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固态电池赛道风口来临?| 封面故事:固态电池抢位赛起跑(一)

汽车纵横全媒体 2024-07-04 09:20 发文

✎编者按

固态电池热度飙升,成为全球下一代电池科技争夺的新焦点和制高点,被业内寄予厚望。汽车产业链企业正在固态电池赛道积极布局,以期抢占先发市场优势。固态电池风口是否将至?目前业内预计其量产应用窗口期为2026-2030年。但固态电池实现产业化还面临着诸多重要挑战。围绕固态电池的研发现状和发展前景,《汽车纵横》特作本期“封面故事”专题报道。本专题报道共6篇,今天发布第1篇,敬请关注。

固态电池赛道抢位战已打响,成为全球电池科技竞争焦点。以固态电池为核心的电动汽车有可能改变未来产业布局。但固态电池真正实现商业化还需时日。整体看,预计固态电池量产应用窗口期在2026-2030年。

7月1日,中国科学技术大学官网披露,该校马骋教授开发了一种用于全固态电池的新型硫化物固态电解质——氧硫化磷锂。其原材料成本仅14.42美元每公斤,不到其他硫化物固态电解质的8%,远低于商业化所要求的50美元每公斤,具有很强的成本竞争力。而硫化物固态电解质材料的成本普遍高于195美元每公斤,其成本居高不下的根源在于它们的合成需要使用大量昂贵的硫化锂(不低于650美元每公斤)。这有利于推动全固态电池商业化落地。

近来固态电池热度飙升,并成为资本市场宠儿。汽车行业企业陆续发布了其固态电池研发进展信息。固态电池产业化进程正加速。传统汽车强国和汽车企业希望通过固态电池研究与产业化实现“换道超车”。

业内专家认为,全固态电池是下一代电池首选方案之一。中国科学院院士、南开大学副校长陈军曾表示:“全固态电池已成为全球电池科技的竞争焦点,以固态电池为核心的电动汽车有可能改变未来产业布局。”目前,中国、韩国、日本、美国和欧盟等都在积极布局固态电池产业,汽车企业和电池企业纷纷加入相关产业链角逐。

近10年来,我国新能源汽车产业发展取得了长足进步。据中国汽车工业协会发布的数据,2013年,我国新能源汽车销售17642辆。2023年,新能源汽车销售949.5万辆,市场占有率达到31.6%,连续9年位居全球第一;新能源汽车出口120.3万辆。2024年1-5月,新能源汽车销售389.5万辆,市场占有率达到33.9%;新能源汽车出口51.9万辆。

新能源汽车快速发展为包括固态电池在内的动力电池发展创造了新的战略机遇。2023年,我国动力电池产销量分别达664.7GWh和616.3GWh;全球动力电池装车量706GWh,其中中国动力电池装车量387.7GWh。2024年6月14日,中国汽车动力电池产业创新联盟发布了相关数据:1-5月,我国动力和其他电池销量为310.4GWh,动力电池装车量160.5GWh。预计,2024年全年动力电池装车需求将达527GWh。

近年来动力电池在技术上快速发展并不断升级,随之固态电池亦呼之欲出,但目前固态电池发展仍处于起步阶段。

量产时间呼之欲出

固态电池发展前景被广泛看好,但业内普遍认为,全固态电池实现大规模产业化还需要3-5年。目前,固态电池处于液态电池转向半固态电池量产上线阶段。中邮证券预计,2030年我国固态电池出货量将达251.1GWh,2030年市场空间有望达到200亿元。

据2020年11月国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,到2025年,动力电池等关键技术取得重大突破。“开展正负极材料、电解液、隔膜、膜电极等关键核心技术研究,加强高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池和燃料电池系统短板技术攻关,加快固态动力电池技术研发及产业化。”这是首次将固态电池研发纳入国家战略层面。

江淮汽车集团原董事长左延安接受《汽车纵横》采访时表示,汽车行业有几个大的课题值得思考,固态电池就是其中之一。在他看来,丰田汽车计划2027年固态电池商品化,是很重要的节点。2024年4月,他公开表示,固态锂电池有可能在2030年前后在我国实现量产;现在看到一些企业所宣称的固态电池相关数据是实验室数据,固态电池真正搭载在车辆上进行商业化运行还要有一段时间。

“预计固态电池量产时间在2028年到2030年。”中国汽车动力电池产业创新联盟理事长董扬接受《汽车纵横》采访时说,“尽管业内对固态电池量产时间的说法已经数次改变,但我认为2028年到2030年这个时间点可能性比较大。”

东风汽车集团有限公司研发总院院长杨彦鼎接受《汽车纵横》采访时说:“众多电池厂和主机厂相继在固态电池行业投入大量研发资源,促进固态电池产业的发展。固态电池的量产将沿着液态—半固态—全固态的技术发展阶段逐步实现,目前已有单位实现了半固态电池的规模生产,预计2026年将实现半固态电池的量产。全固态电池仍处于实验室研发阶段。目前有部分高校和科研院所研发了小容量软包全固态电池,但大容量电池还未验证,预计2030年前后可能实现量产。”

中国工程院外籍院士孙学良曾表示,全固态电池规模化量产和应用,窗口期在2025-2030年间。2023年11月,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高表示,全固态电池预计2027-2030年可以产业化。2024年1月,欧阳明高再次表示,预计2030年左右全固态电池技术有望实现产业化应用。中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙曾表示,全固态电池在车辆上实现规模化应用要等到2030年左右。

从汽车行业企业来看,目前不少主机厂和电池企业发布了固态电池产业路线图,量产时间集中于2026-2030年。

东风、长安、上汽、广汽、比亚迪、吉利、长城等车企都在固态电池上布局。比如,2023年11月,长安汽车表示,对于半固态、固态电池,计划不晚于2027年推动重量能量密度达到350-500Wh/kg、体积能量密度达到750-1000Wh/L,并逐步量产应用,2030年实现全面普及。11月,广汽集团宣布,固态电池取得突破性进展,2026年将实现全固态电池装车搭载。2024年5月,广汽集团表示,预计车规级全固态电池2026年首先搭载于昊铂车型上。5月,上汽集团表示,2025年底建成全固态电池产线,预计到2026年实现电池量产及样车测试,旗下智己汽车计划2027年推出搭载全固态电池的新车型。

宁德时代、国轩高科、赣锋锂业等电池企业在固态电池方面也动作不断。2024年4月,宁德时代首席科学家吴凯表示,全固态电池的成熟度指标若用1-9数字表示,宁德时代目前在4的水平,目标是2027年到7-8的水平。预计到2027年宁德时代实现全固态电池小批量生产。2024年5月,国轩高科发布了全固态电池金石电池,其能量密度达到350Wh/kg,预计2027年实现全固态电池小批量上车实验,2030年实现量产。卫蓝新能源表示,预计到2026年底实现全固态电池量产。欣旺达表示,计划2026年实现固态电池量产。

从全球来看,日本、韩国在全固态电池布局方面早于中国。日本在《蓄电池产业战略》中提出,2030年左右实现全固态锂电池商业化应用。2023年10月,丰田汽车宣布,争取2027年至2028年实现全固态电池进入实用化阶段。丰田汽车社长佐藤恒治指出,2030年后全固态电池将达到大规模生产阶段。不过,早在2011年,丰田汽车曾宣布2015~2020年期间推出固态电池。日产汽车研究部门副总裁土井和弘表示,日产首款采用固态电池技术的量产车型预计2028年推出。2024年3月,韩国三星SDI发布全固态电池量产规划,预计2027年量产。SK On的目标是2026年生产出原型产品,2028年实现商业化。美国的福特汽车曾表示,预计2026年推出搭载固态电池的车型。宝马汽车计划2025年前推出搭载基于Solid Power公司技术的全固态电池试验车,2030年前实现量产。

欧阳明高表示,目前全球固态电池产业布局特点是,中国企业数量最多,日韩企业数量较少但实力较强,美国基本是创业企业,而欧洲主要是与美国创业企业进行合作等。据公开资料,截至2024年5月27日,从技术来源看,日本仍是全球固态电池领域专利申请最多的国家,占全球专利申请量的比例近40%,中国位居第二,占比约26.6%;从布局市场来看,中国是全球固态电池专利布局最多的市场,约占31.4%,而日本约占27%。中国凭借完整的汽车产业链供应链和市场规模优势,在固态电池领域创造出中国方案和中国路线值得期待。

不过,业内也有人对固态电池发展有不同声音,甚至觉得并不乐观。

多元技术路线并进

2024年5月27日,工信部发布了《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(征求意见稿)。其中新标准做了系列修改,对磷酸铁锂电池、三元锂电池、钠离子电池、锂金属电池等的安全性提出了更高要求。

而固态电池作为一种新型储能技术,被公认为是新一代电化学储能技术的主要路线。据公开资料,目前磷酸铁锂电池能量密度通常为100—160Wh/kg,三元锂电池能量密度为150—350Wh/kg,而液态电池能量密度接近350Wh/kg,固态电池能量密度能达到400-900Wh/kg。欧阳明高认为,“全固态电池具有技术颠覆的性能潜力”,有高安全性、高能量密度、高功率、温度适应性好、材料选择范围更广等特点。杨彦鼎接受《汽车纵横》采访时说:“相较于传统液态锂离子电池,固态电池具有更高的安全性、能量密度和循环寿命。固态电池有望在未来实现更广泛的应用。”不过,业内对此也有不同声音。

从技术路线而言,目前固态电池是多元并举。杨彦鼎接受《汽车纵横》采访时说:“固态电池技术路线主要有聚合物固态电池、氧化物固态电池和硫化物固态电池三种。此外,还有卤化物等化学体系。”2024年3月,宁德时代董事长曾毓群也表示,目前固态电池主要有氧化物路线、硫化物路线和聚合物路线,大家都还在研究。

这些技术路线是根据固态电池电解质的不同而划分的,而且其各自存在优缺点。据杨彦鼎介绍,聚合物固态电池具有易加工性和良好的界面相容性,但电导率较低,热稳定性较差;氧化物固态电池是热稳定性和电化学稳定性良好,但易脆裂、难成膜加工;硫化物固态电池具有良好的离子电导率和一定的柔性,但对湿度极度敏感,且与金属锂和三元正极的界面稳定性较差,同时也有极高的制造难度。

现实中,固态电池技术路线呈现齐头并进发展态势。“单一技术路线不能解决固态电池的技术问题,可能需要采取多技术协调或复合路线,对产品进行功能和环境细分,以发挥各自优势。”杨彦鼎举例说,东风汽车采用聚合物+氧化物复合体系以实现优势互补——结合聚合物柔韧性、氧化物电解质稳定性和高强度,通过原位固态化工艺,减少液态电解质含量,兼具安全性、能量密度和经济性,率先进入量产阶段。

欧阳明高也曾表示,全固态电池技术路径并没有实现全球统一,对电解质的研究、验证等还有很多工作要做。从全球固态电池技术路线而言,业内人士认为,目前我国企业主要采用氧化物路线,日韩企业主要采用硫化物路线,欧美企业主要采用聚合物路线。但这并不是说企业在实践中只采取单一技术路线。同时,日本、韩国的企业在技术积累上有先发优势。

因此,董扬接受《汽车纵横》采访时说:“技术发展有自身规律,很多时候技术路线不是唯一的,多条技术路线探索是必要的。固态电池技术路线现在还没有完全固定,还存在其他技术路线的可能性,所以要多种路线结合起来发展。”

同时,根据液态电解质在电池材料中的质量百分比含量,有液态、混合固液和全固态等形态的动力电池。其中,固态电池又可分为半固态、准固态、全固态三种类型。据公开资料,液态电池、半固态电池和固态电池的液体含量(wt)分别为25%、5%-10%和0%。半固态电池是固液混合电解质电池,被认为是从液态到固态电池的过渡性产物,仍需要隔膜,而全固态电池不需要隔膜,目前全球全固态电池还处于研发和试制阶段。欧阳明高指出,当前国内固态电池技术路线是多元化并以固液混合的半固态电池为主。他还提醒说:“从全行业看,中国既要发展渐进性的半固态技术路线,又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。”“液态电池的应用周期至少还有20年。固态电池要想替代液态锂离子电池50%的市场份额,至少需要20年~30年。”

半固态电池商业化先行

尽管目前固态电池没有大规模商业化,但业内看好其市场价值和前景。国盛证券预测,2025年全球固态电池需求量为17.3GWh,到2030年全球固态电池需求量有望超过200GWh,2025年至2030年年复合增长率达65.8%。据SNE research报告,到2030年全球全固态电池供应量从2025年开始的0.2GWh增加到131GWh,市场渗透率将达4%左右。

但从现实来看,半固态电池将率先量产商业化。据中国汽车动力电池产业创新联盟的数据,2024年1-5月国内半固态电池装车量达1621.8MWh。有机构统计,截止2023年底,国内半固态电池产能规划累计超过298GWh,落地产能接15GWh,预计2024年(半)固态电池装机总量将突破5GWh。

2024年6月8日,长安汽车先进电池研究院副总经理、深蓝汽车科技有限公司动力开发部副总经理杜长虹表示,“2024年是中国半固态电池上车元年”。杜长虹认为,固态电池发展经历材料开发、电芯开发、工程化、千辆级量产和万辆级量产五个阶段后可实现大批量商业化发展。在未来相当长一段时间内,全球新能源汽车市场上液态电池、固态电池和燃料电池将并行发展,现在很难说谁主沉浮。

目前已有不少汽车行业企业宣布半固态电池实现装车量产。比如,长安、广汽、蔚来、赛力斯、哪吒等宣布了半固态电池装车量产计划。奔驰、大众曾发布信息称,2024-2026年将使用半固态电池。2024年5月,福田汽车表示,半固态电池已搭载在轻卡上进行测试。宁德时代、清陶能源、中创新航、蜂巢能源、辉能科技、赣锋锂业、亿纬锂能、国轩高科、比克电池、欣旺达、力神电池等也宣布了半固态电池上车计划。

目前业内企业采取了各种发展形式,有的企业自己研发,有的企业相互合作研发,有的主机厂采用电池企业研发的产品等。2023年12月,中国一汽、东风汽车、长安汽车等27家单位在深圳组建了固态电池产业创新联合体。上汽入股清陶能源,还与宁德时代成立时代上汽与上汽时代两家电池合资公司。蔚来资本、小米集团、华为、国汽智联、吉利控股等投资卫蓝新能源,而蔚来汽车采用卫蓝新能源的半固态电池。赣锋锂业为东风风神E70、岚图追光提供半固态电池。孚能科技的半固态电池搭载在大运集团的远航Y6上等。

但半固态电池在市场推广方面也面临诸多挑战。欧阳明高提醒说,半固态电池的良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命等问题还需要解决。

在固态电池方面,目前一些车企正积极开发并示范运营。比如,目前东风汽车已完成小批量固态电池整车开发、试制及运营,并着眼于第二代、第三代固态电池研发。2024年4月,广汽埃安旗下昊铂品牌宣布昊铂全固态电池即将亮相,将从实验室走向量产应用。最近,中国工程院院士孙逢春公开表示:“从技术角度来看,固态电池要想实现产业化还是任重道远。”

普及化还需跨越多道槛

从行业整体发展情况来看,固态电池尤其全固态电池商业化的确面临着诸多挑战。

董扬接受《汽车纵横》采访时说:“目前固态电池面临的主要挑战是成本和寿命。现在即使那些宣称固态电池产业化的企业,也没有确切地提出其材料配方,成本到底能降多少,或者性能能提高多少。现在我还没有看到有文献说做出来的固态电池能量密度高、快充倍率高、成本又低的情况,更多的是网上很多文章把多处的数字拼凑在一起。”

业内普遍认为,整体来看,技术和成本等仍是固态电池量产和产业化的主要挑战。

从技术角度看,目前固态电池面临材料技术、制备技术等不够成熟的挑战。杨彦鼎接受《汽车纵横》采访时说:“多项固态电池关键技术尚未突破,包括高离子电导率复合电解质膜设计、高容量高效率正极、超薄高稳定锂金属负极、电极/电解质界面调控、电芯快充性能提升、电芯集成设计等。”他建议,需加大国家科技攻关支持力度,扶强不扶弱,鼓励央企牵头车规级固态电池国家项目,同时对固态电池研发企业给予国家补贴,以实现需求和龙头的牵引。

2024年1月,欧阳明高接受媒体采访时表示,全固态电池产业化仍然面临一系列科学难题,既需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池等不同层面解决现有难题,也需要应对全固态电池的工艺设备挑战以及产业链挑战。

从成本角度看,成本过高制约着固态电池商业化发展。业内人士认为,一方面是原材料成本问题,比如锂硫化物的价格是碳酸锂的5-10倍左右,另一方面是全固态电池对生产环境与原材料纯度的要求极高,对生产工艺和质量控制提出了更严苛要求,生产设备替换率也更大。“固态电池当前成本偏高,缩小传统液态电池和固态电池之间的成本差距是实现其产业化、商业化的关键。

固态电池成本较高的原因:一是包括固态电解质和更高理论容量的正/负极在内的材料成本较高,二是产业链供应体系还不完善。”杨彦鼎接受《汽车纵横》采访时说,“建议实施‘龙头+产业链+集群’发展战略,壮大固态动力电池产业链条,引领能源装备升级,支持固态电池研发、落地项目,实现电池降本。同时,从消费端对固态锂电池汽车给予财政扶持政策,引导和促进固态锂电池汽车消费,促进新能源汽车产业高质量、规模化、可持续发展。”

蔚来总裁秦力洪曾表示,150kWh的固态电池包,其成本接近一辆蔚来ET5。若按这样推算,蔚来研发的150kWh半固态电池装车后的成本大概为25万元左右,装车前电池包的成本至少也在22万元以上。而目前市场上通用的液态锂离子电池成本大概占整车的30%-60%。

2024年4月,左延安公开表示,电池设计中,如果只追求单一性能指标,如安全性、能量密度、循环周期、充放电倍率等,相对容易实现,但往往导致高成本。成本过高的电池如何能够产业化?电池设计实际上是在多个性能指标之间寻求平衡,以满足产业化目标。

但随着技术不断创新和发展,我们相信固态电池的成本问题将会逐步得到解决。2024年1月,欧阳明高就表示:“过去十年来,动力电池能量密度提升3倍,成本下降80%以上。”上汽清陶总经理李峥曾表示,材料研发加工和规模工厂制造能力,能让固态电池成本下降。清陶第二代固态电池液态电解质小于5%,能量密度可达400-500Wh/kg,60%是更新设备,成本与液态锂电池相比下降20%;第三代是全固态电池,采用固态电解质,能量密度大于500Wh/kg,70%是更新设备,成本与液态锂电池相比下降40%。

我们相信,当真正跨越了这些门槛后,固态电池商业化将迎来真正的春天。

注:本文首发于《汽车纵横》杂志2024年7月刊“封面故事”栏目,敬请关注。

图片:来自网络

文章:汽车纵横

排版:汽车纵横

声明:本文为OFweek维科号作者发布,不代表OFweek维科号立场。如有侵权或其他问题,请及时联系我们举报。
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