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固態電池“卡位戰”開啟

   2024-11-18 高工鋰電6140
核心提示:固態電池產業化發展的邏輯愈發清晰,競爭格局日益豐富

在政策、技術和需求的多重驅動下,今年固態電池市場的熱度和產業化進程進一步提升。

硫化物固態電解質迎來產業化拐點、疊加以eVTOL為代表的細分領域爆發差異化應用需求,固態電池整體加速從研發邁向產業成果轉化,工程化驗證又推動了創新工藝、設備的研發與落地。

與此同時,車企、電池企業、材料企業、固態電池初創公司,多方勢力各自活躍又不斷深化合作,市場關注焦點也從全固態“何時量產”向“誰先量產”轉變。

從固態電解質突破到關鍵材料體系搭建,從產品開發到擇定細分應用場景先行驗證,固態電池產業化發展的邏輯愈發清晰,競爭格局日益豐富,以固態電池為中心的“卡位戰”已然開啟。

1、差異化需求浮現,混合固液、全固態電池獲得新催化。

追尋市場目光來看,先前海內外車企被認為是固態電池搶先布局和進度推動的主要勢力,新能源汽車也由此被認為是固態電池率先批量搭載的場景。

國內混合固液電池已于今年實現裝車。2023年底,蔚來汽車聯合衛藍新能源推出首款混合固液電池產品,電芯能量密度達360Wh/kg、以150kWh系統設計可支持1000km續航,成為了固態電池產業化的首個標桿案例。

今年以來,衛藍新能源主導的混合固液電池開始出貨,截至7月份的累計裝車量已突破2.6GWh。8月,SES AI的100Ah混合固液鋰金屬電芯通過GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》安全測試,成為行業首個通過該標準的鋰金屬電芯,技術初創企業混合固液電池產品的上車進程也不斷加快。

以上均意味著混合固液電池在技術、制造工藝、批量應用上的成熟度不斷提升,市場認可度隨之高漲。

由此出發,混合固液電池技術及產品開始向商用車、儲能、無人機、eVTOL等細分場景滲透,追求通過對高安全、高充放倍率、高能量密度等差異化需求的滿足來提前搶占市場。

混合固液儲能示范項目頻出,鵬輝能源、南都電源等儲能企業入局固態,寧德時代凝聚態電池搭載4噸級電動飛機成功試飛等,均是固態電池應用場景不斷拓寬的證明。

2023年初,力神電池第二代混合固液電池產品就已規模化應用于物流無人機,飛行續航300公里;第三代混合固液電池產品,同時面向純電動長續航乘用車、eVTOL等領域,采用軟包形態,能量密度高達402Wh/kg,循環壽命1000次,計劃2025年量產。

與此同時,消費電子、輕型電動車等電芯容量要求小、但性能要求高的領域,也正在推動全固態電池加速量產。

10月,屹鋰科技宣布其位于江西于都的0.5GWh全固態消費電池量產線正式投產,為產業帶來了全固態電池開啟量產新階段的積極信號。此前,公司成功研發并制備出2Ah及5Ah的全固態電池軟包電芯,能量密度達到410Wh/kg、充放電循環壽命達到2000次以上,計劃率先在消費電子領域實現商用。

2、賽道活躍,投擴產并行,主流技術路線逐步清晰。

固態電池產業化的加速,也可以從資金、企業的持續活躍中反映出來。

今年來,寧德時代、中創新航、國軒高科、億緯鋰能、欣旺達等電池企業,廣汽、上汽、長安等車企紛紛公開固態電池量產時間表。

其中電池企業的規劃趨于謹慎,認為2027年會是全固態電池(大容量/車規級)小批量制備的節點。其中欣旺達計劃在2026年建設1GWh全固態產線,實現60Ah電芯的初步量產,并將成本控制在2元/Wh以下。

部分車企則更大膽地將全固態電池的裝車節點設定為2025、2026年。自研,或者與掌握研發經驗與核心技術的初創企業建立深度合作,是當前車企推動固態電池落地的兩種形式。市場也愈發好奇,全固態量產應用的“圣杯”將由哪一股勢力最先捧得。

固態電池正是在市場喧囂與火熱競爭中不斷推進,一些共識已經形成:

復合固態電解質(聚合物+無機物)成為混合固液的主流選擇,今年新投產的固態電池生產項目也集中于此。

硫化物開始被頭部企業集中選擇,被認為是最有潛力實現全固態的技術路線,多家企業正集中攻克20Ah級別硫化物全固態電池制備的難關。

與此同時,面向固態電池領域(包含電池、電解質、硅基負極等)的投資還在不斷繼續,據統計2024年前三季度共發生19筆融資事件,已達到了2022、2023年的全年融資規模。

其中值得關注的是,如聚焦硫化物-聚合物全固態路線,產品歷經四代迭代的中科深藍匯澤,新增來自中石化等的數億元融資;太藍新能源于8月獲得來自長安汽車等的數億元B輪融資。

以上兩起融資事件,反映出傳統能源企業通過固態電池參與新能源轉型的決心,同時也為固態電池技術落地提供了更為扎實的產業基礎。

3、新老勢力匯合,固態電池核心材料體系率先迎來產業化拐點。

固態電池技術路線逐漸明確,背后是以固態電解質為核心的材料體系在性能和工藝上的持續突破。在此過程中,傳統鋰電材料與“固態電池材料體系”的界限也逐漸模糊并走向融合。

固態電解質曾被認為是對鋰電四大主材中電解液、隔膜的替代。但實際上,是固態電解質、固態電解質層同時充當了電解液與隔膜的功能;同時推動電極/電解質的界面修飾和改性研究,則是提供固態電池整體性能的關鍵。因此,固態電池產品的形態定義、制造工藝等,實際上迫切需要鋰電產業一直以來所積累的工程化經驗的支撐。

如在溶劑、鋰鹽中加入聚合物和引發劑等形成液態電解質,再通過光、熱或電化學反應轉化為固態電解質,便是目前受到行業重視的原位固化工藝。

又如固態電解質制備的主流工藝之一高溫固相合成,是一個對粉體進行高溫燒結的過程,類似于正負極活性材料的制備;固態電解質膜的制備,同樣有干、濕法工藝路線之分,對成膜厚薄、均勻度、孔徑大小、防止刺穿等關鍵性能上也有著與隔膜一樣的要求。

此外,固態電池若想突破400Wh/kg以上能量密度,需要依托富錳正極和鋰金屬負極,固態電池整體進度的加快,也正在對正負極材料企業提出更為緊迫的要求。

因此,固態產業中可以看到越來越多來自天賜材料、星源材質、恩捷股份等傳統電解液、隔膜企業,還有正負極企業的進展與動態。如宜賓鋰寶通過制造納米級的顆粒來增加固態電解質與電極材料的接觸面積,從而提高電池的充放電速度和效率;通過復合材料技術,增強電解質材料與正極材料結合等,

對于傳統鋰電材料企業來說,進入固態電池供應鏈,甚至成為電解質等關鍵材料供應商,將推動其在電芯BOM端價值量占比的大幅提升(較液態)。固態電池帶來的是重塑產業格局的機會。

固態電池產業化的先決條件是固態電解質及原材料的產業化,而不同技術路線并非相互取代的關系,而是長期共存、互相配合。

今年,部分聚合物、氧化物固態電解質以電解液、漿料、電解質膜等形態進入出貨階段。

如藍廷新能源依托隔膜研究和MOF材料優勢,開發出高性能(半)固態電池用固態電解質、固態電解質膜片、MOF涂覆隔膜、固態電解質涂覆隔膜、粘結劑等產品,已密集向電池企業送樣復合膜,反饋對電池倍率、循環有明顯改善,預計年內形成銷售訂單,率先在混合固液電池中批量應用。

隨著性能上界面接觸、離子電導率的突破、制備上低溫、液相合成工藝的發展,硫化物固態電解質產能也在中科固能、瑞固新材等企業的推動下,進入了開工建設的實質推進階段。2025年將迎來多條百噸級硫化物產線的跑通,其安全、穩定、規模制備的問題有望在產線中得到解決。

同時,固態電池初創企業也不斷通過產業合作來豐滿羽翼。如以定位為硫化物固態電解質供應商的中科固能為例,其在今年已經與高能數造、中車戚墅堰、琥崧集團、寶晟能源、徐工創投、璞泰來等多家企業建立合作。可看出哪怕僅是固態電池核心材料的量產推進,同樣需要產業鏈上下游的協同配合。

4、設備研發、出貨加速,固態產業生態逐漸成型。

無論混合固液還是全固態,想達到量產并降本兩大目的,都離不開工藝與設備的研發創新。新型材料體系的制備工藝,對良率與效率都提出了更高的要求。

無論是出于更兼容硫化物電解質的考慮,還是工藝簡單、無溶劑污染、降低生產成本、提高能量密度等優勢,干法工藝在固態電池中的應用受到越來越多關注,但也對混合均勻度、纖維化、輥壓精度、壓實密度等都帶來更多挑戰。最終對于電解質膜的制備來說,需要的是在離子導電性、厚度和機械性能之間取得巨大平衡。

因此雖然固態電池工藝尚未定型,但工藝難題的攻克離不開鋰電設備廠商基于過往制造經驗提出解決思路并進行驗證。

曼恩斯特全固態電池干法復合制膜一體機,具備多輥并排連軋、伺服輥縫控制、集成化設計三大特點。通過多輥并排連軋,可實現膜片的多級壓延成型,進一步提高了膜片的密實度和均勻性。伺服輥縫控制技術,能夠精確調節壓輥輥縫間隙、壓力及溫度,從而確保膜片的制備過程更加穩定可靠。設備集成了放卷、復合及收卷功能于一體,能夠集流體與膜片的高效復合。

清研納科干法電極成型覆合一體機,雙面同時覆合、10-20輥的多輥設計,疊加伺服液壓輥縫控制,可實時檢測輥縫與壓力,輥縫控制精度可達1μ,切邊寬度自動對齊,糾偏閉環調節,雙軸自動收放卷,輥壓寬度1000mm,產速度80m/min,厚度精度控制在±2μm。

華彩科技干法制備自支撐膜技術,可實現小于2% PTFE含量的石墨負極,及NCM正極配方的纖維化,并顯著提升纖維化物料內部活性物質、SP及纖維拉絲包覆的均勻性;干法工藝極片張力可達0.5MPa以上,同時支持350mm幅寬的自支撐膜中試規模連續化生產。

嘉拓智能對輥/多輥干法電極輥壓設備,其膜寬>1000mm,膜片張力≥4N,輥子可獨立驅動,轉速、壓力可獨立控制,并實現閉環控制輥縫、成膜厚度、壓實密度。

博路威BENDCON撓度分區可控輥技術,可智能調整各個分區壓力;進料測厚、出料測厚系統聯控,和目標厚度一起分析,參與輥壓系統智能計算,實現厚度智能閉環控制。能滿足高均勻性極片輥壓、寬幅電池極片輥壓的要求。

不過,出于設備投入成本、技術成熟度等考慮,濕法涂布工藝也依舊存在于固態電解質層的制備中。精誠時代自主研制2.5D多層共擠、涂布解析系統,能夠精確模擬涂布過程中的流體動態,以合理優化的模頭設計,確保涂布的精度和一致性,有望推動固態電解質膜的批量生產。

為提高涂布質量,方恩電子推出固態電池極片保護膠帶,剝離力<5g/25mm,可有效防止極片出現打皺現象;總厚度不超過30μm,黏貼后不影響輥壓工藝,同時在輥壓時也能夠給予極片一定強度,降低了極片破損的可能性。

另有行業人士指出,固態電池工程化驗證難度大,引入整線解決方案,能夠更好地把控生產條件的一致性,有利于新工藝的高效驗證。

先導智能全固態整線解決方案,在電芯結構緩沖件成形、無隔膜疊片、連續致密化、高壓化成分容等關鍵技術上具備優勢,疊加采用干法電極與高度集成化設計,設備制成工序相對傳統工序大幅減少,最終能夠實現人力需求降低20%、整體投入降低30%。

利元亨則于近期中標國內頭部企業的第一條硫化物固態電池整線項目,該項目覆蓋了固態電池生產的前段、中段和后段設備。

 
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