锂电池遇瓶颈 固态电池蓄力 下一次动力电池“洗牌”或在不远处

时间:2022-09-20 14:47:11

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锂电池遇瓶颈 固态电池蓄力 下一次动力电池“洗牌”或在不远处

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近日,天齐锂业、赣锋锂业接连发力固态电池的举动,引发行业密切关注。这两家电池材料供应商向下延伸业务,打破了产业链上下游企业多年来天然形成的界限——上游企业专注材料供应,电池企业积极研发电池配方。

据记者了解,天齐锂业、赣锋锂业并不是简单走发展锂电池的老路,而是从固态、半固态电池切入。那么,它们入局会否带来动力电池行业“洗牌”?

锂电池关键材料接近极限

正极、负极、电解液是锂电池的关键材料,经过多年技术开发,其潜力被深度挖掘,都接近材料性能的极限值。

中南大学冶金学院教授张永柱告诉《中国汽车报》记者,锂电池电解液的发展趋势是液态到凝胶,然后是半固态和准固态,最后到全固态。据介绍,现有的锂电池电解液约占电池质量的25%,凝胶时将降到约10%,半固态再降到约5%,准固态时电解液的量会非常少,大约只占电池总质量的1%,全固态电池没有液态电解质,固态电解质将发挥重要作用。

磷酸铁锂电池和三元锂电池正极材料的极限值,显示出较大的不同。几年前,不少行业专家表示,磷酸铁锂电池的能量密度“天花板”约为180Wh/kg。后来,这个数值被突破了,但这并不是研究人员的结论出现差错。据悉,能量密度不仅和正极材料相关,也与负极材料有密切联系。早些年,锂电池的负极普遍采用石墨,现在加入了硅,借助硅碳负极,磷酸铁锂电池的能量密度才有了进一步的提升。三元锂电池的能量密度高于磷酸铁锂电池,但材料的潜能也被挖掘得接近极限值了。

张永柱介绍说,液态锂电池的能量密度约为250~300Wh/kg,凝胶态可以做到350Wh/kg,准固态能达到400Wh/kg,全固态相比液态锂电池的能量密度有了大幅度提升,可以达到500Wh/kg。

动力电池之所以一直被称为锂电池,是因为无论磷酸铁锂电池,还是三元锂电池都含有锂金属。不过,对于现有的锂电池及半固态、固态电池而言,锂金属在其中发挥的作用并不一样。张永柱表示,在现有的动力电池中,锂主要被应用于正极材料和电解液中;在凝胶和半固态电池中,锂在负极材料的预锂化等技术中得到更多的应用;在准固态和全固态电池中,金属锂负极将得到应用,进一步增加其应用场景。

长续驶背后的市场驱动力

资料显示,全球电动汽车销量领先的特斯拉、比亚迪、五菱宏光MINIEV都有各自显著的产品特点。特斯拉不断强调自动驾驶的高科技性,也侧重宣传续驶里程的不断提升。比亚迪在自动驾驶市场化方面稍逊一筹,但在市场营销中也不断强调车辆续驶里程的提升,从最初的300公里,逐渐增加到如今的600公里,几乎翻了一倍。五菱宏光MINIEV则突出强调性价比,一般的电动汽车企业很难在这方面实现超越。

特斯拉和比亚迪的技术策略起到了明显的市场效果。数据显示,多年来,两家企业的电动汽车销量稳居排行榜前列。特斯拉和比亚迪的成功,引得其他企业竞相效仿。小鹏汽车G3推出了400公里标准续航版和520公里长续航版;蔚来EC6的续驶里程达430~615公里;即便是理想ONE也突出宣传续驶里程超过1000公里。

为赢得市场竞争优势,车企都追求长续驶里程吸引消费者。然而,电池技术并没有取得重大突破。在这种情况下,它们普遍采用两种方法增加车辆续驶里程,一是优化电池包物理结构;二是多“堆”电池。CTB、CTP技术,滑板底盘等应运而生,这些新的物理结构也为“堆”电池创造了条件。

一位业内人士告诉记者,小鹏、蔚来、吉利等汽车企业用“堆”电池的方法追求车辆的长续驶,但与比亚迪相比存在明显弱势。原因在于,比亚迪有自己的电池工厂,而大多数车企依赖外部供应商,“堆”电池意味着整车成本将大幅增加。近年来,动力电池原材料价格大幅上涨,汽车企业“堆”电池的成本也随之增加,用这种办法追求长续驶从而吸引消费者,将越来越难以为继。在不利的市场竞争形势下,部分汽车企业选择突破困境,尝试凝胶、半固态电池。

离行业“洗牌”还有多远

固态电池概念很多年前就已出现,但一直没有在电动汽车上实现量产。真锂研究首席执行官墨柯在接受记者采访时表示,小型固态电池已有批量生产,主要用在一些电子产品上,这种固态电池的容量比较低,还不能大规模用于动力电池。

墨柯还告诉记者,固态电池的界面导电率是一个大难题,为突破这一瓶颈,有些电池企业选择用凝胶填充,增加接触面,从而增加导电率。

中科院物理所研究员李泓指出,混合固液电池包括半固液电解质电池、准固态电解质电池、固态电解质电池三种,实现的方式有所不同,一是电极颗粒表面包覆了薄层固态电解质;二是隔膜和电极孔隙中添加固态电解质粉体或聚合物电解质;三是湿法制极片过程中液体电解质转换为固体电解质;四是电芯注入电解液后液态电解质通过化学方法转化为固体电解质;五是液体电解质通过电化学反应在电芯内原位转化为固态电解质。

国内哪些企业在固态、半固态电池上比较领先?李泓告诉记者,赣锋锂业、孚能科技、卫蓝新能源等都瞄准了半固态电池赛道,并且取得了不错的成果。

据介绍,赣锋锂业已建成0.3GWh混合固液锂离子电池生产线,并具备批量化生产能力,首批赣锋混合固液锂离子电池已试装在东风E70电动汽车上。4月新增年产7000吨金属锂项目,并且投资22亿元建设高比能固态电池超薄锂负极材料项目。赣锋锂业还在加紧第二代固态锂电池的研发,第二代电池将基于高镍三元正极、含锂负极,能量密度超过350Wh/kg,循环寿命接近4000次。

李泓也是卫蓝新能源的首席科学家,对于该公司的半固态电池的研发进展,他没有回复记者的提问。记者从其他渠道了解到,卫蓝新能源的半固态电池将配装蔚来ET7,能量密度为360Wh/kg、循环寿命1000次,已通过车企及国标安全性测试,今年将实现2GWh产能。

孚能科技的半固态电池能量密度为330Wh/kg,能够实现2.2C快充,这款电池在2021年获得美国汽车委员会的“优秀团队奖”,并且样品送给整车厂检测获得良好反馈。

蜂巢能源的果冻电池采用凝胶电解质,与现有的大多数锂电池用电解液有所不同。凝胶电解质具有高耐热、自愈合的特点,通过了160℃热箱测试、针刺测试“不起火、不冒烟”,2021年的第一代果冻电池能量密度为250~300Wh/kg,预计2023年达到300~350Wh/kg,2025年达到350~400Wh/kg。

一位业内人士告诉记者,固态电池是电动汽车的发展方向,在技术难题还不能完全攻克的情况下,半固态电池将是一个不错的过渡产品。不远的将来,这个领域的领先企业将处于市场竞争的有利地位,届时动力电池市场将会面临一次新的“洗牌”。

编辑:拓安

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