固態(tài)電池，加速！
編輯：轉自：科創(chuàng )板日報
發(fā)布時(shí)間：2024-12-13
在近日舉行的2024年高工鋰電年會(huì )上，高工產(chǎn)業(yè)研究所(GGII)所長(cháng)于德德龍表示，GGII去年預測，2024年固態(tài)電池出貨量會(huì )破5GWh，但從截止到前三季度的數據來(lái)看，預估到今年年底，固態(tài)電池取得的出貨量將超過(guò)7GWh，2030年要往300GWh的級別走。而全固態(tài)電池將在2028年后破GWh，2032年前后，破百GWh。當前，隨著(zhù)固態(tài)電池的持續發(fā)展，《科創(chuàng )板日報》記者注意到，鋰電產(chǎn)業(yè)鏈正迎來(lái)新的變化，同時(shí)新的應用場(chǎng)景正加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
▌液態(tài)到固態(tài)：材料、工藝、設備加速迭代
相比于液態(tài)電池，固態(tài)電池可認為是將鋰離子電池中電解液、隔膜用固體電解質(zhì)替換，最大的變化是電解質(zhì)與活性物質(zhì)的接觸方式由固-液接觸變?yōu)楣?固接觸，由此產(chǎn)生一系列變化。衛藍新能源研發(fā)總經(jīng)理徐航宇表示，固態(tài)電池的挑戰包括全壽命周期工況下持續穩定的界面接觸、單一固態(tài)電解質(zhì)材料難以滿(mǎn)足全固態(tài)電池需求。基于此，其認為混合固液電池的開(kāi)發(fā)策略彌補了單一電解質(zhì)材料的短板。“目前，公司基于氧化物和聚合物固態(tài)電解質(zhì)，已實(shí)現混合固液電池的量產(chǎn)，產(chǎn)品應用于低空經(jīng)濟、新能源汽車(chē)、儲能等領(lǐng)域?！?/span>在固體電解質(zhì)作用下，正極材料開(kāi)發(fā)同樣面臨新的變化。宜賓鋰寶副主任工程師周宇環(huán)表示，固態(tài)電池正極材料開(kāi)發(fā)面臨的主要問(wèn)題包括界面穩定性、電化學(xué)穩定性、機械接觸穩定性和成本問(wèn)題。因此，固態(tài)電池正極材料的幾何外形和尺寸應該根據所用電解質(zhì)形態(tài)進(jìn)行個(gè)性化設計，實(shí)現與電解質(zhì)的緊密配合。固態(tài)電池正極材料需要朝著(zhù)更加致密、無(wú)裂紋、零應變方向開(kāi)發(fā)。正極材料表面包覆需要更加精準的控制，要求包覆均勻且厚度可控、需要開(kāi)發(fā)適用于工業(yè)生產(chǎn)的新型包覆工藝。電池工藝方面，干法工藝被廣泛關(guān)注。華彩科技CTO陳陽(yáng)表示，干法電極拋棄傳統液態(tài)溶劑，與固態(tài)電池設計理念類(lèi)似。在干法技術(shù)的賦能下，固態(tài)電池的極片制造過(guò)程可實(shí)現完全干燥、消除了濕法工藝烘干后，溶劑分子的殘留問(wèn)題。此外，利用粘接劑的原纖化作用制造固體電解質(zhì)膜，能提升固態(tài)電池性能，其優(yōu)勢包括孔隙率更低，提高離子導電率；活性物質(zhì)和粘接劑干混成膜，無(wú)需烘干制造成本更低；壓實(shí)密度更高，更有利于解決固固界面問(wèn)題。曼恩斯特鋰電涂布研究院院長(cháng)李寧亦表示，在材料層面，干法避免了液態(tài)介質(zhì)帶來(lái)的復雜反應，使材料間相互作用更易把控。但干法可在低溫度環(huán)境操作，通過(guò)優(yōu)化參數能保障硫化物電解質(zhì)和電極材料形成優(yōu)質(zhì)界面。工藝層面，干法中的混合、壓延等操作在中試線(xiàn)電極生產(chǎn)中具備可操作性，能夠精準調控粉末特性和工藝參數，如控制混合比例和壓延壓力，從而產(chǎn)生厚度與密度適宜的電極片。新工藝則需匹配新的設備。利元亨固態(tài)電池技術(shù)總監盧其輝表示，該公司的電極干法涂布設備，相比較濕法電極工藝，可減少11.5%原材料溶劑成本，以及減少46%以上能源消耗，具備高經(jīng)濟性。同時(shí)，其還提到，固態(tài)電池關(guān)鍵設備還包括輥壓熱復合雙軋一體機、極片膠框印刷&疊片一體機、高壓化成分容設備。其中，極片膠框印刷&疊片一體機的作用是，固態(tài)電池取消隔膜，且要求大壓力化成，因此電池極片邊緣變形，容易導致內短路問(wèn)題。將樹(shù)脂印刷到電極邊緣位置形成回形框，在壓力下起到支撐和絕緣作用。同時(shí)，高壓化成分容設備經(jīng)過(guò)初始充放電過(guò)程，可激活電池材料并穩定電池性能。常規電池化或拘束壓力要求3-10t，固態(tài)電池化或拘束壓力要求60-80t（10Mpa壓強/單個(gè)電芯）。相比于液態(tài)電池，固態(tài)電池車(chē)間環(huán)境也將更嚴格， 包括更嚴格的低露點(diǎn)管控，露點(diǎn)將在-50攝氏度。同時(shí)要對硫化物和鹵化物固態(tài)電池設備增加防毒，防爆設計。
▌全固態(tài)電池仍面臨多方問(wèn)題 eVTOL廠(chǎng)商呼吁材料端突破
當前，業(yè)內人士普遍認為，固態(tài)電池仍處于發(fā)展初期，主要以半固態(tài)為主，全固態(tài)電池在成本、工藝、安全生產(chǎn)等方面仍面臨諸多問(wèn)題。成本方面，GGII所長(cháng)于德龍提到，原材料售價(jià)高，硫化物當前售價(jià)5萬(wàn)元/kg，全固態(tài)成本是液態(tài)的10倍以上。同時(shí)，產(chǎn)線(xiàn)投資額上，以江蘇欣界擬向海目星采購的2GWh電池自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設備來(lái)看，預計設備采購金額約為人民幣4億元。多位業(yè)內人士向《科創(chuàng )板日報》提及，當前一條固態(tài)電池產(chǎn)線(xiàn)根據不同產(chǎn)品規格投資額有所不同，不過(guò)基本上相當于此前液態(tài)電池產(chǎn)線(xiàn)翻倍的金額，同時(shí)固態(tài)電池新設備如等靜壓設備一臺需要上百萬(wàn)元，極大提升成本。工藝層面上，全固態(tài)電池在正極干法工藝和等靜壓工藝等方面面臨量產(chǎn)難點(diǎn)。利元亨固態(tài)電池技術(shù)總監盧其輝表示，其中包括干法正極連續生產(chǎn)面臨挑戰，干混技術(shù)和粉末定量進(jìn)料技術(shù)存在難題，降低了制造速度以及電極材料均勻分布。軋輥系統穩定性和壽命面臨挑戰，大粒徑鐵鋰成膜過(guò)程中設備卡滯，小粒徑成膜過(guò)程中設備高頻振動(dòng)異響問(wèn)題，以及軋輥表面疲勞壽命問(wèn)題。等靜壓工藝方面，其提到，極端高壓對電芯的損傷，高達500Mpa等靜壓對電芯造成外觀(guān)破損和內短路問(wèn)題；等靜壓設備產(chǎn)能低，壽命短，每缸的最大產(chǎn)量?jì)H為48件（動(dòng)力軟包電池），且在500兆帕的壓力下，缸體材料即達到屈服極限，每次操作都會(huì )導致塑性變形。本征安全方面，盟維科技副總經(jīng)理李洪飛表示，全固態(tài)電池的安全性及失效機理有待深入研究?，F有部分實(shí)驗結果表明全固態(tài)電池不等于絕對安全，固態(tài)電解質(zhì)也會(huì )發(fā)生熱失控，其安全性及熱失控機理還需更多深入研究；全固態(tài)鋰金屬電池體系，固態(tài)電解質(zhì)材料搭配金屬鋰負極時(shí)，會(huì )發(fā)生鋰枝晶會(huì )沿著(zhù)固態(tài)電解質(zhì)的晶界、裂紋和縫隙生長(cháng)等情況，同樣會(huì )導致電池短路，存在熱失控風(fēng)險。應用場(chǎng)景方面，當前，新興市場(chǎng)如eVTOL領(lǐng)域應用端持續受到關(guān)注。今年11月14日，億航智能宣布，與欣界能源、國際先進(jìn)技術(shù)應用推進(jìn)中心（合肥）低空經(jīng)濟電池能源研究院聯(lián)合研發(fā)的高能量固態(tài)電池取得重大技術(shù)突破。EH216-S搭載該電池成功完成單次不間斷飛行測試，達到48分10秒，適用不同飛行需求，續航時(shí)間顯可著(zhù)提升60%-90%。欣界能源總裁孫立在高工鋰電年會(huì )上介紹稱(chēng)，該公司固態(tài)電池采用鋰金屬負極和氧化物陶瓷固態(tài)電解質(zhì)，已經(jīng)過(guò)億航等低空飛行領(lǐng)域多家客戶(hù)的專(zhuān)業(yè)測試，第一條（＞450Wh/kg）固態(tài)電池200MWh中試線(xiàn)已于2023年年底穩定生產(chǎn)，正在規劃建設（＞450Wh/kg）固態(tài)電池2GWh產(chǎn)線(xiàn)，將于2025年Q2投產(chǎn)，預計總投資10億元，用地70畝。不過(guò)，億航智能副總裁張宏表示，電池整體往更高比能量走的話(huà)，現在材料是不夠的。就現在固態(tài)電池能用上的最好的成熟材料就是九級超高鎳配第三代納米硅碳。這個(gè)材料體系如果要做到高倍率的話(huà)，仍然面臨瓶頸。“未來(lái)我們也是呼喚下一代材料，比如說(shuō)能夠有效提升電芯電壓的材料，眼下看起來(lái)好像沒(méi)有特別好的新一代的正極材料來(lái)適配低空經(jīng)濟這一領(lǐng)域，同時(shí)負極的復合鋰金屬也還不成熟?！?/span>多家廠(chǎng)商正尋求突破。其中，鋰金屬電池廠(chǎng)商盟維科技副總經(jīng)理李洪飛認為，采用金屬鋰作為負極是提高電池能量密度的重要途徑，利用鋰的沉積和脫出進(jìn)行儲能。金屬鋰理論比容量達到3860mAh/g，同時(shí)具有低電極電勢，是電池下一代負極材料的終極目標。其向《科創(chuàng )板日報》提及，目前公司正與多家eVTOL廠(chǎng)商合作開(kāi)發(fā)中。力神電池基礎研發(fā)部固態(tài)電池研發(fā)經(jīng)理張進(jìn)表示，該公司產(chǎn)品選用克容量更高的活性物質(zhì)材料，單體電池能量密度可突破400Wh/kg，選用鋰金屬類(lèi)負極單體電池能量密度可大于500Wh/kg。目前該公司已完成3家eVTOL訂單，累計銷(xiāo)售額近億元。不過(guò)，整體而言，億航智能副總裁張宏亦提及，電池安全本身需要系統層面的合力把控，“如果系統層面沒(méi)有特別好的方法，或整機層面沒(méi)有足夠好的安全的管控，我們其實(shí)不建議用三元的?，F在三元不管是液態(tài)還是半固態(tài)，它的安全性在航空級層面仍有待提升。所以我們還是希望就是系統集成層面，包括智能管控以及整機設計層面，大家能夠一起努力，別把壓力全都壓到電池身上?！?/span>
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