動力鋰電池是新能源汽車的心臟,動力鋰電池性能對整車性能起著決定性的用途。在當前鋰離子電池體系下,依靠高鎳三元正極、硅碳負極和電解液的組合將在3-5年內達到性能極限(能量密度上限350Wh/Kg),但仍無法徹底滿足動力鋰電池對安全性、能量密度與成本的要求。而由于固態電池在安全性與能量密度方面具備更大潛力,近年來受到了學術界與產業界的廣泛關注。本文將對固態電池的原理、優點、研發現狀、前景等方面進行系統梳理,揭示重視固態電池的必要性。

摘要

固態鋰離子電池即電解質采用固態材料的鋰二次電池。它與傳統鋰離子電池的差別在于以固態電解質替代了傳統鋰離子電池的電解液、電解質鹽、隔膜。

固態鋰離子電池具有兩方面潛在優勢。一、安全性高。采用有機電解液的傳統鋰離子電池,在過度充電、內部短路等異常情況下容易導致電解液發熱,有自燃甚至爆炸的危險。而全固態鋰離子電池基于固態材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題;二、能量密度高。固態電解質無需隔膜與電解液,可以節約近40%的體積和25%的質量。假如配套新的正負極材料(鋰金屬負極)可以使得電化學窗口達到5V以上,有望將能量密度提高至500Wh/Kg。

當前新能源汽車行業主管部門對動力鋰電池性能提出了非常高的要求。根據《汽車產業中長期發展規劃》和《節能與新能源汽車技術路線圖》的指引,動力鋰電池系統能量密度要在2025-2030年達到350Wh/Kg(對應單體能量密度500Wh/Kg)以滿足普通電動汽車的續航里程要求。因此,固態電池也被廣泛認為是下一代動力鋰電池技術。

過去十年內固態電池領域專利數量上升超過10倍,固態電池正逐漸受到業界重視。尤其是整車公司,開始通過內部研發、投資入股初創公司或合作研發等多種形式加快布局整合。其中處于固態電池研發前沿的重要有兩家代表公司汽車巨頭豐田和初創公司SolidEnergy。這兩家公司的固態電池產品能量密度已經顯著優于當前的鋰離子電池,并已經有相關產品或明確的量產計劃。豐田在固態電池領域擁有大量專利(252件,占比13%,全球第一),同時計劃在2030年前向電池領域投入研發資金130億美元。目前豐田基于硫化物電解質、石墨類負極的鋰離子電池路線推進固態電池產業化,實驗室產品能量密度達到400Wh/Kg,預計2022年推出搭載全固態電池的電動汽車型,2025年實現量產。

SolidEnergy由麻省理工學院的技術人員創辦,目前獲得了通用汽車、上汽、淡馬錫等機構的投資。與豐田不同,SolidEnergy目前基于半固態電解質和鋰金屬負極組合的路線,其產品為鋰金屬電池而非鋰離子電池。采用鋰金屬負極理論上可以實現更高的能量密度,但假如組合液態電解質容易導致鋰枝晶刺穿隔膜導致短路引發安全問題,組合全固態電解質則不易實現較高的離子導電率。SolidEnergy采用折中的半固態電解質路線,2017年從特種航天領域入手推出容量為3Ah的Hermes™電池,質量和體積能量密度分別達到450Wh/Kg和1200Wh/L,目前以每月5000個電池的速度量產,并且通過了第三方的檢測。其面向電動汽車領域的Apollo™電池預計將于2020年推出。

我國在固態電池領域的研發目前與韓國、美國同處于第二梯隊(日本為第一梯隊),而且重要以中科院和高校等科研機構為主。國內目前有三個團隊在固態電池領域研發較為領先。中科院青島能源所儲能院崔光磊團隊目前已研制出全海深高能量密度高安全固態鋰離子電池動力系統,能量密度達300Wh/Kg,并且應用于在馬里亞納海溝完成1萬米的深海高壓環境。中科院寧波材料所許曉雄團隊已經開發出能量密度達到260Wh/Kg的10Ah固態單體電池,目前與贛鋒鋰業合作推進產業化。中科院物理所李泓團隊開發出能量密度達310-390Wh/Kg的10Ah軟包電芯,目前正與衛藍新能源合作建設中試線。

不過也并非所有車企都在發力固態電池。作為電動汽車先驅,特斯拉目前還沒有在固態電池方面擁有一件專利,特斯拉在電池領域擁有的244件專利重要集中在電池系統、電池包和充電領域,而在材料方面專利較少。特斯拉選擇的技術路線是以NCA為正極材料、硅碳負極、電解液為組合,通過大規模量產來把成本降低至$100/KWh,未來通過改良正極材料(如富鋰錳基等)進一步達到350-400Wh/Kg的能量密度。關于固態電池技術,特斯拉CEO馬斯克認為有一定前景,但是距離技術成熟還要時間,目前也不足以改變特斯拉的戰略。

綜合來看,固態電池具備成為下一代動力鋰電池技術的潛力,但是目前還沒有成熟的產品能夠在能量密度、安全性和循環壽命三方面同時顯著優于當前的鋰離子電池。根據豐田等前沿公司的研發情況和計劃,我們預計固態電池技術真正成熟可能要等到2025年前后,真正具備量產量力可能要等到2030年前后。

風險提示:政策推動不及預期等

目錄

1固態電池:下一代動力鋰電池技術

1.1固態電池的特點

1.2固態電池能夠滿足2030年新能源汽車技術政策目標

2固態電池領域研發現狀

2.1固態電池領域專利情況

2.2國外公司布局情況

2.2.1整車與零部件公司

2.2.2電池初創公司

2.3國內固態電池進展

正文

1固態電池:下一代動力鋰電池技術

1.1固態電池的特點

固態鋰離子電池指電池電解質部分采用固態材料的鋰二次電池。固態電池與傳統鋰離子電池不同在于固態電池以固態電解質替代了傳統鋰離子電池的電解液、電解質鹽、隔膜。

安全性、能量密度和循環壽命是對動力鋰電池的三大要求。由于固態電池在這三方面均具備優于傳統鋰離子電池的潛力,因此也被視為下一代電池技術。

固態電池優點一:安全性高,無自燃、爆炸風險。采用有機電解液的傳統鋰離子電池,在過度充電、內部短路等異常情況下容易導致電解液發熱,有自燃甚至爆炸的危險。全固態鋰離子電池基于固態材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題,且有望克服鋰枝晶現象。半固態、準固態電池仍存在一定的可燃風險,但安全性也較液態電解液電池提高。

固態電池優點二:能量密度高,有望徹底解決電動汽車里程焦慮。目前技術體系下鋰離子電池已經接近性能極限,特斯拉NCA18650電芯能量密度達到250Wh/Kg,應用于Model3的21700電芯能量密度約300Wh/Kg,支持的續航里程約400至500公里,仍無法徹底解決里程焦慮。而關于固態電池而言,一方面固態電解質無需隔膜與電解液,這兩部分在傳統鋰離子電池中加起來占據近40%的體積和25%的質量,另一方面由于沒有漏液、腐蝕等問題,可以簡化電池外殼及冷卻系統模塊,進一步減輕電池系統重量。此外,配套新的正負極材料可以使得電化學窗口達到5V以上,可以從根本上提高能量密度,有望達到500Wh/Kg,同等電池容量的情況下有望將續航里程提高到600至700公里。

此外,固態電池還具有循環壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充電等優點。

按照電解質材料的不同,固態電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質屬于有機電解質,氧化物和硫化物屬于無機陶瓷電解質。總體來說,聚合物電解質技術最成熟,已經率先實現小規模量產,但是理論能量密度不及其他兩類電解質;氧化物電解質性能優于聚合物電解質,但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應用于消費類電子領域,非薄膜型氧化物電池技術相對還不夠成熟;硫化物電解質理論上最適合于電動汽車領域,但是開發難度最大。

按照正負極材料的不同,固態電池還可以進一步分為固態鋰離子電池(沿用當前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負極、三元正極等)和固態鋰金屬電池(以金屬鋰為負極)。由于固態鋰離子電池與當前的電池體系最為接近,日韓本身又擁有成熟的鋰電產業鏈,因此目前日韓公司大多采用硫化物+固態鋰離子電池的路線。而歐美初創公司則立足于顛覆性的技術,大多采用聚合物/氧化物+固態鋰金屬電池的路線。

1.2固態電池能夠滿足2030年新能源汽車技術政策目標

近年來,新能源汽車補貼政策經歷多次調整,且將于2020年后完全退出。從政策歷次調整的導向來看,對高續航里程、高能量密度技術路線的支持力度沒有減弱甚至有所加大。補貼政策完全退出后,雙積分制度仍可能通過對不同能量密度、不同續航里程設置差別化的積分來實現對行業技術升級的導向用途。

此外,當前行業主管部門對動力鋰電池技術提出了非常高的目標。2017年工信部、發改委、科技部聯合公布《汽車產業中長期發展規劃》,其中新能源汽車研發與推廣應用工程專欄要求:到2020年,動力鋰電池單體比能量達到300瓦時/公斤以上、力爭實現350瓦時/公斤,系統比能量力爭達到260瓦時/公斤;到2025年,動力鋰電池系統比能量達到350瓦時/公斤。

受工信部、國家制造強國建設戰略咨詢委員會委托,由我國汽車工程學會研究編制的《節能與新能源汽車技術路線圖》則要求:2020/2025/2030年單體比能量分別達到350/400/500瓦時/公斤,系統比能量分別達到250/280/350瓦時/公斤。

中科院院士、國家863計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組組長歐陽明高教授指出,2020年的目標可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負極材料的組合實現,2025年的目標可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉變實現,但基本到達極限。而要實現2030年目標,固體電解質層面的突破是一條必由之路。

2固態電池領域研發現狀

2.1固態電池領域專利情況

根據德溫特數據庫,1990年至今固態電池領域已經公開的專利數目達到1926件,其中全固態電池領域專利數目達到871件,占比約45%。

從數量上來看,固態電池領域專利數目由2007年26件上升至2017年273件,上升超過10倍,同時全固態電池專利數目占比由零提升至近一半,說明固態電池尤其是全固態電池的研發越來越受到各方面的重視。

從地域上看,日本目前擁有固態電池專利916件,占比接近一半,領先優勢較大。其次美國和我國分別擁有398件、362件,身位接近。韓國擁有100件位居第四。全固態電池方面,日本擁有專利657件,占比75%,領先優勢更加明顯。我國、韓國分別擁有專利128件、37件;美國在全固態電池領域稍弱,僅擁有29件專利。

從專利主體來看,作為全球第一大車企的豐田擁有固態電池專利252件,數量遠超其他車企與電池公司,同時日本其他消費電子及汽車零部件公司如富士、村田制造所、松下也在固態電池領域有廣泛布局。總體來看,日本固態電池的研發以產業界為主導。美國固態電池專利分布比較分散,而且其持有主體多為Quantumscape(21件)、Sakti3(17件)等初創公司。我國固態電池專利分布也很分散,但與美國不同的是我國專利持有主體以科研機構與大學為主,如中科院青島能源所(13件)、哈工大(13件)等。韓國雖然總量不及我國,但是專利分布相對集中,如三星電子(35件)、LG化學(29件)、現代汽車(25件)。與日本相似,韓國在固態電池領域的研發也是以產業界為主導,且電池公司與整車公司均有布局。

全固態電池專利的持有主體情況與固態電池基本類似,日本、韓國均以產業界為主導。我國全固態電池研發仍然以科研機構與高校為主導,專利持有數量排名前五的主體分別為中科院寧波材料所(6件)、青島能源所(6件),及三所高校哈工大、中南大學、寧波大學。

2.2國外公司布局情況

2.2.1整車與零部件公司

整車公司在固態電池領域的布局可以分為內部研發和對外投資兩類。前者以豐田為代表,后者以寶馬、大眾為代表。可以看到2017年以來不論是哪種路線,整車公司的動作都有所加快,而造成兩者策略差異的重要原因在于整車公司前期積累的多少。

豐田歷來在電池技術上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到Mirai燃料動力電池,豐田都是業界最早將新能源技術應用于整車層面的車企。在固態電池領域,豐田目前憑借三方面戰術進一步鞏固先發優勢:1)內部研發積累大量專利,在新技術上有絕對的自主權,同時豐田表示將在2030年之前投資在相關電池研發的資金可能超過130億美元;2)由日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)牽頭投資100億日元,豐田、本田、日產、松下等23家日本汽車、電池和材料公司,以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究,計劃到2022年全面掌握全固態電池相關技術;3)與松下合作固態電池研究,從不同層面去研究和解決問題,為第四代電芯小規模量產打基礎。

從技術路線上來看,豐田重要是基于固態鋰離子電池,采用石墨類負極、硫化物電解質與高電壓正極的組合,并計劃于2022年實現商品化。但是豐田固態電池目前的重要問題在于循環壽命還較短(小于3年),這也是豐田下一階段的研發重點。

以大眾、寶馬為代表的車企在固態領域的積累不及豐田,但是近年來明顯加快了布局的步伐。2017年底寶馬與SolidPower建立合作伙伴關系共同研發固態電池,2018年中大眾向QuantumScape投資1億美元,并計劃在2025年實現固態電池量產。與此同時,寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發中心,開始涉及電芯級別的技術驗證和開發。與豐田重要依靠內部研發不同,關于大眾、寶馬等德系車企來說,投資初創公司快速獲取固態電池的相關專利、同時通過內部研究加深對下一代電池技術的理解,是一條效率更高的道路。

不過也并非所有公司都在進軍固態電池領域。特斯拉作為電動汽車同時也是動力鋰電池的領軍者,目前還沒有在固態電池方面擁有一件專利。我們檢索了與特斯拉相關的專利數據,發現特斯拉在電池領域總共擁有244件專利,但重要集中在電池系統、電池包和充電領域,而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態電池有一定前景,但是距離技術成熟還要時間,目前也不足以改變特斯拉的戰略。特斯拉的Model3車型采取了以NCA為正極材料的松下21700圓柱型電池,電芯能量密度可以達到300Wh/Kg,甚至超過了部分半固態鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅持目前的材料體系并通過Gigafactory的擴產來快速降低電池成本,進一步擴大在這一代電池技術上的優勢。

此外,作為全球最大的汽車零部件供應商,博世在今年年初宣布放棄對電池生產環節的投資,并出售了之前收購的從事固態電池研發的子公司SEEO。博世仍然看好固態電池的技術方向,但是關于重資產的生產環節進行投資非常謹慎。博世預計投資建設200GWH的動力鋰電池產量(20%市場份額)要200億歐元左右的投資,而制造成本中接近3/4都是材料成本,不利于發揮競爭優勢。因此博世的態度是要了解電池技術,但不必親自制造電池。

2.2.2電池初創公司

固態電池領域受關注度較高的初創公司重要包括SEEO、Sakti3、SolidEnergy、QuantumScape。

從融資情況來看,SEEO獲得了三星等公司的投資,Sakti3獲得了由通用汽車公司為首的共計2000萬美元的投資,SolidEnergy則獲得了通用汽車和上汽等公司的1200萬美元投資。今年六月QuantumScape獲得德國大眾汽車公司1億美元的投資。

這些初創公司大多由美國優秀高校的研究人員創辦,它們選擇的電解質重要可以分為聚合物、氧化物兩大體系。

SEEO通過和勞倫斯伯克利國家實驗室共同研發DryLyte(一種可以循環使用>2000次的固態電解質/隔膜),于2012年將該技術應用于(Li/LFP)電池;2016年,通過開發NCx系統、新的鋰箔凈化和軋制方法,SEEO規劃在未來3年擴大量產規模和提升電池能量密度(達到450Wh/kg即大于30Ah)。

SolidEnergy起步晚但公司采用了折中的半固態電解質+鋰金屬負極路線,其獨特之處在于:1)采用突破性的固體保護涂層(陽極-裂解物)組成了聚合物和無機材料,這種固體保護涂層直接應用到經過表處理的鋰金屬陽極上可以用來抑制鋰枝晶的生長。它具有高鋰離子導電率但是與液體電解質不混溶;2)采用革命性的液體電解質(陰極-裂解物)具有高鋰電鍍和剝離效率、在高壓陰極有高氧化穩定性并且能降低溶劑揮發性;3)采用一種創新的電池組裝工藝可以最大限度地提高電池能量密度,解決循環過程中的體積膨脹問題,并且使得鋰金屬可以通過現有的鋰離子電池基礎設施被規模化地制造出來。

2017年SolidEnergy從特種航天領域入手推出容量為3Ah的HermesTM電池,質量和體積能量密度分別達到450Wh/Kg和1200Wh/L,目前以每月5000個電池的速度量產,并且通過了第三方的檢測。

氧化物電解質體系重要分為薄膜型和和非薄膜型。薄膜型固態電池以Sakti3為代表。這一類電池具有良好的倍率及循環性能,但是電池容量較小,目前僅能用于消費電子類產品。Sakti3目前也被英國家電巨頭Dyson收購。非薄膜型固態電池以QuantumScape為代表。這一類電池整體性能指標較為均衡,離子電導率高于聚合物電解質、電池容量大、可量產,是理想的電解質材料之一。目前QuantumScape正在與大眾合作推進固態電池的產業化。

2.3國內固態電池進展

國內固態電池研發重要依托于中科院等科研機構,不過近幾年部分公司開始嘗試進行科研成果的產業轉化,例如贛鋒鋰業與中科院寧波材料所許曉雄團隊合作、中科院物理所與衛藍新能源合作等。總體來看,國內的固態電池研發呈現較為分散的格局,而且國內產業界(包括整車公司與電池公司)在固態電池領域的積累遠不及豐田等國外競爭對手。

中科院青島能源所儲能院崔光磊團隊長期從事復合聚合物固態電解質研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固態鋰離子電池動力系統,能量密度達300Wh/Kg,并且在馬里亞納海溝完成1萬米的高壓環境下完成深海測試。

中科院寧波材料所許曉雄團隊從事氧化物與硫化物固體電解質研究,已經開發出能量密度達到260Wh/Kg的10Ah固態單體電池。借助寧波材料所的技術,江西贛鋒鋰業在寧波當地投資5億元人民幣籌建億瓦時固態動力鋰離子電池生產線。第一代固態鋰離子電池技術通過中汽研汽車檢驗中心檢驗,放電容量約13Ah,能量密度約245Wh/Kg,循環1000次后容量保持率大于90%。