固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化之路尚遠(yuǎn)

在產(chǎn)業(yè)化目前沒法實(shí)現(xiàn)的情況下，眾多企業(yè)選擇從特種和數(shù)碼領(lǐng)域切入，邊養(yǎng)活自己邊搞研發(fā)，等到技術(shù)和產(chǎn)品成熟后，再大規(guī)模進(jìn)入電動(dòng)車與儲(chǔ)能市場(chǎng)，自上而下滲透，挖掘更多下游需求。

液態(tài)鋰離子電池到300Wh/kg以上就遇到瓶頸了，但是固態(tài)鋰電池理論能量密度為700Wh/kg，更大能量密度空間成為一些企業(yè)追求固態(tài)電池的一個(gè)重要原因。

就目前情況來看，確實(shí)是這樣，液態(tài)鋰電池進(jìn)展步伐越來越艱難。4月份寧德時(shí)代才剛剛宣稱能制造出能量密度為304Wh/kg的NCM811電池樣品，而目前普遍認(rèn)為現(xiàn)有鋰離子電池體系的能量密度上限是350Wh/kg。

而據(jù)NE時(shí)代了解，清陶目前生產(chǎn)的聚合物電池能量密度在240-310Wh/kg左右。從兩家企業(yè)研究的時(shí)間跨度來看，固態(tài)電池在能量密度上確實(shí)起點(diǎn)比較高。

但是，起點(diǎn)高并不意味著就能被車企和市場(chǎng)接納。至少從成本和可制造性上來看，還需要一段時(shí)間。

被車企和市場(chǎng)接受的前提是，固態(tài)鋰電池至少在成本上比液態(tài)鋰電池更低或者相當(dāng)，這是很現(xiàn)實(shí)的，否則車企為什么要用固態(tài)電池呢？

固態(tài)電池市場(chǎng)：產(chǎn)業(yè)化之路尚遠(yuǎn)

但是就目前成本測(cè)算來看，固態(tài)鋰電池成本遠(yuǎn)高于液態(tài)鋰電池。

由于三層復(fù)合電解質(zhì)層固態(tài)電池的生產(chǎn)過程與SOFC電池接近，所以此前有論文將固態(tài)電池和與其接近的SOFC（固體氧化物）燃料電池成本進(jìn)行大致對(duì)比估算。

SOFC電池的生產(chǎn)成本，包括人工和燒結(jié)在內(nèi)的加工成本占到了75%，而材料成本僅為25%。

有研究顯示，假設(shè)隨著固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，氧化物固態(tài)電池電解質(zhì)LLZ最低成本能夠由2000$/kg降低到50$/kg，在電池結(jié)構(gòu)相近的情況下，陰極LNMO厚度為70um時(shí)，每個(gè)原電池材料成本為0.12$，如果陰極的厚度提高到150um，則每個(gè)原電池材料成本會(huì)提高到0.23$。

所以目前單從技術(shù)和材料價(jià)格來看，氧化物固態(tài)電池沒法與液態(tài)鋰電池相比。但是行業(yè)普遍認(rèn)為，由于固態(tài)電池的生產(chǎn)成本中大多數(shù)為生產(chǎn)過程成本，因此擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模成為降低電池的成本的重要砝碼。

從生產(chǎn)成本來看，圖b明顯可以看出，在小規(guī)模生產(chǎn)（10000個(gè)HEV電池/年）時(shí)生產(chǎn)過程成本會(huì)達(dá)到750-2500$/kWh，但是如果產(chǎn)能擴(kuò)大到1億個(gè)/年（相當(dāng)于10-20GWh的年產(chǎn)量），則生產(chǎn)過程成本會(huì)大幅下降到75-240$/kWh。

就氧化物固態(tài)電池來看，生產(chǎn)過程成本仍然占比超過50%，相比于鋰離子電池（過程成本僅為20-30%）仍然明顯偏高。

該研究表明，如果固態(tài)電解質(zhì)LLZ下滑到50$/kg的價(jià)格，并實(shí)現(xiàn)大量量產(chǎn)的話，最終全固態(tài)電池的加工和材料成本有望下降到140-350$/kWh，而目前三元鋰電池電池系統(tǒng)價(jià)格為1.1元/wh。

而輝能此前測(cè)算結(jié)果顯示，固態(tài)電池在cell層面成本要高出液態(tài)電池,即使產(chǎn)能達(dá)到20GWh時(shí),固態(tài)電芯成本仍是液態(tài)的1.1倍。

PACK層面,當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到20GWh,實(shí)現(xiàn)一定的規(guī)模效應(yīng),固態(tài)電池的成本是液態(tài)的98%。若是類固態(tài)電池MAB技術(shù),PACK成本會(huì)更低,大約為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的七成。

像清陶、輝能、豐田等研究固態(tài)電池的企業(yè)，目前研發(fā)也沒到全固態(tài)電池階段，除了技術(shù)不成熟之外，整個(gè)市場(chǎng)暫時(shí)到不了20GWH的量產(chǎn)級(jí)別。

雖然從成本上來看，固態(tài)鋰電池目前要達(dá)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可能性不大，但是如果拓寬時(shí)間長(zhǎng)度，通過規(guī)?；a(chǎn)攤薄成本，未來還是有可能的。

但是就全固態(tài)電池企業(yè)現(xiàn)狀來看，目前還存在很多技術(shù)上需要解決的問題。

固態(tài)電池企業(yè)面臨的問題

界面和鋰枝晶的問題一直被固態(tài)電池企業(yè)所關(guān)注和研究。

業(yè)內(nèi)共識(shí)是鋰電池要達(dá)到500Wh/kg的目標(biāo)，負(fù)極要用到金屬鋰，但是固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰負(fù)極接觸無浸潤(rùn)性，界面更易形成更高接觸電阻。

固體電解質(zhì)與電機(jī)界面在不充分接觸的情況下，組分相互擴(kuò)散甚至反應(yīng)及形成空間電荷層現(xiàn)象，造成固態(tài)電池內(nèi)阻增大、電池循環(huán)性能變差。

目前了解到的解決思路是通過半導(dǎo)體材料的修飾，讓其與金屬鋰的反應(yīng)從而改變它與金屬鋰的界面潤(rùn)濕性，另一種思路是在金屬鋰內(nèi)部加入一些石墨粉來調(diào)節(jié)金屬鋰的性質(zhì)，可以很好地應(yīng)用在鋰硫體系中。

根據(jù)同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，使用半導(dǎo)體材料的修飾之后，可以將鋰鑭鋯氧925歐的界面阻抗降低為127歐，采用時(shí)候墨粉調(diào)節(jié)金屬鋰的方法也能將界面阻抗下降10倍至11歐。

雖然在界面問題上，目前有企業(yè)提出了可行的解決方法，但是，鋰枝晶的問題問題，也是伴隨著高電子電導(dǎo)率而生。

此前，美國馬里蘭大學(xué)相關(guān)研究人員對(duì)Li7La3Zr2O12(LLZO)和Li2S–P2S5固態(tài)電解質(zhì)中金屬Li枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明LLZO和Li3PS4兩種固態(tài)電解質(zhì)高的電子導(dǎo)電率是導(dǎo)致金屬Li枝晶產(chǎn)生和生長(zhǎng)的重要原因。

因此高的電子電導(dǎo)率可能是引起LLZO等固態(tài)電解質(zhì)中容量生長(zhǎng)Li枝晶的原因。

固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部鋰枝晶含量的變化

上圖很明顯可以看到，在整個(gè)鋰沉積過程中，LiPON-25℃的體相區(qū)域中的鋰含量保持恒定，LLZO和Li3PS4則在不同溫度下均有枝晶生成，溫度越高枝晶生長(zhǎng)越多。

所以，固態(tài)電解質(zhì)如果追求高電子電導(dǎo)率，同樣需要解決鋰枝晶的問題。

此外，在工程化層面，全固態(tài)電池在材料和工藝層面也面臨很多問題，比如充放電過程中的膨脹問題，加壓、涂布等生產(chǎn)工藝的挑戰(zhàn)，都是需要解決的問題。

不過，雖然固態(tài)電池存在諸多問題，但是不管是車企還是做材料出身的企業(yè)，都已經(jīng)進(jìn)行了布局，說明希望還是比困難多，有值得嘗試的價(jià)值。NE時(shí)代也盤點(diǎn)了部分固態(tài)電池企業(yè)的布局，供大家參考。

固態(tài)電池企業(yè)現(xiàn)狀匯總

贛鋒鋰業(yè)

贛鋒鋰業(yè)同樣選中氧化物厚膜路線。根據(jù)其發(fā)布的公告，由其研發(fā)的第一代固態(tài)鋰電池研制品已通過多項(xiàng)第三方安全測(cè)試和多家客戶送樣測(cè)試，單體容量10Ah，能量密度不低于240Wh/kg，1000次循環(huán)后容量保持率大于90%，電池單體具備5C倍率的充放電能力。截止至2018年12月31日，其40Ah固態(tài)鋰電池產(chǎn)品定型，產(chǎn)品的安全指標(biāo)和綜合性能通過內(nèi)部測(cè)試，達(dá)到研制品水平。

今年3月份，年產(chǎn)億瓦時(shí)級(jí)的第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線開始建設(shè)，計(jì)劃于2019年下半年建成投產(chǎn)。

臺(tái)灣輝能

輝能選擇的是氧化物厚膜的技術(shù)路線。它對(duì)自身固態(tài)電池的產(chǎn)品規(guī)劃是，2018年至2023年，第一代類固態(tài)電池沿用液態(tài)電池正負(fù)極，同時(shí)正極從NCM622升級(jí)到NCM811，負(fù)極從石墨轉(zhuǎn)向高SiOX含量（14%以上）的石墨復(fù)合物。2023年后為第二代固態(tài)電池，減少活性材料的使用量，正極為HNCA/HNMC，負(fù)極為金屬鋰或純硅。目前其PLCB和BLCB固態(tài)電池均為第一代產(chǎn)品。

當(dāng)前，它在臺(tái)灣設(shè)有40MWh的中試線產(chǎn)能。產(chǎn)業(yè)化時(shí)間為2021年，其桃園G2線（GWh級(jí)）量產(chǎn)后產(chǎn)能將達(dá)1-2GWh。

A123Systems

A123Systems既走聚合物電解質(zhì)路線，也開發(fā)硫化物、氧化物固態(tài)電解質(zhì)。A123系統(tǒng)已經(jīng)試制完成了具有16Ah和10Ah容量的樣品電池，除了上述電解質(zhì)，還采用了811配比的鎳-錳-鈷酸鋰(NMC)正極和石墨負(fù)極的組合。此外，A123還計(jì)劃基于上述樣品電池，在2019年第四季度生產(chǎn)一種容量為50~60Ah的固體聚合物電池。該電池的A樣電池樣品將在2020年第一季度提供給汽車制造商，B樣樣品將在2021年初提供給汽車制造商，2022年~2023年左右將正式量產(chǎn)。

它目前建立了產(chǎn)能為10MWh的中試線，于2019年全面投入運(yùn)營(yíng)。

清陶新能源

清陶?qǐng)?jiān)定固態(tài)聚合物的路線。去年11月，清陶建成第一條單體能量密度達(dá)到400Wh/kg的固態(tài)電池產(chǎn)線，推出第一批固態(tài)鋰電池產(chǎn)品，產(chǎn)品主要投用于特種電源、高端數(shù)碼等領(lǐng)域。

它建成產(chǎn)能為100MWh的中試線。除此之外，今年7月，清陶新能源年產(chǎn)10GWh固態(tài)鋰電池項(xiàng)目簽約儀式在宜春舉行。該項(xiàng)目一期固態(tài)電池產(chǎn)能為1GWh，預(yù)計(jì)今年年底投產(chǎn)，二期產(chǎn)能9GWh，2020年6月底開工建設(shè)，此后兩年內(nèi)投產(chǎn)。

北京衛(wèi)藍(lán)

北京衛(wèi)藍(lán)走的是氧化物+聚合物固態(tài)電解質(zhì)路線。它開發(fā)出一種固態(tài)電池額定容量為4-8Ah，能量密度為240Wh/kg。據(jù)了解，北京衛(wèi)藍(lán)已經(jīng)掌握了包括金屬鋰表面處理、原位形成SEI膜技術(shù)、固態(tài)電解質(zhì)、鋰離子快導(dǎo)體制備技術(shù)以及高電壓電池集成技術(shù)、陶瓷膜優(yōu)化技術(shù)和集流體解決方案等多項(xiàng)技術(shù)。

目前，它處于中試線建設(shè)階段、一期項(xiàng)目總投資5億元，將于2020年3月投產(chǎn)，建成后預(yù)計(jì)形成年產(chǎn)100MWh固態(tài)電池的生產(chǎn)規(guī)模。

寧德時(shí)代

寧德時(shí)代主要走的是硫化物路線。目前它研制出容量為325mAh的聚合物鋰金屬固態(tài)電池，能量密度達(dá)300Wh/kg，循環(huán)達(dá)到300周以上，容量保持率達(dá)到82%。

比亞迪

比亞迪沒有對(duì)固態(tài)電池的技術(shù)開發(fā)路線設(shè)限，固態(tài)聚合物、氧化物均是它的目標(biāo)對(duì)象。資料顯示，它申請(qǐng)了全固態(tài)鋰離子電池正極復(fù)合材料及一種全固態(tài)鋰離子電池的發(fā)明專利。

目前，其固態(tài)電池正處于小規(guī)模試用階段。而據(jù)外媒報(bào)道，比亞迪新興固態(tài)電池將于2021年開始在日本交付。

珈偉

珈偉發(fā)力的是凝膠聚合物。2018年7月，其36Ah類固態(tài)三元軟包電池通過國家強(qiáng)檢。能量密度達(dá)到230Wh/kg，循環(huán)次數(shù)為4000次，可用在電動(dòng)摩托車上，價(jià)格大約1.5元/wh。

目前它已完成類固態(tài)電池測(cè)試階段。一期已投產(chǎn)產(chǎn)能規(guī)模為100MWh（或?yàn)橹性嚲€產(chǎn)能），正在開工建設(shè)的二期產(chǎn)能為2GWh。

整體來看，目前固態(tài)電池雖然存在一系列的問題與爭(zhēng)議，但是確實(shí)能彌補(bǔ)液態(tài)電池部分不足，不過其產(chǎn)業(yè)化道路是很漫長(zhǎng)的。

根據(jù)北汽新能源工程師賈洪濤的預(yù)測(cè)，全固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化估計(jì)得到2030年。目前最有可能進(jìn)入市場(chǎng)的是混合固態(tài)鋰電池。

所以很多像清陶這樣的企業(yè)，只是把固態(tài)電池當(dāng)做選擇項(xiàng)，選擇從特種和數(shù)碼領(lǐng)域切入，邊養(yǎng)活自己邊搞研發(fā)，等到技術(shù)和產(chǎn)品成熟后，再大規(guī)模進(jìn)入電動(dòng)車與儲(chǔ)能市場(chǎng)，自上而下滲透，挖掘更多下游需求。