固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化臨近 2026年或迎來產(chǎn)業(yè)成熟期2021-06-15 08:08
近期，各大企業(yè)關(guān)于固態(tài)電池不斷有消息傳出，之前蔚來在蔚來日發(fā)布的150kwh電池包，實(shí)現(xiàn)360wh/kg能量密度，續(xù)航里程突破1000公里，寧德時(shí)代比亞迪等也被相繼曝出其固態(tài)電池專利，引發(fā)社會(huì)討論。
而固態(tài)電池是否能成功代替目前的鋰離子電池，進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化呢？我們認(rèn)為需要從三個(gè)角度來考慮：即能量密度，安全性能，與電池成本。
首先是能量密度，能量密度是衡量一款動(dòng)力電池優(yōu)劣與否的最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定了新能源汽車一次所能行駛的距離，也確定了該動(dòng)力電池搭載的車型是否能滿足消費(fèi)者的日常所需。實(shí)際上業(yè)界對(duì)于提升新能源汽車的續(xù)航里程的普遍做法有兩種：即加大動(dòng)力電池的體積，與提升電池的能量密度。前者即直接提升電芯整體的質(zhì)量，通過將體積做大實(shí)現(xiàn)帶電量提升，續(xù)航里程的增加。不過這種方法有很大的局限性。第二就是提升電池本身的能量密度了，這也是近年來動(dòng)力電池業(yè)界最重要的目標(biāo)之一。
在我國對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃中，2025年動(dòng)力電池的整體能量密度為350-400WH左右，而目前傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限為350WH/kg，目前的液態(tài)鋰離子電池技術(shù)受困于本身體系的局限，已經(jīng)逐漸難以跟上不斷提高的能量密度要求，而固態(tài)電池其本身電化學(xué)窗口兼容性更強(qiáng)，其電化學(xué)穩(wěn)定窗口能達(dá)到5V以上，高于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的4.2V，這意味著其能夠匹配更高性能的正極材料，同時(shí)金屬鋰負(fù)極的使用也成為可能。大幅提升其理論的能量密度。在現(xiàn)有的正負(fù)極材料體系下300Wh/kg是比較高的能量密度，但是用上鋰金屬負(fù)極能達(dá)到500Wh/kg以上。能量密度的提升對(duì)新能源汽車意味著其體積及汽車本身的空間利用率也能得到有效提升。
二安全性。據(jù)此前深圳市消費(fèi)者委員的調(diào)查結(jié)果顯示，新能源汽車的安全性力壓里程焦慮等問題，成為消費(fèi)者拒絕購買最主要的原因。而近年來，隨著我國新能源汽車保有量的大幅增長(zhǎng)，安全事故頻發(fā)，而其中長(zhǎng)期以來，液態(tài)電解質(zhì)由于其可燃性，在遇到?jīng)_擊時(shí)容易發(fā)生泄漏或揮發(fā)，從而引起電池起火爆炸等安全事故。而固態(tài)電池使用不可燃的全固態(tài)電解質(zhì)取代了液態(tài)電解質(zhì)，即便在受到了物理沖擊之后，仍能不冒煙，不起火，不爆炸，同時(shí)，鋰枝晶現(xiàn)象也得到了足夠的抑制，安全性得到極大提高。
三為成本方面，由于新能源汽車本質(zhì)上仍是一種消費(fèi)品，如果要完全取代燃油車的地位，除了在綜合性能如續(xù)航里程，安全性能要做到持平或超越外，成本如果無法實(shí)現(xiàn)較好的控制，仍然難以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。固態(tài)電池因使用全固態(tài)電解質(zhì)，電解液，電解質(zhì)鹽，隔膜與黏結(jié)劑等都原材料均無需使用，極大簡(jiǎn)化電池構(gòu)建步驟，而中間的部分制作工藝，如電解質(zhì)注入，額外的冷卻系統(tǒng)等步驟，可以同樣可以省略，有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)固態(tài)電池在電芯層面的產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電芯的成本降極為接近液態(tài)鋰離子電池，成本為液態(tài)電池的1.1倍。而pack層面，當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電池的成本降達(dá)到液態(tài)的98%。不過在之后產(chǎn)能逐漸起量的情況下，固態(tài)電池的成本有望低于普通液態(tài)鋰離子電池。
從研發(fā)進(jìn)展來看，固態(tài)電池的發(fā)展歷程總體可以分為三個(gè)時(shí)段，第一段為2018-2021年，這段時(shí)間主要為固態(tài)電池產(chǎn)品的規(guī)劃與研發(fā)期，在這段時(shí)間，行業(yè)內(nèi)的各大電池廠商的產(chǎn)品已逐漸接近傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限，行業(yè)整體面臨轉(zhuǎn)型期，在這段時(shí)間之內(nèi)，市場(chǎng)上傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池如三元鐵鋰電池等仍然占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)。而接下來2022年-2025年也就是應(yīng)用期，該階段市場(chǎng)上將會(huì)逐漸出現(xiàn)搭載固態(tài)或半固態(tài)電池的車型及產(chǎn)品，不過由于其成本問題，預(yù)計(jì)屆時(shí)在高端車型中搭載的可能性更高，而能量密度在該階段也將會(huì)來超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論極限，預(yù)計(jì)能量密度將達(dá)到300-500WH/KG。而第三個(gè)階段2026年-2040年固態(tài)電池市場(chǎng)將會(huì)迎來成熟期，該階段有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，能量密度突破到500WH/kg以上，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用及量產(chǎn)成為可能。
而固態(tài)電池是否能成功代替目前的鋰離子電池，進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化呢？我們認(rèn)為需要從三個(gè)角度來考慮：即能量密度，安全性能，與電池成本。
首先是能量密度，能量密度是衡量一款動(dòng)力電池優(yōu)劣與否的最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定了新能源汽車一次所能行駛的距離，也確定了該動(dòng)力電池搭載的車型是否能滿足消費(fèi)者的日常所需。實(shí)際上業(yè)界對(duì)于提升新能源汽車的續(xù)航里程的普遍做法有兩種：即加大動(dòng)力電池的體積，與提升電池的能量密度。前者即直接提升電芯整體的質(zhì)量，通過將體積做大實(shí)現(xiàn)帶電量提升，續(xù)航里程的增加。不過這種方法有很大的局限性。第二就是提升電池本身的能量密度了，這也是近年來動(dòng)力電池業(yè)界最重要的目標(biāo)之一。
在我國對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃中，2025年動(dòng)力電池的整體能量密度為350-400WH左右，而目前傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限為350WH/kg，目前的液態(tài)鋰離子電池技術(shù)受困于本身體系的局限，已經(jīng)逐漸難以跟上不斷提高的能量密度要求，而固態(tài)電池其本身電化學(xué)窗口兼容性更強(qiáng)，其電化學(xué)穩(wěn)定窗口能達(dá)到5V以上，高于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的4.2V，這意味著其能夠匹配更高性能的正極材料，同時(shí)金屬鋰負(fù)極的使用也成為可能。大幅提升其理論的能量密度。在現(xiàn)有的正負(fù)極材料體系下300Wh/kg是比較高的能量密度，但是用上鋰金屬負(fù)極能達(dá)到500Wh/kg以上。能量密度的提升對(duì)新能源汽車意味著其體積及汽車本身的空間利用率也能得到有效提升。
二安全性。據(jù)此前深圳市消費(fèi)者委員的調(diào)查結(jié)果顯示，新能源汽車的安全性力壓里程焦慮等問題，成為消費(fèi)者拒絕購買最主要的原因。而近年來，隨著我國新能源汽車保有量的大幅增長(zhǎng)，安全事故頻發(fā)，而其中長(zhǎng)期以來，液態(tài)電解質(zhì)由于其可燃性，在遇到?jīng)_擊時(shí)容易發(fā)生泄漏或揮發(fā)，從而引起電池起火爆炸等安全事故。而固態(tài)電池使用不可燃的全固態(tài)電解質(zhì)取代了液態(tài)電解質(zhì)，即便在受到了物理沖擊之后，仍能不冒煙，不起火，不爆炸，同時(shí)，鋰枝晶現(xiàn)象也得到了足夠的抑制，安全性得到極大提高。
三為成本方面，由于新能源汽車本質(zhì)上仍是一種消費(fèi)品，如果要完全取代燃油車的地位，除了在綜合性能如續(xù)航里程，安全性能要做到持平或超越外，成本如果無法實(shí)現(xiàn)較好的控制，仍然難以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。固態(tài)電池因使用全固態(tài)電解質(zhì)，電解液，電解質(zhì)鹽，隔膜與黏結(jié)劑等都原材料均無需使用，極大簡(jiǎn)化電池構(gòu)建步驟，而中間的部分制作工藝，如電解質(zhì)注入，額外的冷卻系統(tǒng)等步驟，可以同樣可以省略，有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)固態(tài)電池在電芯層面的產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電芯的成本降極為接近液態(tài)鋰離子電池，成本為液態(tài)電池的1.1倍。而pack層面，當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到20GWH時(shí)，固態(tài)電池的成本降達(dá)到液態(tài)的98%。不過在之后產(chǎn)能逐漸起量的情況下，固態(tài)電池的成本有望低于普通液態(tài)鋰離子電池。
從研發(fā)進(jìn)展來看，固態(tài)電池的發(fā)展歷程總體可以分為三個(gè)時(shí)段，第一段為2018-2021年，這段時(shí)間主要為固態(tài)電池產(chǎn)品的規(guī)劃與研發(fā)期，在這段時(shí)間，行業(yè)內(nèi)的各大電池廠商的產(chǎn)品已逐漸接近傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限，行業(yè)整體面臨轉(zhuǎn)型期，在這段時(shí)間之內(nèi)，市場(chǎng)上傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池如三元鐵鋰電池等仍然占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)。而接下來2022年-2025年也就是應(yīng)用期，該階段市場(chǎng)上將會(huì)逐漸出現(xiàn)搭載固態(tài)或半固態(tài)電池的車型及產(chǎn)品，不過由于其成本問題，預(yù)計(jì)屆時(shí)在高端車型中搭載的可能性更高，而能量密度在該階段也將會(huì)來超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的理論極限，預(yù)計(jì)能量密度將達(dá)到300-500WH/KG。而第三個(gè)階段2026年-2040年固態(tài)電池市場(chǎng)將會(huì)迎來成熟期，該階段有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，能量密度突破到500WH/kg以上，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用及量產(chǎn)成為可能。
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