
固態(tài)電池作為一種具有創(chuàng)新性的電池技術(shù),在安全性、能量密度、循環(huán)壽命和工作溫度范圍等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢,有望成為未來電池技術(shù)的主流發(fā)展方向。盡管目前固態(tài)電池在技術(shù)、成本和產(chǎn)業(yè)化等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn),但是其技術(shù)進(jìn)展迅速,市場規(guī)模不斷擴(kuò)大,應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
一、固態(tài)電池行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案分析?
1、技術(shù)挑戰(zhàn)?
根據(jù)北京研精畢智信息咨詢調(diào)研,固態(tài)電池在技術(shù)層面仍面臨諸多挑戰(zhàn),其中固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低是較為突出的問題。固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率通常比液態(tài)電解質(zhì)低 1 - 2 個(gè)數(shù)量級,這導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加,充放電速度慢,嚴(yán)重影響了快充性能。例如,在電動汽車快速充電場景下,低離子電導(dǎo)率使得充電時(shí)間大幅延長,無法滿足用戶對快速補(bǔ)充能源的需求。從原理上看,離子在固態(tài)電解質(zhì)中的遷移路徑更為復(fù)雜,受到晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷等多種因素的制約,其遷移速率遠(yuǎn)低于在液態(tài)電解質(zhì)中的遷移速率。?
為了解決這一問題,科研人員從多個(gè)方面展開研究。在材料設(shè)計(jì)方面,通過對固態(tài)電解質(zhì)材料進(jìn)行改性,如引入摻雜離子、優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)等,來提高離子的遷移速率。研究發(fā)現(xiàn),在氧化物固態(tài)電解質(zhì)中摻雜特定的金屬離子,可以改變晶體的晶格參數(shù),增加離子的遷移通道,從而提高離子電導(dǎo)率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,構(gòu)建新型的電解質(zhì)結(jié)構(gòu),如納米復(fù)合結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等,以縮短離子傳輸路徑,提高離子傳導(dǎo)效率。將納米尺寸的固態(tài)電解質(zhì)顆粒與聚合物復(fù)合,形成納米復(fù)合電解質(zhì),利用納米顆粒的小尺寸效應(yīng)和高比表面積,增加離子的傳輸位點(diǎn),提升離子電導(dǎo)率。?
電極材料也是固態(tài)電池技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。硅基負(fù)極材料在接收鋰離子形成合金后,體積膨脹可達(dá) 300% 以上,這會導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)撕裂、材料顆粒脫落,致使電池效率衰減,嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。高壓下的三元正極容易失氧,可能導(dǎo)致電池鼓包,降低電池的安全性和性能。針對硅基負(fù)極材料的體積膨脹問題,研究人員采用了多種策略,如制備硅基復(fù)合材料,將硅與碳、金屬等材料復(fù)合,利用其他材料的緩沖作用來緩解硅的體積變化;設(shè)計(jì)核殼結(jié)構(gòu),以內(nèi)部的硅為活性中心,外部包覆一層穩(wěn)定的材料,保護(hù)硅不受外界環(huán)境的影響。對于高壓下三元正極失氧的問題,通過表面包覆、元素?fù)诫s等方法來提高正極材料的穩(wěn)定性,在正極材料表面包覆一層氧化物或氟化物,形成保護(hù)膜,阻止氧氣的逸出;摻雜一些高價(jià)金屬離子,增強(qiáng)正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。?
此外,固態(tài)電池在界面方面也存在問題。固態(tài)電解質(zhì)與電極均為干性固體,無法像液態(tài)電解液那樣滲透到電極孔隙中形成緊密接觸,界面接觸面積不足,存在微觀縫隙,導(dǎo)致鋰離子傳輸路徑受阻,界面電阻大幅增加。同時(shí),固態(tài)電解質(zhì)與電極之間可能發(fā)生副反應(yīng),如電化學(xué)腐蝕高電壓正極材料,硫化物電解質(zhì)可能被氧化生成絕緣層,還可能出現(xiàn)界面鈍化反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物積累會導(dǎo)致離子傳輸效率持續(xù)下降。為改善界面接觸,研究人員采用了界面修飾技術(shù),在固態(tài)電解質(zhì)與電極之間引入緩沖層,如聚合物緩沖層、納米粒子緩沖層等,以增加界面的親和性和兼容性,降低界面電阻。針對界面副反應(yīng)問題,通過優(yōu)化電解質(zhì)和電極材料的組成和結(jié)構(gòu),以及采用合適的表面處理方法,來抑制副反應(yīng)的發(fā)生,對硫化物電解質(zhì)進(jìn)行表面包覆處理,提高其抗氧化能力,減少與電極之間的副反應(yīng)。?
2、成本挑戰(zhàn)?
研究報(bào)告顯示,固態(tài)電池成本居高不下,成為其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙之一。目前,固態(tài)電池的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)液態(tài)電池,是液態(tài)電池的數(shù)倍。以蔚來 150 度半固態(tài)電池為例,上市成本約 2 元 / Wh,全固態(tài)電池成本更高,有數(shù)據(jù)顯示其生產(chǎn)出來的成本可達(dá) 5 元 / Wh 左右 。?
原材料成本高昂是導(dǎo)致固態(tài)電池成本高的重要原因之一。固態(tài)電解質(zhì)等關(guān)鍵原材料價(jià)格昂貴,如硫化物固態(tài)電解質(zhì)前驅(qū)體硫化鋰價(jià)格超 500 萬元 / 噸,占電解質(zhì)成本 70% 。與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)相比,固態(tài)電解質(zhì)的制備工藝更為復(fù)雜,對原材料的純度和質(zhì)量要求更高,這進(jìn)一步推高了原材料成本。而且,固態(tài)電池對封裝氣密性要求更高,金屬殼體成本較液態(tài)電池提升 30%,增加了封裝材料的成本。?
生產(chǎn)工藝復(fù)雜也是造成固態(tài)電池成本高的重要因素。固態(tài)電池的生產(chǎn)涉及化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等多種新型工藝,全固態(tài)電池制造還增加了干法混合、干法涂布等復(fù)雜環(huán)節(jié),這些工藝不僅技術(shù)難度大,而且設(shè)備成本高。采用干法工藝,2/3 的現(xiàn)有設(shè)備都需更換,設(shè)備的更新和維護(hù)成本使得生產(chǎn)成本大幅增加。同時(shí),復(fù)雜的生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)環(huán)境和操作人員的要求也更高,進(jìn)一步提高了生產(chǎn)的難度和成本。?
為降低成本,實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)是關(guān)鍵策略之一。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,固定成本將分?jǐn)偟礁嗟漠a(chǎn)品上,從而降低單位產(chǎn)品的成本。當(dāng)全固態(tài)電池應(yīng)用規(guī)模≥10GWh,預(yù)計(jì)電芯價(jià)格將降至 1 元 / Wh 左右 。企業(yè)通過建設(shè)大規(guī)模的生產(chǎn)基地,引進(jìn)先進(jìn)的自動化生產(chǎn)設(shè)備,提高生產(chǎn)效率,降低人工成本。寧德時(shí)代計(jì)劃建設(shè)大規(guī)模的固態(tài)電池生產(chǎn)基地,預(yù)計(jì)投產(chǎn)后將大幅降低固態(tài)電池的生產(chǎn)成本。同時(shí),優(yōu)化生產(chǎn)工藝,提高原材料利用率,減少生產(chǎn)過程中的浪費(fèi),也能有效降低成本。?
在原材料方面,積極尋找替代材料或優(yōu)化原材料制備工藝,降低原材料成本。研發(fā)新型的固態(tài)電解質(zhì)材料,降低對昂貴原材料的依賴;優(yōu)化硫化鋰等前驅(qū)體的制備工藝,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。比亞迪在硫化物固態(tài)電解質(zhì)降本上有清晰的分階段計(jì)劃,到 2027 年,LiS 成本較 2024 年降本效果實(shí)現(xiàn)下降 1500%-2000%,2030 年通過合成工藝改善及優(yōu)化,較 2027 年再度降本 30%-50% ,2033 年則通過規(guī)?;食掷m(xù)降本約 20%-30% 。通過技術(shù)研發(fā)等手段,讓硫化物電解質(zhì)成本大幅降低,對合成工藝進(jìn)行改進(jìn),讓生產(chǎn)過程更高效更經(jīng)濟(jì),從而進(jìn)一步降低成本。此外,加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作,共同推動原材料的國產(chǎn)化和規(guī)?;a(chǎn),也有助于降低原材料成本。?
3、產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)?
固態(tài)電池在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中面臨著技術(shù)路線不確定的難題,目前,固態(tài)電池主要有聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)三條主流技術(shù)路線,各技術(shù)路線在離子電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械性能等方面各有優(yōu)劣,尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和成熟的技術(shù)方案。這種技術(shù)路線的不確定性使得企業(yè)在研發(fā)和生產(chǎn)過程中面臨較大的風(fēng)險(xiǎn),增加了投資決策的難度。企業(yè)難以確定長期的技術(shù)發(fā)展方向,可能導(dǎo)致資源的分散和浪費(fèi)。而且,不同技術(shù)路線的電池在性能、成本、生產(chǎn)工藝等方面存在差異,這也給下游應(yīng)用企業(yè)的選擇和產(chǎn)品開發(fā)帶來了困擾。產(chǎn)業(yè)鏈不完善也是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化面臨的重要挑戰(zhàn)。雖然固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步發(fā)展,但與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈相比,仍存在諸多不足。上游關(guān)鍵原材料的供應(yīng)穩(wěn)定性不足,部分原材料如硫化鋰等的生產(chǎn)規(guī)模較小,供應(yīng)渠道有限,容易受到市場波動和供應(yīng)中斷的影響。中游電池制造環(huán)節(jié)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝還不夠成熟,缺乏大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和能力,導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、成本高。下游應(yīng)用領(lǐng)域?qū)虘B(tài)電池的認(rèn)知和接受程度還需要進(jìn)一步提高,應(yīng)用場景的開發(fā)和拓展也需要時(shí)間和投入。此外,產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同合作不夠緊密,信息溝通不暢,也制約了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。?
為應(yīng)對這些產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn),首先要加強(qiáng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)應(yīng)共同參與,制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,明確固態(tài)電池的性能指標(biāo)、安全要求、測試方法等,為技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)提供指導(dǎo),減少技術(shù)路線的不確定性,促進(jìn)市場的規(guī)范化和健康發(fā)展。行業(yè)協(xié)會可以組織專家和企業(yè)代表,制定固態(tài)電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),推動各企業(yè)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)和研發(fā)。?
產(chǎn)業(yè)合作也是推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的重要舉措。產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)合作,形成緊密的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。上游原材料供應(yīng)商與中游電池制造商合作,共同研發(fā)和優(yōu)化原材料的性能和供應(yīng)體系,確保原材料的穩(wěn)定供應(yīng)和質(zhì)量提升;中游電池制造商與下游應(yīng)用企業(yè)合作,深入了解應(yīng)用需求,開發(fā)適合不同應(yīng)用場景的電池產(chǎn)品,拓展市場應(yīng)用空間。同時(shí),產(chǎn)學(xué)研合作也至關(guān)重要,科研機(jī)構(gòu)和高校應(yīng)與企業(yè)緊密合作,加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng),共同攻克固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化過程中的技術(shù)難題,推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。寧德時(shí)代與多家車企合作,共同推進(jìn)固態(tài)電池在電動汽車上的應(yīng)用;贛鋒鋰業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作,開展固態(tài)電池技術(shù)研發(fā),提升技術(shù)水平和創(chuàng)新能力 。通過產(chǎn)業(yè)合作,實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補(bǔ),共同推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。?
二、固態(tài)電池行業(yè)發(fā)展趨勢與前景預(yù)測?
1、技術(shù)發(fā)展趨勢?
據(jù)研精畢智信息咨詢發(fā)布的分析報(bào)告指出,在材料創(chuàng)新方面,研發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)材料是關(guān)鍵方向。目前,氧化物、硫化物和聚合物等電解質(zhì)材料雖各有優(yōu)劣,但隨著研究深入,有望出現(xiàn)綜合性能更優(yōu)的新材料??茖W(xué)家們正在探索氟化物、氮化物等新型材料,期望其能具備高離子導(dǎo)電性、良好化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,從而提高電池整體性能。在電極材料方面,硅基負(fù)極和鋰金屬負(fù)極由于理論比容量高,被視為未來發(fā)展重點(diǎn)。但硅基負(fù)極存在體積膨脹問題,鋰金屬負(fù)極則面臨鋰枝晶生長和界面穩(wěn)定性難題。未來研究將致力于解決這些問題,如通過納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合化等手段,提高硅基負(fù)極的穩(wěn)定性;通過優(yōu)化電解質(zhì)和界面修飾,抑制鋰金屬負(fù)極鋰枝晶生長,提升電池循環(huán)壽命和安全性。?
在結(jié)構(gòu)優(yōu)化層面,構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)電池是重要趨勢。三維結(jié)構(gòu)能夠增加電極與電解質(zhì)的接觸面積,縮短離子傳輸路徑,從而提高電池的能量密度和充放電速率。通過 3D 打印等先進(jìn)制造技術(shù),可精確控制電池內(nèi)部結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電極和電解質(zhì)的優(yōu)化布局,提升電池性能。開發(fā)柔性固態(tài)電池也具有廣闊前景。隨著可穿戴設(shè)備、柔性電子器件的發(fā)展,對柔性電池的需求日益增長。柔性固態(tài)電池采用柔性固態(tài)電解質(zhì)和電極材料,結(jié)合柔性封裝技術(shù),可實(shí)現(xiàn)電池的可彎曲、可折疊,滿足不同應(yīng)用場景需求。?
此外,固態(tài)電池與智能控制技術(shù)的融合也將成為趨勢。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展,將智能控制技術(shù)引入固態(tài)電池管理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和精準(zhǔn)調(diào)控。通過大數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化,能根據(jù)電池的使用情況和環(huán)境條件,智能調(diào)整充放電策略,延長電池使用壽命,提高能源利用效率,還可實(shí)現(xiàn)電池與設(shè)備之間的互聯(lián)互通,為用戶提供更便捷、智能的使用體驗(yàn)。?
2、市場發(fā)展趨勢?
從市場需求來看,新能源汽車領(lǐng)域?qū)虘B(tài)電池的需求將持續(xù)快速增長。隨著消費(fèi)者對電動汽車?yán)m(xù)航里程和安全性要求的不斷提高,固態(tài)電池憑借其高能量密度和高安全性優(yōu)勢,將成為未來電動汽車的理想動力源。越來越多的汽車廠商計(jì)劃在未來幾年內(nèi)推出搭載固態(tài)電池的車型,這將推動固態(tài)電池在新能源汽車市場的滲透率不斷提升。在儲能領(lǐng)域,隨著可再生能源的快速發(fā)展,對儲能技術(shù)的需求日益增長。固態(tài)電池的長循環(huán)壽命和高能量密度特點(diǎn),使其在電網(wǎng)儲能、分布式能源存儲等場景中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著儲能市場的不斷擴(kuò)大,固態(tài)電池在儲能領(lǐng)域的市場份額也將逐步增加。消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)﹄姵匦阅艿囊笠苍诓粩嗵岣?,固態(tài)電池有望在智能手機(jī)、平板電腦、智能手表等設(shè)備中得到應(yīng)用,提升這些設(shè)備的續(xù)航能力和安全性,滿足消費(fèi)者對輕薄化、高性能電子產(chǎn)品的需求。?
在政策導(dǎo)向方面,全球各國政府紛紛出臺支持新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策,為固態(tài)電池市場的發(fā)展創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境。中國政府發(fā)布了一系列鼓勵(lì)新能源汽車和儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策,加大對固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的支持力度。美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)也在積極推動固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展,通過制定相關(guān)政策和法規(guī),引導(dǎo)企業(yè)加大研發(fā)投入,促進(jìn)固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。這些政策的出臺將進(jìn)一步推動固態(tài)電池市場的快速發(fā)展。?
基于市場需求和政策導(dǎo)向,固態(tài)電池市場規(guī)模有望呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。EVTank 預(yù)測,到 2030 年,全球固態(tài)電池出貨量將達(dá)到 556.0GWh,市場規(guī)模將達(dá)到 2993.9 億元 。隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的降低,固態(tài)電池的市場競爭力將不斷增強(qiáng),市場份額將逐步擴(kuò)大,有望成為未來電池市場的主流產(chǎn)品之一。在市場競爭態(tài)勢方面,目前固態(tài)電池市場競爭格局尚未完全確定,國內(nèi)外眾多企業(yè)紛紛布局,競爭激烈。未來,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加速,那些在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈整合、成本控制等方面具有優(yōu)勢的企業(yè)將在市場競爭中脫穎而出,占據(jù)更大的市場份額。同時(shí),企業(yè)之間的合作也將不斷加強(qiáng),通過產(chǎn)學(xué)研合作、產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作等方式,共同攻克技術(shù)難題,推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。?
3、前景展望?
固態(tài)電池對能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下,減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴,發(fā)展可再生能源是必然趨勢。固態(tài)電池作為一種高效、安全的儲能技術(shù),能夠有效解決可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性問題,促進(jìn)太陽能、風(fēng)能等可再生能源的大規(guī)模接入和消納,推動能源結(jié)構(gòu)向綠色、低碳方向轉(zhuǎn)變。在電動汽車領(lǐng)域,固態(tài)電池的應(yīng)用能夠提高電動汽車的性能和續(xù)航里程,加速電動汽車對傳統(tǒng)燃油汽車的替代進(jìn)程,減少碳排放,降低對石油資源的依賴,為實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。?
在各領(lǐng)域的應(yīng)用前景方面,除了新能源汽車、儲能和消費(fèi)電子領(lǐng)域外,固態(tài)電池在航空航天、軍事、電動工具等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域,對電池的能量密度、安全性和可靠性要求極高,固態(tài)電池的高能量密度和高安全性特點(diǎn)使其成為航空航天設(shè)備的理想能源選擇,有助于提高飛行器的性能和航程。在軍事領(lǐng)域,固態(tài)電池可應(yīng)用于各種武器裝備和軍事設(shè)施,為其提供更可靠、高效的能源支持,提升軍事裝備的作戰(zhàn)能力和生存能力。在電動工具領(lǐng)域,固態(tài)電池的長循環(huán)壽命和高能量密度能夠提高電動工具的使用效率和工作時(shí)間,減少充電次數(shù),為用戶帶來更好的使用體驗(yàn)。?
盡管固態(tài)電池面臨著技術(shù)瓶頸、成本較高等挑戰(zhàn),但其巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景不容忽視。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破,以及產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善,固態(tài)電池有望在未來能源領(lǐng)域發(fā)揮核心作用,成為推動全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的重要力量,為人類創(chuàng)造更加清潔、高效、美好的未來生活。
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