固态电池，加速！
编辑：转自：科创板日报
发布时间：2024-12-13
在近日举行的2024年高工锂电年会上，高工产业研究所(GGII)所长于德德龙表示，GGII去年预测，2024年固态电池出货量会破5GWh，但从截止到前三季度的数据来看，预估到今年年底，固态电池取得的出货量将超过7GWh，2030年要往300GWh的级别走。而全固态电池将在2028年后破GWh，2032年前后，破百GWh。当前，随着固态电池的持续发展，《科创板日报》记者注意到，锂电产业链正迎来新的变化，同时新的应用场景正加速产业化进程。
▌液态到固态：材料、工艺、设备加速迭代
相比于液态电池，固态电池可认为是将锂离子电池中电解液、隔膜用固体电解质替换，最大的变化是电解质与活性物质的接触方式由固-液接触变为固-固接触，由此产生一系列变化。卫蓝新能源研发总经理徐航宇表示，固态电池的挑战包括全寿命周期工况下持续稳定的界面接触、单一固态电解质材料难以满足全固态电池需求。基于此，其认为混合固液电池的开发策略弥补了单一电解质材料的短板。“目前，公司基于氧化物和聚合物固态电解质，已实现混合固液电池的量产，产品应用于低空经济、新能源汽车、储能等领域。”在固体电解质作用下，正极材料开发同样面临新的变化。宜宾锂宝副主任工程师周宇环表示，固态电池正极材料开发面临的主要问题包括界面稳定性、电化学稳定性、机械接触稳定性和成本问题。因此，固态电池正极材料的几何外形和尺寸应该根据所用电解质形态进行个性化设计，实现与电解质的紧密配合。固态电池正极材料需要朝着更加致密、无裂纹、零应变方向开发。正极材料表面包覆需要更加精准的控制，要求包覆均匀且厚度可控、需要开发适用于工业生产的新型包覆工艺。电池工艺方面，干法工艺被广泛关注。华彩科技CTO陈阳表示，干法电极抛弃传统液态溶剂，与固态电池设计理念类似。在干法技术的赋能下，固态电池的极片制造过程可实现完全干燥、消除了湿法工艺烘干后，溶剂分子的残留问题。此外，利用粘接剂的原纤化作用制造固体电解质膜，能提升固态电池性能，其优势包括孔隙率更低，提高离子导电率；活性物质和粘接剂干混成膜，无需烘干制造成本更低；压实密度更高，更有利于解决固固界面问题。曼恩斯特锂电涂布研究院院长李宁亦表示，在材料层面，干法避免了液态介质带来的复杂反应，使材料间相互作用更易把控。但干法可在低温度环境操作，通过优化参数能保障硫化物电解质和电极材料形成优质界面。工艺层面，干法中的混合、压延等操作在中试线电极生产中具备可操作性，能够精准调控粉末特性和工艺参数，如控制混合比例和压延压力，从而产生厚度与密度适宜的电极片。新工艺则需匹配新的设备。利元亨固态电池技术总监卢其辉表示，该公司的电极干法涂布设备，相比较湿法电极工艺，可减少11.5%原材料溶剂成本，以及减少46%以上能源消耗，具备高经济性。同时，其还提到，固态电池关键设备还包括辊压热复合双轧一体机、极片胶框印刷&叠片一体机、高压化成分容设备。其中，极片胶框印刷&叠片一体机的作用是，固态电池取消隔膜，且要求大压力化成，因此电池极片边缘变形，容易导致内短路问题。将树脂印刷到电极边缘位置形成回形框，在压力下起到支撑和绝缘作用。同时，高压化成分容设备经过初始充放电过程，可激活电池材料并稳定电池性能。常规电池化或拘束压力要求3-10t，固态电池化或拘束压力要求60-80t（10Mpa压强/单个电芯）。相比于液态电池，固态电池车间环境也将更严格， 包括更严格的低露点管控，露点将在-50摄氏度。同时要对硫化物和卤化物固态电池设备增加防毒，防爆设计。
▌全固态电池仍面临多方问题 eVTOL厂商呼吁材料端突破
当前，业内人士普遍认为，固态电池仍处于发展初期，主要以半固态为主，全固态电池在成本、工艺、安全生产等方面仍面临诸多问题。成本方面，GGII所长于德龙提到，原材料售价高，硫化物当前售价5万元/kg，全固态成本是液态的10倍以上。同时，产线投资额上，以江苏欣界拟向海目星采购的2GWh电池自动化生产线设备来看，预计设备采购金额约为人民币4亿元。多位业内人士向《科创板日报》提及，当前一条固态电池产线根据不同产品规格投资额有所不同，不过基本上相当于此前液态电池产线翻倍的金额，同时固态电池新设备如等静压设备一台需要上百万元，极大提升成本。工艺层面上，全固态电池在正极干法工艺和等静压工艺等方面面临量产难点。利元亨固态电池技术总监卢其辉表示，其中包括干法正极连续生产面临挑战，干混技术和粉末定量进料技术存在难题，降低了制造速度以及电极材料均匀分布。轧辊系统稳定性和寿命面临挑战，大粒径铁锂成膜过程中设备卡滞，小粒径成膜过程中设备高频振动异响问题，以及轧辊表面疲劳寿命问题。等静压工艺方面，其提到，极端高压对电芯的损伤，高达500Mpa等静压对电芯造成外观破损和内短路问题；等静压设备产能低，寿命短，每缸的最大产量仅为48件（动力软包电池），且在500兆帕的压力下，缸体材料即达到屈服极限，每次操作都会导致塑性变形。本征安全方面，盟维科技副总经理李洪飞表示，全固态电池的安全性及失效机理有待深入研究。现有部分实验结果表明全固态电池不等于绝对安全，固态电解质也会发生热失控，其安全性及热失控机理还需更多深入研究；全固态锂金属电池体系，固态电解质材料搭配金属锂负极时，会发生锂枝晶会沿着固态电解质的晶界、裂纹和缝隙生长等情况，同样会导致电池短路，存在热失控风险。应用场景方面，当前，新兴市场如eVTOL领域应用端持续受到关注。今年11月14日，亿航智能宣布，与欣界能源、国际先进技术应用推进中心（合肥）低空经济电池能源研究院联合研发的高能量固态电池取得重大技术突破。EH216-S搭载该电池成功完成单次不间断飞行测试，达到48分10秒，适用不同飞行需求，续航时间显可著提升60%-90%。欣界能源总裁孙立在高工锂电年会上介绍称，该公司固态电池采用锂金属负极和氧化物陶瓷固态电解质，已经过亿航等低空飞行领域多家客户的专业测试，第一条（＞450Wh/kg）固态电池200MWh中试线已于2023年年底稳定生产，正在规划建设（＞450Wh/kg）固态电池2GWh产线，将于2025年Q2投产，预计总投资10亿元，用地70亩。不过，亿航智能副总裁张宏表示，电池整体往更高比能量走的话，现在材料是不够的。就现在固态电池能用上的最好的成熟材料就是九级超高镍配第三代纳米硅碳。这个材料体系如果要做到高倍率的话，仍然面临瓶颈。“未来我们也是呼唤下一代材料，比如说能够有效提升电芯电压的材料，眼下看起来好像没有特别好的新一代的正极材料来适配低空经济这一领域，同时负极的复合锂金属也还不成熟。”多家厂商正寻求突破。其中，锂金属电池厂商盟维科技副总经理李洪飞认为，采用金属锂作为负极是提高电池能量密度的重要途径，利用锂的沉积和脱出进行储能。金属锂理论比容量达到3860mAh/g，同时具有低电极电势，是电池下一代负极材料的终极目标。其向《科创板日报》提及，目前公司正与多家eVTOL厂商合作开发中。力神电池基础研发部固态电池研发经理张进表示，该公司产品选用克容量更高的活性物质材料，单体电池能量密度可突破400Wh/kg，选用锂金属类负极单体电池能量密度可大于500Wh/kg。目前该公司已完成3家eVTOL订单，累计销售额近亿元。不过，整体而言，亿航智能副总裁张宏亦提及，电池安全本身需要系统层面的合力把控，“如果系统层面没有特别好的方法，或整机层面没有足够好的安全的管控，我们其实不建议用三元的。现在三元不管是液态还是半固态，它的安全性在航空级层面仍有待提升。所以我们还是希望就是系统集成层面，包括智能管控以及整机设计层面，大家能够一起努力，别把压力全都压到电池身上。”
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