固态电池——温故而知新
固态电池使用固态电解质代替传统的电解液和隔膜,根据电解质含液量的不同,又可分为半固态电池(含液量5%-10%)和全固态电池(不含液体)。相比传统液态电池,固态电池具有能量密度高、安全性高、应用场景广等优势。
目前固态电解质材料主要分为硫化物固态电解质、氧化物固态电解质和聚合物固态电解质等,目前半固态电池主要采用氧化物材料,而硫化物凭借其出色的离子电导率和良好的机械性能而逐渐成为全固态电池固态电解质的主流技术路线。
正极材料从三元材料向富锂锰基过渡。负极材料从石墨向硅碳负极、锂金属负极过渡。
我国全固态电池有望在2027年左右实现小批量生产,国内固态电池玩家主要包括三类,一是宁德时代、国轩高科、孚能科技、亿纬锂能、欣旺达等传统锂电池厂商,半固态电池与全固态电池研发同步推进,预计将于2025-2026年完成百MW级全固态电池中试线建设,2027年左右实现小规模装车,2030年左右实现量产。二是清陶能源、太蓝新能源、欣界能源等专注固态电池的厂商,在半固态电池方面进展较快。三是比亚迪、长安汽车、上汽集团等整车厂,以自研+与电池企业合作开发为主,目标多为2027年实现全固态电池装车示范。
从技术路线上看,经过前期的探索,我国全固态电池已逐步趋向硫化物基固态电解质,正极采用高镍三元/富锂锰基,负极为硅碳负极/锂金属负极,目标能量密度为400-500Wh/kg。
锂电池的生产流程可分为前道、中道和后道三个阶段的流程。从市场规模来看,2024年全球前道、中道和后道设备市场规模占比分别为42%、35%和23%。
(1)前道工序即极片制造,包括正负极材料、隔膜及极片的制造,主要工序可分为制浆、涂布、辊压、分切四大关键环节。主要涉及到的设备包括搅拌机、涂布机、辊压机、分切机等。
a)制浆通过将电池活性材料、导电剂和高分子粘结剂等多种粉料相互混合、溶解、分散在溶剂中形成均匀稳定的悬浮体系,最终制备出用于极片涂布的高品质浆料。浆料的均匀性、稳定性、一致性等对电池的内阻、容量、循环寿命、倍率、一致性、安全性以及良品率起着决定性作用。b)涂布是将浆料均匀涂布在集流体正反面,使得正极浆料涂覆于铝箔,负极浆料涂覆于铜箔。c)辊压是通过对极片卷料进行高压力滚动挤压,实现正极、负极活性材料分别与铝箔、铜箔压实,达到符合技术要求的厚度。d)分切是将辊压后的极片卷料按照实际需求,分切成下一道冲片工序所需宽度的卷料。
(2)中道工序即电芯装配,主要包括卷绕/叠片、电芯入壳、焊接、封装、注液等工序。首先通过卷绕或叠片,将多层正极、负极极片和隔膜形成电芯,入壳后进行极耳焊接,然后将电解液从预留的注液口注入封装好的电芯。主要设备包括叠片机、卷绕机、注液机、包膜机等。
(3)后道工序即化成分容,主要包括检测、化成、老化、分容等工序。将半成品电芯按照设定的充放电条件进行充放电活化,抽气封边后形成成品电芯,检测合格后包装入库。主要设备为化成和分容设备。
全固态电池工艺体系重构,新增干法电极、固态电解质转印、胶框印刷、等静压等设备。
锂电设备商在固态电池领域的布局路径可划分为两类:一是传统液态电池头部设备厂商,如整线设备商先导智能、赢合科技、利元亨及后道龙头杭可科技等,依托领先的技术和资源优势,大力投入固态电池设备研发,实现固态电池整线设备或前中后道多环节设备的率先推出及交付;二是传统液态电池前道或单机设备供应商,紧抓产业初期新技术变革、新玩家不断涌现带来的市场机遇,争相切入干法电极、等静压等高附加值增量工艺环节,并与新兴固态电池厂商积极开展合作,实现产品品类和下游客户的拓展,如曼恩斯特由涂布模头向前道干/湿法设备拓展,先惠技术从装配段拓展至干法电极,纳科诺尔由辊压设备向干法工艺和等静压设备延伸等。
(注:●表示设备在研,○表示在传统液态电池领域已有设备布局)
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