膨脹、穩(wěn)定性、首效等本質(zhì)問題沒有解決——例如界面阻抗大、離子電導(dǎo)率低、正負極相容性差等，仍然會限制產(chǎn)品級固態(tài)電池性能的發(fā)揮。”
每日經(jīng)濟新聞2021年1月的報道曾提到，有業(yè)內(nèi)人士認為：“(半固態(tài)電池)由于使用固態(tài)電解質(zhì)，相對液態(tài)電解質(zhì)能量密度肯定是下降的?！?/span>
即單純使用固態(tài)電解質(zhì)，電池能量密度反而下降。如要提升能量密度，需要使用能量密度更高的正極、負極材料。
孚能科技研究院固態(tài)組專家認為：“目前，由于固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率及界面浸潤不如液態(tài)電解液，需要增加正極、負極中固態(tài)電解質(zhì)的體積百分比來保證鋰離子導(dǎo)電能力。比如硫化物全固態(tài)電池的正負極極片需加入一定比例的固態(tài)電解質(zhì)才能保證電性能，會降低活性物質(zhì)占比并增加極片體積，從而導(dǎo)致質(zhì)量能量密度和體積能量密度的下降?！?/span>
目前，液態(tài)電解質(zhì)電池使用的是三元正極材料、磷酸鐵鋰正極材料、磷酸錳鐵鋰正極材料、石墨負極材料。那么，固態(tài)電池又將使用哪些不一樣的材料呢?
孚能科技研究院固態(tài)組專家認為：“從產(chǎn)業(yè)化角度看，目前正極主要有高電壓高鎳三元、富鋰錳基、超高鎳三元、鎳錳酸鋰等材料，負極材料以硅基和鋰金屬為主。從發(fā)展階段看，液態(tài)電解質(zhì)向半固態(tài)發(fā)展，仍會保留電解液和隔膜;在全固態(tài)階段，固態(tài)電解質(zhì)將替代電解液，隔膜是否被替代則取決于最終量產(chǎn)的技術(shù)路線?！?/span>
也就是說，固態(tài)、半固態(tài)電池的正極主要是三元材料和富鋰錳基，而不是如今份額最大的磷酸鐵鋰正極材料。
據(jù)東方證券研報，截至2023年底，容百科技(SH688005，股價31.9元，市值154.47億元)、當升科技、貝特瑞高鎳產(chǎn)能分別為25萬噸、8.2萬噸和6.3萬噸。
圖片來源：東方證券研報截圖
關(guān)于負極材料，杉杉科技研究院相關(guān)負責(zé)人4月7日回復(fù)《每日經(jīng)濟新聞》記者稱：“半固態(tài)可以采用石墨作為負極，但是為了提高能量密度，則需要搭配硅碳負極。硅碳的主要優(yōu)勢是比容量高，對于提高體積能量密度質(zhì)量能量密度都很有效?！?/span>
負極提升能量密度主要有“摻硅補鋰”，除了硅碳負極，提升負極比容量的方式還有預(yù)鋰化。
對此，杉杉科技研究院相關(guān)負責(zé)人表示：“是否使用預(yù)鋰化，主要取決于電芯廠的能量密度要求;預(yù)鋰化分為材料預(yù)鋰化和極片預(yù)鋰化;對于材料預(yù)鋰化來說，主要是提升材料的首次庫倫效率，有利于提高電池的能量密度?！?/span>
據(jù)東方證券研報，貝特瑞硅氧、硅碳負極已有0.6萬噸/年產(chǎn)能，在建4萬噸/年產(chǎn)能;璞泰來(SH603659，股價20.59元，市值440.21億元)硅氧、硅碳在建產(chǎn)能為1.2萬噸;杉杉股份(SH600884，股價12.22元，市值275.95億元)硅氧、硅碳在建產(chǎn)能為4萬噸。
杉杉科技研究院相關(guān)負責(zé)人對記者表示：“杉杉自主開發(fā)的新型硅碳產(chǎn)品具有高首效、高容量、低膨脹和長循環(huán)的特點，預(yù)計2024年8月份實現(xiàn)量產(chǎn)，目前國內(nèi)外客戶均在評測?！?/span>
圖片來源：東方證券研報截圖
目前，半固態(tài)選擇硅碳作為負極材料。而未來的全固態(tài)電池，或?qū)⑹褂娩嚱饘僮鳛樨摌O材料。據(jù)東方證券研報，硅基材料是負極重要迭代方向，鋰金屬負極或為長期目標。
值得一提的是，鋰業(yè)龍頭天齊鋰業(yè)(SZ002466，股價51.01元，市值837.19億元)已經(jīng)開始布局鋰金屬負極。2022年5月20日晚間，天齊鋰業(yè)公告，其子公司天齊創(chuàng)鋰科技(深圳)有限公司與衛(wèi)藍新能源簽署《合作協(xié)議》。雙方計劃共同出資設(shè)立合資公司，以共同從事預(yù)鋰化負極材料及回收、金屬鋰負極及鋰基合金(復(fù)合)負極材料、預(yù)鋰化試劑(原材料)及預(yù)鋰化制造設(shè)備產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售等相關(guān)業(yè)務(wù)。
衛(wèi)藍新能源產(chǎn)品進展 圖片來源：微信文章截圖
除了材料問題，呂真真提到，硫化物的規(guī)?；铣赡壳俺杀具€比較高。此外，其也提到制備工藝的改變?！叭虘B(tài)電池的制備工藝相較于液態(tài)電池有比較大的改變，這對于整個行業(yè)是一個較大的顛覆。這種重大顛覆由一家企業(yè)去推動是比較困難的，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的帶動。”呂真真表示。
孚能科技研究院固態(tài)組專家也認為：“高性能固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)，研發(fā)上主要是進一步提升解決電導(dǎo)率低、固-固界面、金屬負極等普遍技術(shù)難點。產(chǎn)業(yè)化上，全固態(tài)鋰電池與正極材料體系兼容度高，對負極、隔膜、電解液造成了一定影響，要解決產(chǎn)業(yè)鏈配套以降低成本……”
固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展為電動汽車行業(yè)帶來了新的解決方案，其高能量密度和改進的安全特性預(yù)示著未來電動汽車可能擁有更長的續(xù)航能力和更高的可靠性。隨著固態(tài)電池、半固態(tài)電池的不斷完善，電動汽車將逐漸替代傳統(tǒng)燃油車成為主流選擇。電動汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型將推動清潔能源和可持續(xù)發(fā)展的進程，為環(huán)境保護作出貢獻。然而，實現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化需要克服諸多技術(shù)和生產(chǎn)方面的挑戰(zhàn)。通過提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、優(yōu)化電極與電解質(zhì)之間的界面接觸、降低生產(chǎn)成本以及建立相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈配套，可以推動固態(tài)電池的商業(yè)化進程，并為清潔能源和可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。
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