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固态电池行业观察:技术路线、商业化、行业影响

2024-11-19 07:15
来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客
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随着全球对清洁能源和可持续发展的日益重视,电动汽车、储能系统等领域对高能量密度、高安全性、长寿命电池的需求急剧增加。传统液态锂电池虽然在过去几十年中取得了巨大成功,但其固有的安全隐患、能量密度瓶颈等问题逐渐显现。固态电池,以其独特的固态电解质结构和优异的性能特点,被视为下一代锂电池技术的“圣杯”。

那么当前固态电池有哪些技术路线呢?其大规模商业化还面临着哪些难点?一旦量产,将对行业带来哪些影响呢?

技术路线:三条路线各有优劣,国内企业押注不同路线

在技术路线方面,据了解,根据电解质的不同,目前固态电池主要有三大技术路线,分别为聚合物、硫化物和氧化物。其中,聚合物电解质属于有机电解质,而后两种属于无机电解质。

整体来看,中国企业以氧化物路线为主,日韩企业多采用硫化物固态电解质技术路线,欧美企业则在三种路线的选择上更为均衡。

三种技术路线各有优缺点,具体来看:硫化物电解质的电导率最高,潜力较大。但由于热稳定性差,使得制备工艺复杂且成本较高。宁德时代是这条路线的代表;聚合物电解质易于加工,与现有液态电解液的生产设备、工艺较为兼容,且成本低。但其电导率较低、稳定性较差,潜力有限;相较于其他两类,氧化物电解质的电导率介于聚合物和硫化物之间,兼具机械稳定性和电化学稳定性,成本也有优势。

综合考虑制备难度、成本等因素,氧化物电解质的产业链已基本成熟。初创公司已经开始进入量产阶段,代表性电池企业包括卫蓝、清陶、赣锋锂电等。但众所周知每一项新技术从实验室走向市场都要首先实现规模化和商业化。

商业化:需要攻克材料关和成本关

而想要实现商业化,固态电池还要攻克材料和成本这两大关口。

虽然固态电池的工作原理其实与液态锂电池相同,充电时正极中的锂离子从活性物质中脱嵌,通过固态电解质向负极迁移,完成充放电过程。但从液态电池到固态电池,首先会面临电解质材料的变更,工艺上也会发生转变。

国联证券分析称,固态电池技术发展和应用将按照“固态电解质—新型负极—新型正极”的形式呈现梯次渗透,核心在于引入新材料体系。

其中,负极材料将从石墨向硅基负极、含锂负极、金属锂负极升级;正极材料将从高镍三元,向高电压高镍三元、超高镍三元,再向尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基等新型正极材料迭代升级;隔膜将从传统隔膜,向氧化物涂覆隔膜升级,甚至最终取消隔膜。

当然,固态电池要实现商业化应用,除了技术攻关和材料性能提升外,关键还要降本。首先,固态电解质和更高理论容量的正负极在内的原材料成本较高。比如,锂硫化物的价格是碳酸锂的5至10倍。其次,固态电池对生产环境与原材料纯度的要求极高,对生产工艺和质量控制提出了更严苛的要求,生产设备替换率也更大。此外,产业链的不完善也会推高成本。

据了解,目前固态电池较同规格的电池成本要高4—10倍。这种高成本不仅体现在材料端,还涉及制造环节。一位业内人士表示目前液态电池建线成本1GWh需要投资1.5亿元,而固态电池的产线成本要明显高于这个水平。

行业玩家:多个公司公布时间表,当下依然是半固态电池

即便还有材料和成本的难关,但年以来,中国企业在固态电池的研发成果和量产时间上不断释放消息,将本该在2027年启动的商业化竞争提前开场。

5月,上汽宣布进入全固态电池量产500天倒计时,2026年全固态电池将量产上车,这成为目前最早的固态电池批量量产的时间表;作为电池领头羊,宁德时代对全固态电池研发进展的态度也从三缄其口,到主动透露“2027年达到小批量生产水平”。此外据晚点独家报道,宁德时代已增加了对全固态电池的研发投入,将全固态电池研发团队扩充至超1000人。

8月底,非龙头电池企业鹏辉能源发布全固态电池产品,一句“全固态电池重大突破”拉动股价连续收获两个“20cm涨停”;9月初,卫蓝新能源宣布的“硫化物(全固态)电池今年就会有销售额”让专家激动不已;11月广汽集团表示,公司已初步打通全固态电池全流程制造工艺,预计于2026年装车搭载于昊铂车型。长安汽车预计,2027年公司实现全固态电池装车验证,2030年全固态电池量产装车。行业最新消息上则是11月15日,国家知识产权局披露,华为公开了硅基负极材料的专利,名称为《硅基负极材料及其制备方法、电池和终端》。该专利主要解决了硅基材料因膨胀效应过大导致电池循环性能低的问题,提高负极的循环稳定性。

不过从当下已经发布的具体产品来看,目前所谓的固态电池并非真正的全固态电池。比如,上汽智己发布的光年固态电池,“在电解质中加入了10%的浸润液”,实为半固态电池。

“半”与“全”之间,虽然只有一字之差,但其背后折射的不仅是产品性能之别,更是商业化应用之难。要看到,虽然全球固态电池研发已形成聚合物、氧化物、硫化物和卤化物等多条技术路线,但目前还没有一条技术路线完全成熟,大都仍处于研究开发阶段,在材料、界面、电芯等方面存在不少挑战。比如,硫化物电解质化学稳定性、空气稳定性很差,批量生产很难;硅碳负极体积膨胀大、锂负极还不成熟。

行业影响:电池上电解液和隔膜影响最大,新能源车厂商抢跑

不管是半固态还是全固态,或是什么技术路线,行业的共识是固体电池不仅将对电池行业还将对新能源车行业带来非常大的影响。

从电池行业影响看,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。

从新能能源车角度看,值得注意的是在固态电池的发展时间表上,有两个年份被反复提及,分别是2027年和2030年。

2027年,是部分公司向市场承诺的,全固态电池量产交付时间。但也有人认为固态电池真正商业化的时间,可能要推迟到2030年。

比如,格派镍钴董事长曹栋强认为,动力电池的固态化是一个必然的趋势,市场上普遍锚定2027年实现商业化,但从业内的角度来看,这个时间点的可行性不是很强,随着时间和技术研发的推进,2030年的确定性比较高。

而不论是汽车还是电池厂商纷纷抢跑的原因可能还是要保住国产新能源车的电池优势。公开资料显示,丰田汽车,按照其最新时间表,业其固态电池有望在2027年或2028年量产上车。

因此对于国产车厂而言,如果不能在丰田之前推出量产的固态电池,那么相关行业话语权或许会受到丰田较大的冲击。

结语:方向已定,仍需努力

最后整体看,虽然有人对固态电池发展有不同声音,多位业内人士表示,固态电池技术尚未突破,新型电池材料的研发仍然是一大痛点,至于距离电池量产,总体仍持谨慎态度。

但不可否认,全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一,也将成为下一代电池技术竞争的关键制高点。相信随着未来技术的不断成熟,成本或将逐步降低,固态电池也将在不久的将来迎来大面积“上车”。

至于概念个股方面,财信证券指出,随着固态电池的加速发展,产业相关环节有望受益。电池环节,建议关注布局固态电池的企业宁德时代(300750)、金龙羽(002882)、鹏辉能源(300438)等。固态电解质环节,建议关注三祥新材(603663)、上海洗霸(6032000)等。

山西证券重点推荐:宁德时代(300750)。建议关注:(1)电池厂商如鹏辉能源(300438)、南都电源(300068)、孚能科技(688567)等;(2)技术进展领先的创业型公司如清陶能源、卫蓝新能源等;(3)核心材料固态电解质环节,如三祥新材(603663)、瑞泰新材(301238)等。(4)新型正负极材料环节,如太蓝新能源、辉能科技(301046)、当升科技(300073)、翔丰华(300890)、国轩高科(002074)、容百科技(688005)等。金属锂负极关注赣锋锂业(002460)、天齐锂业(002466)。

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