固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化臨近 2026年或迎來(lái)產(chǎn)業(yè)成熟期2021-06-15 08:08
近期，各大企業(yè)關(guān)于固態(tài)電池不斷有消息傳出，之前蔚來(lái)在蔚來(lái)日發(fā)布的150kwh電池包，實(shí)現(xiàn)360wh/kg能量密度，續(xù)航里程突破1000公里，寧德時(shí)代比亞迪等也被相繼曝出其固態(tài)電池專(zhuān)利，引發(fā)社會(huì)討論。
而固態(tài)電池是否能成功代替目前的鋰離子電池，進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化呢？我們認(rèn)為需要從三個(gè)角度來(lái)考慮：即能量密度，安全性能，與電池成本。
首先是能量密度，能量密度是衡量一款動(dòng)力電池優(yōu)劣與否的最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定了新能源汽車(chē)一次所能行駛的距離，也確定了該動(dòng)力電池搭載的車(chē)型是否能滿(mǎn)足消費(fèi)者的日常所需。實(shí)際上業(yè)界對(duì)于提升新能源汽車(chē)的續(xù)航里程的普遍做法有兩種：即加大動(dòng)力電池的體積，與提升電池的能量密度。前者即直接提升電芯整體的質(zhì)量，通過(guò)將體積做大實(shí)現(xiàn)帶電量提升，續(xù)航里程的增加。不過(guò)這種方法有很大的局限性。第二就是提升電池本身的能量密度了，這也是近年來(lái)動(dòng)力電池業(yè)界最重要的目標(biāo)之一。
在我國(guó)對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃中，2025年動(dòng)力電池的整體能量密度為350-400WH左右，而目前傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限為350WH/kg，目前的液態(tài)鋰離子電池技術(shù)受困于本身體系的局限，已經(jīng)逐漸難以跟上不斷提高的能量密度要求，而固態(tài)電池其本身電化學(xué)窗口兼容性更強(qiáng)，其電化學(xué)穩(wěn)定窗口能達(dá)到5V以上，高于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的4.2V，這意味著其能夠匹配更高性能的正極材料，同時(shí)金屬鋰負(fù)極的使用也成為可能。大幅提升其理論的能量密度。在現(xiàn)有的正負(fù)極材料體系下300Wh/kg是比較高的能量密度，但是用上鋰金屬負(fù)極能達(dá)到500Wh/kg以上。能量密度的提升對(duì)新能源汽車(chē)意味著其體積及汽車(chē)本身的空間利用率也能得到有效提升。
二安全性。據(jù)此前深圳市消費(fèi)者委員的調(diào)查結(jié)果顯示，新能源汽車(chē)的安全性力壓里程焦慮等問(wèn)題，成為消費(fèi)者拒絕購(gòu)買(mǎi)最主要的原因。而近年來(lái)，隨著我國(guó)新能源汽車(chē)保有量的大幅增長(zhǎng)，安全事故頻發(fā)，而其中長(zhǎng)期以來(lái)，液態(tài)電解質(zhì)由于其可燃性，在遇到?jīng)_擊時(shí)容易發(fā)生泄漏或揮發(fā)，從而引起電池起火爆炸等安全事故。而固態(tài)電池使用不可燃的全固態(tài)電解質(zhì)取代了液態(tài)電解質(zhì)，即便在受到了物理沖擊之后，仍能不冒煙，不起火，不爆炸，同時(shí)，鋰枝晶現(xiàn)象也得到了足夠的抑制，安全性得到極大提高。
三為成本方面，由于新能源汽車(chē)本質(zhì)上仍是一種消費(fèi)品，如果要完全取代燃油車(chē)的地位，除了在綜合性能如續(xù)航里程，安全性能要做到持平或超越外，成本如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的控制，仍然難以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。固態(tài)電池因使用全固態(tài)電解質(zhì)，電解液，電解質(zhì)鹽，隔膜與黏結(jié)劑等都原材料均無(wú)需使用，極大簡(jiǎn)化電池構(gòu)建步驟，而中間的部分制作工藝，如電解質(zhì)注入，額外的冷卻系統(tǒng)等步驟，可以同樣可以省略，有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)固態(tài)電池在電芯層面的產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電芯的成本降極為接近液態(tài)鋰離子電池，成本為液態(tài)電池的1.1倍。而pack層面，當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電池的成本降達(dá)到液態(tài)的98%。不過(guò)在之后產(chǎn)能逐漸起量的情況下，固態(tài)電池的成本有望低于普通液態(tài)鋰離子電池。
從研發(fā)進(jìn)展來(lái)看，固態(tài)電池的發(fā)展歷程總體可以分為三個(gè)時(shí)段，第一段為2018-2021年，這段時(shí)間主要為固態(tài)電池產(chǎn)品的規(guī)劃與研發(fā)期，在這段時(shí)間，行業(yè)內(nèi)的各大電池廠(chǎng)商的產(chǎn)品已逐漸接近傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限，行業(yè)整體面臨轉(zhuǎn)型期，在這段時(shí)間之內(nèi)，市場(chǎng)上傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池如三元鐵鋰電池等仍然占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)。而接下來(lái)2022年-2025年也就是應(yīng)用期，該階段市場(chǎng)上將會(huì)逐漸出現(xiàn)搭載固態(tài)或半固態(tài)電池的車(chē)型及產(chǎn)品，不過(guò)由于其成本問(wèn)題，預(yù)計(jì)屆時(shí)在高端車(chē)型中搭載的可能性更高，而能量密度在該階段也將會(huì)來(lái)超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論極限，預(yù)計(jì)能量密度將達(dá)到300-500WH/KG。而第三個(gè)階段2026年-2040年固態(tài)電池市場(chǎng)將會(huì)迎來(lái)成熟期，該階段有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，能量密度突破到500WH/kg以上，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用及量產(chǎn)成為可能。
而固態(tài)電池是否能成功代替目前的鋰離子電池，進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化呢？我們認(rèn)為需要從三個(gè)角度來(lái)考慮：即能量密度，安全性能，與電池成本。
首先是能量密度，能量密度是衡量一款動(dòng)力電池優(yōu)劣與否的最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定了新能源汽車(chē)一次所能行駛的距離，也確定了該動(dòng)力電池搭載的車(chē)型是否能滿(mǎn)足消費(fèi)者的日常所需。實(shí)際上業(yè)界對(duì)于提升新能源汽車(chē)的續(xù)航里程的普遍做法有兩種：即加大動(dòng)力電池的體積，與提升電池的能量密度。前者即直接提升電芯整體的質(zhì)量，通過(guò)將體積做大實(shí)現(xiàn)帶電量提升，續(xù)航里程的增加。不過(guò)這種方法有很大的局限性。第二就是提升電池本身的能量密度了，這也是近年來(lái)動(dòng)力電池業(yè)界最重要的目標(biāo)之一。
在我國(guó)對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃中，2025年動(dòng)力電池的整體能量密度為350-400WH左右，而目前傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限為350WH/kg，目前的液態(tài)鋰離子電池技術(shù)受困于本身體系的局限，已經(jīng)逐漸難以跟上不斷提高的能量密度要求，而固態(tài)電池其本身電化學(xué)窗口兼容性更強(qiáng)，其電化學(xué)穩(wěn)定窗口能達(dá)到5V以上，高于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的4.2V，這意味著其能夠匹配更高性能的正極材料，同時(shí)金屬鋰負(fù)極的使用也成為可能。大幅提升其理論的能量密度。在現(xiàn)有的正負(fù)極材料體系下300Wh/kg是比較高的能量密度，但是用上鋰金屬負(fù)極能達(dá)到500Wh/kg以上。能量密度的提升對(duì)新能源汽車(chē)意味著其體積及汽車(chē)本身的空間利用率也能得到有效提升。
二安全性。據(jù)此前深圳市消費(fèi)者委員的調(diào)查結(jié)果顯示，新能源汽車(chē)的安全性力壓里程焦慮等問(wèn)題，成為消費(fèi)者拒絕購(gòu)買(mǎi)最主要的原因。而近年來(lái)，隨著我國(guó)新能源汽車(chē)保有量的大幅增長(zhǎng)，安全事故頻發(fā)，而其中長(zhǎng)期以來(lái)，液態(tài)電解質(zhì)由于其可燃性，在遇到?jīng)_擊時(shí)容易發(fā)生泄漏或揮發(fā)，從而引起電池起火爆炸等安全事故。而固態(tài)電池使用不可燃的全固態(tài)電解質(zhì)取代了液態(tài)電解質(zhì)，即便在受到了物理沖擊之后，仍能不冒煙，不起火，不爆炸，同時(shí)，鋰枝晶現(xiàn)象也得到了足夠的抑制，安全性得到極大提高。
三為成本方面，由于新能源汽車(chē)本質(zhì)上仍是一種消費(fèi)品，如果要完全取代燃油車(chē)的地位，除了在綜合性能如續(xù)航里程，安全性能要做到持平或超越外，成本如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的控制，仍然難以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。固態(tài)電池因使用全固態(tài)電解質(zhì)，電解液，電解質(zhì)鹽，隔膜與黏結(jié)劑等都原材料均無(wú)需使用，極大簡(jiǎn)化電池構(gòu)建步驟，而中間的部分制作工藝，如電解質(zhì)注入，額外的冷卻系統(tǒng)等步驟，可以同樣可以省略，有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)固態(tài)電池在電芯層面的產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電芯的成本降極為接近液態(tài)鋰離子電池，成本為液態(tài)電池的1.1倍。而pack層面，當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電池的成本降達(dá)到液態(tài)的98%。不過(guò)在之后產(chǎn)能逐漸起量的情況下，固態(tài)電池的成本有望低于普通液態(tài)鋰離子電池。
從研發(fā)進(jìn)展來(lái)看，固態(tài)電池的發(fā)展歷程總體可以分為三個(gè)時(shí)段，第一段為2018-2021年，這段時(shí)間主要為固態(tài)電池產(chǎn)品的規(guī)劃與研發(fā)期，在這段時(shí)間，行業(yè)內(nèi)的各大電池廠(chǎng)商的產(chǎn)品已逐漸接近傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限，行業(yè)整體面臨轉(zhuǎn)型期，在這段時(shí)間之內(nèi)，市場(chǎng)上傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池如三元鐵鋰電池等仍然占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)。而接下來(lái)2022年-2025年也就是應(yīng)用期，該階段市場(chǎng)上將會(huì)逐漸出現(xiàn)搭載固態(tài)或半固態(tài)電池的車(chē)型及產(chǎn)品，不過(guò)由于其成本問(wèn)題，預(yù)計(jì)屆時(shí)在高端車(chē)型中搭載的可能性更高，而能量密度在該階段也將會(huì)來(lái)超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論極限，預(yù)計(jì)能量密度將達(dá)到300-500WH/KG。而第三個(gè)階段2026年-2040年固態(tài)電池市場(chǎng)將會(huì)迎來(lái)成熟期，該階段有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，能量密度突破到500WH/kg以上，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用及量產(chǎn)成為可能。
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