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市场等待技术!下一代电池技术已渐行渐近还是任重道远?
  信息来源:  发布时间:2021-04-16   点击数:  
 

 过去数十年里,液态锂离子电池技术日渐成熟,市场应用加快渗透,但也存在诸多发展瓶颈,电池技术进步的速度与消费市场的期望存在一定差距。潜在需求庞大,亟待技术突破来引爆各个细分应用市场,下一代电池技术被寄予厚望。

从各级政府释放的信号来看,我国“碳达峰、碳中和”目标坚定,而新能源技术是实现该目标的必然路径。加速拥抱绿色新能源,电池行业乘风而起,市场需求将迎来快速扩容期。

去年底国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,规划指出,要实施电池技术突破行动。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。

过去数十年里,液态锂离子电池技术日渐成熟,市场应用加快渗透,但也存在诸多发展瓶颈,电池技术进步的速度与消费市场的期望存在一定差距。潜在需求庞大,亟待技术突破引爆各个细分应用市场,下一代电池技术被寄予厚望。

目前,下一代电池的研究方向主要有燃料电池、固态电池、锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池、锌电池等等。除了目前主流液态锂电池的升级之外,固态电池和燃料电池的呼声也较高。

在锂电池技术方面,伊维经济研究院研究部总经理、中国电池产业研究院院长吴辉表示,目前锂电池的两大关键指标——成本和能量密度均实现了大幅度的改善,为电动汽车的产业化发展奠定了基础。十年来,锂离子电池价格下降了近85%,由2011年的3800元/Kwh下降到2020年的578元/Kwh;与之相反的是,锂离子电池能量密度提升了近3倍,由2011年的80wh/kg上升到2020年的270wh/kg。

随着成本与价格的改善,2020年,中国锂离子电池出货量由2014年的30.4Gwh增长到158.5Gwh,全球占比提升至53.8%。吴辉预计,2025年全球新能源汽车的销量将达1640万辆,整体渗透率将超过20%;2025年锂离子电池全球需求量正式迈入TWH时代,其中汽车用动力电池的需求量将达到919.4Gwh。

除了规模的上量,在锂电池技术方面,业内对于正极材料、负极材料、隔膜、电解液、铜箔、铝箔等核心电池材料潜力的挖掘也日趋重视,持续加大材料体系和工艺的优化。

在北京大学教授其鲁看来,我国锂电池产业升级要解决现有锂电池技术存在的一些问题、全固体锂电池的过渡期问题等等,但目前其中很多技术问题难以逾越。

“电性能、循环寿命、成本、比功率、比能量和安全性是评价锂离子电池正极材料应用潜力的重要因素。”中南大学教授王海燕表示,高镍三元正极材料的产能和市场占比正不断提升,是未来几年最具潜力的锂离子电池高能量密度正极材料。高镍三元材料优势显著,其中NCM811和NCA的单体能量密度能达到300Wh/kg以上,比较适合目前工业化体系,是目前设计高比能锂离子电池的首选正极材料。而在高镍三元正极材料的产业化发展趋势方面,他认为,主要有单晶化方向和超高镍方向。

长虹三杰新能源有限公司副总经理宋泽斌介绍说,高倍率国产电池技术技术在最近几年有非常的明显的进步,特别是在2500mAh以下型号方面,与日韩电池的性能基本没有差异;同时国产电子厂在装备引进方面力度不断加强,更新的生产线意味着更高的效率,更精确的控制,更好的产品一致性;相比日韩大部分仍是早期设备,国产电池未来在产品一致性及生产效率上,反而会存在一定的优势。关于高倍率电池的技术难点,宋泽斌认为,主要表现在功率与能量密度的同步提升、优异高低温性能兼顾、高产品一致性要求上。

固态电池的量产之路

电池网注意到,近期,兼顾高能量密度和高安全性的固态电池领域,也在升温:4月14日,蜂巢能源与中科院共建固态电池技术研究中心;4月9日,赣锋锂业宣布拟投资22亿元建设高比能固态电池超薄锂负极材料项目;3月31日,固态电池生产企业辉能科技被传出将在今年上市;3月15日,大众汽车在其首届“Power Day”上表示,未来汽车的动力电池的终极目标形态将会是固态电池;1月9日,蔚来在Nio Day上公布总能量150kWh的固态电池,并宣称将于2022年量产。

“新型电池技术很多都在发展,但都在路上,在预研和科研的路上。”中俄新能源材料技术研究院院长王庆生介绍说,固态电池从1972年研发到现在,历时50多年,面临着非常多的挑战。在远期的2030年,很多的电池形态是以全固态形式出现,包括金属锂、锂硫和锂空气电池,这些路线在不断修改中,但是大体是提高安全性的策略,就是固态化。固态电池的正极材料与液态电解质电池没有太大差别,负极材料主要选用锂金属、锂合金或石墨烯等,其发展主要还是依赖于固体电解质的材料的发展。

“高能量密度是我们不懈的追求,但对于新型电池材料来说,安全也十分重要。”本次研讨会上,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员/博士生导师/能源材料研究中心副主任张涛也表示,固态电池被认为是替代现有液态电池的最有可能的方案,全球已有40多家固态电池公司。张涛在中国科学院上海硅酸盐研究所在高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室创建了“电化学储能材料与器件”课题组,聚焦固态电解质、锂金属电池的研发等。实验室在氧化物固体电解质制备技术路线为固相反应-热压烧结;硫化物固体电解质制备技术路线为溶液反应-固相反应-加压成型;卤化物固体电解质制备技术路线为溶液反应-固相反应-加压成型。 

“固态电池不但是安全性问题的解决方案,也能通过提升续航带来便利性的提升,如果在经济性上可以与传统电池平价,固态电池的时代可能加速来临。”天风证券股份有限公司研究所副所长杨诚笑表示,“据我们测算,固态电池加工中没有注液等工艺,加工成本比传统锂电池低4.6$/Kwh,即固态电解质的加工成本低于7.7$/Kwh时,固态电池的电池成本低于传统电池。”在其看来,氧化物固态电池电解质物料价格低廉,且电芯易组装,封装成本低,只要解决氧化物电解质大规模量产的技术问题,固态电池的量产成本或可以与液态电池相媲美。

北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理向晋预测,混合固液电池可兼顾液态电池和全固态电池的性能优势,可以最大程度兼容现有的工艺、设备及材料,有望在5年内实现大规模量产;全固态电池技术还面临着诸多技术挑战,包括固固界面问题、高性能电池材料开发及工程化等,全固态电池预期在5-10内实现商业化应用。

另据《中国固态电池行业发展白皮书(2021年)》预测数据显示,目前全球已经量产或正在中试的固态电池企业,包括Quantum Scape、Bollore、Sakti3、SES、24M、清陶能源、赣锋锂业、卫蓝新能源、辉能科技、安瓦科技等。白皮书预测,2030年全球范围内固态电池的出货量或将达到276.8GWh,整体渗透率预计将保持10%左右。

燃料电池的商用之路

相对于固态电池,燃料电池的产业化之路走得更快一些,全球商业化进程正在加速,我国“以奖代补”的氢燃料电池汽车示范应用时代已开启,从国家层面到各级地方政府的政策“红包”频频发出,对于氢能产业的扶持力度不断加强。亿华通、东方电气、上汽集团、雄韬股份等上市公司在燃料电池领域已深耕多年,潍柴动力、中化集团、宝武集团、国家能源集团、华能集团、国家电投集团、三峡集团、中核集团、中广核集团等能源巨头也在加速布局氢能业务。此外,还有中石化、中石油、中海油等国家能源企业也在逐渐主导加氢站建设,其中,中石化规划“十四五”期间布局1000座加氢站或油氢合建站。

国家新能源汽车创新科技中心总经理原诚寅介绍,燃料电池汽车已经历主流车企半个世纪的研制,经历了可行性和可靠性验证阶段,目前正进入市场导入阶段。随着国家政策的引导和燃料电池技术的发展,我国已逐渐形成了以车企为载体的京津冀/华东/华南/华中等多个区域产业集群,但燃料电池汽车真正大规模上量,预计会在2030年以后。并且,未来不仅仅在乘用车上,燃料电池在船舶、轨道交通上,甚至在电动飞机上也会有相应的应用。

广东省武理工氢能产业技术研究院执行院长张锐明补充说,目前我国燃料电池产业刚刚由技术开发阶段进入到市场导入阶段,燃料电池电堆及系统初步满足商用车需求,部分性能追赶国际水平,但在工程设计与验证能力、关键零部件制造水平等方面仍存在一些明显差距。同时,产业链不完善,材料差距较大,相关标准、法规及测试手段仍滞后也制约着我国氢能产业的发展。

在张锐明看来,氢能规模化应用之路要想走得稳,核心技术是支撑,需要有产业制高点;国家政策是根本;因地制宜发挥当地优势才具有商业竞争力;需要行业间、企业间实质性合作与全正向开发。

下一代电池技术已渐行渐近还是任重道远?综合与会专家的观点来看,现有的锂电池技术,没有一种能兼顾高安全、低成本、长续航、长寿命、快充快放、耐高低温、原材料易获取等全部性能,各种电池技术路线将长期竞合发展。而在下一代电池方面,业内呼声较高的燃料电池大规模应用、全固态电池的量产,还至少需要5年以上,甚至还可能需要10年以上。

下一代电池技术路线的制高点还未明朗,电池颠覆性创新道阻且长,但行则将至。

 

 

 

 

 

 

 
 

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