某产业巨头在官方公众号宣布,在固态动力领域获新突破,并且搭载三元固液混合锂离子电池的纯电动SUV赛力斯-SERES-5规划于2023年上市,预计在本月13日亮相比利时布鲁塞尔车展。同时,该公司20GWh新型锂电池科技产业园项目正在建设中,规划建成国内最大的固态电池生产基地。
另外,固态电池行业后续也有一些事件预期,卫蓝360wh产品有望2023年上半年装车蔚来汽车,循环>800次;清陶260-300Wh电池解决方案,有望今年二季度实现量产。
这些事件均表明,固态电池的产业化正在提速。
固态电池与主流的液态电池工作原理并无区别,主要区别在于固态电池采用固态电解质取代了原有的隔膜与电解液。按照固态电解质的用量(一般以10%为界限),分为半固态电池(液态质量占比5-10%)和全固态电池(完全使用固态电解质)。因而半固态/固态电池最大的特点在于引入了固态电解质,其中半固态保留了部分电解液和隔膜结构,全固态电池不保留电解液,但隔膜可能视路线来决定是否替代。
就电解质路线而言,目前主要有3条路线,分别是:
1. 聚合物:优点是技术成熟、制备成本低;缺点是电导率低、不耐高压;
2. 氧化物:这是目前半固态电池主流的路径,优点是硬度高、耐高压,但电导率介于聚合物/硫化物之间;
3. 硫化物:电导率接近液态电池且能量密度最高,但生产稳定性差,与锂金属搭配循环寿命差等。
目前赣锋、卫蓝、清陶等主要在氧化物路线,宁德时代、松下、三星等公司选择硫化物路线。目前半固态电池赣锋、卫蓝等电池厂商已具备小规模量产能力,预计在2025年后可能看到硅基负极的全固态电池,锂金属负极技术可能在2027年。
固态电池因为其兼具能量密度与安全性的特点,因而远期商业化前景很好,市场关注度也很高。
就能量密度而言,市面上能量密度最高的三元电池接近250Wh/千克,其能量密度上限约在300Wh/千克,而固态电池在300Wh/千克以上,上限在500Wh/千克,同时固态电池能够实现横流快充,十几分钟就可以充满;
就安全性而言,一方面固态电解质可抑制锂枝晶生长速度,从而避免常见的液态的锂电池短路燃烧现象;另一方面,固态电解质耐热温度约400-1800度,远高于液态隔膜的耐热极限160度;因而即便是半固态电池,安全性能也远好于当前的液态电池。
基于固态电池以上优点,固态电池是未来新能源车电池的关键技术方向。据机构预计,5-10年全固态电池有望实现明显降本,产业化逐步落地。到2030年,我国固态电池市场空间或将达到200亿元,较2022年实现30倍增长。
产业链来看,固态电池与当前三元/磷酸铁锂电池类似,上游锂矿等元素,中游正极、负极、固态电解质,下游是电池封装。目前与主流电池相比,主要增加的是固态电解质,其中半固态保留了部分电解液和隔膜结构,全固态电池不保留电解液,但隔膜可能视路线来决定是否替代。
核心增量部分:
1、固态电池电解质
从锂电四大材料(正极、负极、隔膜、电解液)来看,最大的增量就是固态电解质。固态电池与主流的液态电池工作原理并无区别,主要区别在于固态电池主要是固态电解质取代了液态电池的电解液和隔膜,但是当前半固态电池仍有隔膜和少量电解液(占比约5-10%),全固态电池基本都是固态电解质,隔膜视路线来决定是否替代。
简单来看,硫化物固态电池的性能最好,但生产难度、循环寿命差,目前还有待研发,目前宁德时代、松下、三星等公司采用这种路线;氧化物固态电池目前是相对主流的路线,赣锋、卫蓝、清陶等公司采用这种路线。
此外,目前半固态电池已具备小规模量产能力,相对于液态电池而言,半固态电池保留少量电解液,但其中电解质主要采用LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)这种新型锂盐,原因在于其稳定性、安全性(分解温度>200度,高于六氟的80度)以及导电率比六氟磷酸锂更高。此前LiFSI由于在有水的环境下受热易分解,制造纯度要求高,存在技术壁垒从而应用很少,但随着国内各公司不断努力,LiFSI制备技术得到突破,后续有望在包括4680电池、固态电池等多种场景中得到应用。
目前半固态电池赣锋、卫蓝等电池厂商已具备小规模量产能力,预计在2025年后可能看到硅基负极的全固态电池,锂金属负极技术可能在2027年。
2、铝塑膜
与传统液态锂离子电池相比,固态锂电池去掉了PE/PP隔膜等柔性膜,电芯极组整体硬脆且缺乏弹性。若采用圆柱或方形这类金属硬质外壳的封装方式,硬壳比较容易与固态极组之间挤压、碰撞而导致极组碎裂。
因此,态电池主要采用软包的封装方式,相比方形、圆柱构型来说会增加铝塑膜的需求。铝塑膜在软包中起到保护电芯内材料的作用。此外,铝塑膜软包作为能量密度最高的封装方式,跟固态锂电芯高能量密度的特点也完美契合。
目前铝塑膜技术壁垒高,国产化率不足25%,对标四大基材90%以上国产化率,国产替代空间较大,预计2025年铝塑膜需求将提升至8.7亿平,市场空间超150亿元,2021-2025复合增速达36.5%。