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固态电池的起点,从软包开始

作者:滕宇 来源:阿尔法工场研究院 发布时间:2022-06-20 浏览:

中国储能网讯:固态电池是锂电池未来的发展方向,而软包是固态电池确定性的包装技术。

Through chances various, through all vicissitudes,  we make our way.

这是格雷厄姆《聪明的投资者》一书扉页上的话,来源于维吉尔(Virgil)未完成的古罗马史诗《埃涅伊德(Aeneid)》。

“千载难逢,历经沧桑,一路前行”。

特洛伊陷落后,流亡的埃涅伊德王子带领族众四处迁徙流浪,试图寻找一块福地。经历无数跋涉、快抵达时,他们又遭遇风暴和诱惑考验,甚至走过地狱,信念仍然如“蒲苇纫如丝,磐石无转移”。最后如愿以偿,开启罗马帝国的建国伟业。

聪明的投资者,理应像埃涅伊德,在迈向信念目标的路途中,守得住繁华,也耐得住寂寞。

价值投资奉行长期主义,企业经营更有甚于此。

保持初心、坚守不移从不是一件简单的事。外界质疑、发展变化,以及自我怀疑,都是考验,且最后不一定行满功圆。

但在这个过程中,有一个先决条件——是否探究到事物的本质。如果做到了,便有望守得云开见月明。

锂电池的技术发展,是一项看谁跑得久、跑得远的比赛。掌握了关键技术,方能御风而起,乘浪而行。

如今,这场赛事正进入下半场。固态电池备受瞩目,有望引领下一次锂电池浪潮。而软包电池无疑是最为匹配的包装技术。

传说中的“软包之王”孚能科技(688567.SH),将迎来高增长时刻。

下一站,固态电池

说起固态电池,各位读者可能略感陌生。严格意义上讲,现阶段的锂电池应该称作液态锂电池,因为其核心电池材料之一是液态电解质(也称电解液)。

那么使用固态电解质的锂电池,就被称之为固态锂电池,简称固态电池。很明显,二者构造不同。

传统锂电池构成包括正极、负极、电解液、隔膜四大材料。而固态电池则将电解液和隔膜换成了固态电解质,其余类似。

对于锂电池而言,安全是排在第一位的。可是,传统液态锂电池的安全性却长期被市场质疑。

近日,市场监管总局公布《关于2021年全国汽车和消费品召回情况的通告》,报告显示,2021年实施新能源汽车召回59次,涉及车辆83万辆,占全年召回总数量的9.5%;新能源汽车召回次数和召回数量,同比上年,分别增长31.1%和75.9%。

其中,新能源汽车缺陷线索报告3033例,反映动力电池、电机、电控系统问题的,占新能源汽车缺陷线索的52.5%。“动力电池过热起火”和“电控系统故障”依旧占比较大,是新能源车的首要安全隐患。

锂电池导致起火的主要原因便是电解液。在现有技术条件下,电解液提供了锂离子在电池内“畅游”的场所。

不过,电解液对温度十分敏感。它在高温下极易分解,腐蚀性强、易燃易泄漏。尤其是析锂反应,极易造成短路。

短路一旦发生,局部温度大幅上升,达到锂电池内部的液态电解液燃点,进而起火甚至发生爆炸。

虽然各厂商也曾尝试添加阻燃剂、或使用耐高温薄膜的方法,解决安全性问题,但仍旧没有成功。可以说,从根本上,液态电池技术难以杜绝安全隐患。

相较而言,固态电池最突出的优点便是安全性。它使用几乎不可燃的固态电解质作为传导介质,降低了电池组对温度的敏感性,杜绝了析锂枝晶增加的短路概率,亦能凭借良好的绝缘性,有效阻隔正负极。

除了安全性的天然优势,固态电池另一大看点便是性能。

长期以来,续航和快充是新能源车的阿克琉斯之踵,里程焦虑是令人尴尬的“常态”。因此,新能源车一直朝着高续航的路径发展:从200公里到500公里,即将进入1000公里的目标范围。

达成这一目标,需要更高能量密度的锂电池。在业界,通常用Wh/kg标定能量密度。

根据国家2020年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,我国纯电动汽车动力电池的能量密度,2025年目标为400Wh/kg,2030年目标为500Wh/kg。

这对于现在的液态锂电池技术来讲是困难重重。

在液态电池领域,三元软包是能量密度最高的技术。根据2021年4月的《自愿性披露新技术研发进展公告》,孚能科技研发成功的新一代动力电池,能量密度可达330Wh/kg,而其余厂家正在努力突破300Wh/kg。

锂电池的能量密度主要取决于工作电压和正负极材料比(克)容量。也就是说,电压越大,能量密度越大;比容量越高,能量密度越高。

简单来讲,锂电池在工作的时候,电池电压会随着电量的降低而下降。假设其他条件不变,同等电流下,高电压的工作时间就比低电压长。

打个比方,高一点的蓄水池可以装更多的水,所以使用相同的水龙头排水,时间肯定更长。

然而,4.3V以上电压会加剧电解液分解。因此,受目前液态锂电池的材料和使用安全性所限,锂电池的工作电压一般在4.2V以内,很难有所提升。

比(克)容量的意义是每克锂电池材料含多少mAh(毫安时)电量。从液态锂电的正负极材料来看,负极石墨365m A·h/g,8系三元高镍正极220mA·h/g。现有正负极材料的比容量难以大幅提升。

液态锂电技术与生俱来的瓶颈制约下,实现未来的能量密度目标困难重重。而固态电池如果只是替换了电解液进而提升安全性,那也不可能被视为一项颠覆性技术。

最为关键的是,固态电解质的使用,可以改变现有正负极体系,采用更高比容量材料作为正负极。

通过采用负极金属锂,正极高电势材料,电化学窗口可以达到5V以上。而锂的比容量高达3860mA·h/g,是石墨的10倍以上,三元高镍正极的17.5倍。

从锂电池未来高能量密度的技术发展路径来看,固态电池无疑更加适合大规模应用。

技术大规模推广最重要的前提之一是成本。虽然目前固态电池的成本远高于液态锂电池,但降本路径已经逐步清晰。

首先,固态电池使用电解质,替换出的电解液和隔膜,合计占锂电池成本30-45%。

目前在使用中、或接近商用的固态电池电解质,有聚合物、硫化物和氧化物三种。近期,中科大合成了一种新型固态电解质——氯化锆锂,使成本降低94%。

液态锂电池除了锂外,还大量用到钴、镍等稀缺金属,价格高昂。而固态电池正极可以使用锰、硫等常见的材料,客观上保证了未来固态电池的成本竞争空间。

现阶段的三元电池,其每千瓦时成本已经超过1000元。

而据日产汽车(7201.T)的规划,到2028财年,全固态电池能够将电池组的成本降至每千瓦时75美元(折合人民币约477元),未来会将成本进一步降低至每千瓦时65美元(折合人民币约414元)。

安全、性能、成本是锂电池推广的核心三要素,在这三方面,固态电池已经展现出巨大的优势。毫无疑问,未来锂电池的主流技术路径属于固态电池。

目前固态电池技术尚处于一片蓝海。电解质、正极等材料均没有出现颠覆性替代的产品,没有形成产业基础。此时,是先行者获取优势的最好时机。

但,如何辨识出具有发展前景与潜力的企业,对投资者是一道难题。

确定的未来,属于软包电池

在现阶段固态电池的技术认知里,有一个方向是确定性较高的,那便是包装方式。

传统的锂电池和固态电池包装,有软包、方形和圆柱三种工艺。

制造过程按顺序可分为前段、中段、后段三个环节。简单来讲,前段就是正负极生产的过程,后段则是检测组装的环节。

中段就是电池制作的过程,包含叠片/卷绕、入壳、焊接、干燥、注液等五道工序,最核心的环节便是叠片/卷绕工序,在整个中段工艺中价值量最高,占比约为70%。

不同包装方式制作工序也不同。圆柱电池主要采用卷绕工艺(可以想象成制作多种食材的卷饼),方形电池多数也以卷绕为主,而软包电池采用的是叠片工艺(可以想象成制作三明治)。

由于氧化物及硫化物电解质柔韧性较弱,采用叠片工艺的软包电池是最适合的。不仅于此,相较于圆柱电池和方形电池,软包电池在能量密度上也有显著优势。

叠片工艺生产的软包电池,内部变形、弯曲或断裂的概率低。另外,软包电池的铝塑膜外壳并不坚硬。电池一旦发生热失控,一般会先胀气冲破铝塑膜封装,带走大量的热量,避免电池发生爆炸。

而质量较轻的铝塑膜外壳,在同等容量下,使得整个电池重量较钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%。因而,软包电池的能量密度会比钢壳三元锂电池高出40%。

软包电池获得了下游汽车厂商的青睐,大众、奔驰、通用、现代、福特等车企,纷纷使用其配置多款主流车型。

2020年欧洲最畅销Top20新能源乘用车中有15款搭载软包电池。而高端配置型新能源车更多采用的也是软包电池技术。

相比于海外,国内软包电池却显得较为落寞。国内车厂更倾向于产业链条完备、供给保障充足的方形电池。目前而言,软包电池相关产业基础薄弱,在推进新能源汽车的历史进程中,暂时落后于方形和圆柱电池。

国产化替代一直是国内软包电池需要攻克的难题。以孚能科技为代表的软包电池企业多年深耕,已打破各项技术瓶颈,产品品质达到国际先进水准,成功进入了戴姆勒A供体系。

2021年国内动力电池装机电量排名中,孚能科技排名第七。在国内软包电池以及三元软包电池装机量上,孚能连续保持第一名。

生产方面,镇江工厂一期完成产能爬坡,二期已陆续投产,三期建设再提速,芜湖项目蓄势待发。届时到2023年底,公司将实现26Gwh软包电池的产能规模。

在固态电池技术逐步落地过程中,孚能科技有望获取先发优势,迎来高增长时刻。

结语

在国内外固态电池技术推进上,上至政府、下至企业皆不遗余力。

海外企业纷纷抛出大手笔投资,大众集团董事会成员Thomas Schmall表示,公司计划花费高达300亿欧元(约合人民币2162亿),用于欧洲电芯工厂,并确保重要原材料供应。

包括宝马、奔驰、大众、现代、丰田、本田、日产等在内的汽车集团,均将固态锂电池作为其下一代电动车电池的技术方向。

政府层面,欧盟多国共同出资32亿欧元,同时从私人投资方募集50亿欧元,用于发展固态电池。美国、日本、韩国也都宣布了发展固态锂电池相关支持政策和补贴。

我国《新能源汽车产业发展规划》中提出了加强固态电池研发和产业化的要求。东风汽车与赣锋锂业合作开发的首批50辆东风-赣锋高比能固态电池车,在江西省新余市完成交付。

在此背景下,固态电池未来的确定性毋庸置疑,甚至已开始提速。

中国锂电技术从模仿者、追赶者的角色,逐步成长为引导者和创新者。沧海横流,方显英雄本色。

在固态电池的竞争上,以宁德时代(300750.SZ)、比亚迪(002594.SZ)、孚能科技为代表的中国锂电军团,将在这个舞台上大展宏图,大显身手,争夺锂电池下半场的话语权。

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关键字:固态电池

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