1、鋰電池逐漸進入技術(shù)瓶頸,固態(tài)電池有望成為電池升級方向
自1985年鋰離子電池問世以來,大幅推進了可移動電子設(shè)備的規(guī)?;瘧?yīng)用,不斷推動著社會朝著智能化和清潔化方向發(fā)展。自1985年鋰離子電池問世以來,大幅推進了可移動電子設(shè)備的規(guī)模化應(yīng)用,不斷推動著社會朝著智能化和清潔化方向發(fā)展。但是當(dāng)前的液態(tài)鋰離子電池體系,逐步發(fā)展到了本身材料體系所能達(dá)到的瓶頸:1)能量密度難以突破350Wh/kg的極限;2)有機物液態(tài)電解質(zhì)帶來的安全性問題。3)電池服役過程中電解液的揮發(fā)、干涸、泄露等現(xiàn)象,影響電池壽命。液體電解質(zhì)成為了鋰離子電池進一步發(fā)展最大的制約因素。
采用固態(tài)電解質(zhì)代替液體電解質(zhì),有望使用更高比容量的正、負(fù)極材料,同時可徹底解決電池的安全性問題,是獲得高能量密度、安全性和長循環(huán)壽命的全固態(tài)鋰電池的根本途徑。因此固態(tài)電池將會是鋰離子電池升級的方向。
鋰電池技術(shù)發(fā)展路徑
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各類鋰電池對比
電池類型 | 液態(tài) | 半固態(tài) | 固態(tài) |
能量密度上限 | 較低(<300Wh/kg) | 中等(>400Wh/kg) | 較高(>500Wh/kg) |
隔膜 | 需要 | 需要 | 不需要 |
當(dāng)前生產(chǎn)成本 | 較低 | 中等 | 較高 |
電解質(zhì)化學(xué)窗口上限 | 較窄(<4.3V) | 中等 | 較高(>5V) |
鋰金屬負(fù)極兼容性 | 差 | 抑制鋰結(jié)晶力度弱 | 抑制鋰結(jié)晶力度強 |
液體含量 | >10% | <10% | 0 |
安全性(熱穩(wěn)定,抗針刺) | 熱極限140-180℃,針刺即燃 | 熱極限>180℃ | 熱穩(wěn)定>300℃,免疫針刺甚至剪切 |
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根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)的不同,目前固態(tài)電池有聚合物、氧化物、硫化物三種技術(shù)路線。
聚合物:聚合物固態(tài)電解質(zhì)以歐美企業(yè)技術(shù)最為成熟,商業(yè)化難度較小,未來有望率先實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),但是其電導(dǎo)率低、能量密度低。
氧化物:氧化物固態(tài)電解質(zhì)綜合性能好。
硫化物:硫化物固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率最高,延展性更好,潛力最大。但是其機械性能差,生產(chǎn)工藝復(fù)雜,且硫化物固態(tài)電解質(zhì)中的硫元素具有一定的活性,如何保持高穩(wěn)定性是一大難題。
2、主流車企紛紛上馬規(guī)劃固態(tài)電池,全固態(tài)電池有望普及
據(jù)不完全統(tǒng)計,截止2023年底,國內(nèi)半固態(tài)電池產(chǎn)能規(guī)劃累計超過298GWh,落地產(chǎn)能接近15GWh;同期半固態(tài)電池出貨突破GWh級別,有望在2024年實現(xiàn)5GWh級別出貨。考慮到當(dāng)前鋰離子動力電池的復(fù)合增速與固態(tài)電池相對高成本的車型適配范圍,預(yù)計2030年,量產(chǎn)全球鋰離子固態(tài)/半固態(tài)電池商業(yè)化產(chǎn)能有望初見規(guī)模,屆時固態(tài)鋰電池對應(yīng)的續(xù)航里程或可達(dá)到液態(tài)鋰電池的2-3倍,追平燃油車?yán)m(xù)航力。
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根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國固態(tài)電池行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與發(fā)展前景分析報告(2024-2031年)》顯示,固態(tài)電池是全球公認(rèn)的下一代電池,被列入中國、美國、歐盟、日韓等主要國家的發(fā)展戰(zhàn)略。全球企業(yè)都在積極布局固態(tài)電池,固態(tài)電池成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點。
各國固態(tài)電池發(fā)展戰(zhàn)略
主要國家和地區(qū) | 發(fā)展戰(zhàn)略 | 固態(tài)電池相關(guān)規(guī)劃 |
日本 | 《電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》 | 加快技術(shù)開發(fā),率先實現(xiàn)全固態(tài)電池等;下一代電池技術(shù)商業(yè)應(yīng)用,穩(wěn)占下一代電池市場。 |
韓國 | 《2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》 | 2023-2028年投入2.33億美元,爭取提前實現(xiàn)固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰金屬電池商用化。 |
美國 | 《鋰電池2021-2030年國家藍(lán)圖》 | 實現(xiàn)示范和規(guī)?;兏镄噪姵丶夹g(shù),加大固態(tài)鋰電池方面的研發(fā)布局,加快產(chǎn)業(yè)化進程。 |
歐盟 | 《電池戰(zhàn)略研究議程》 | 明確2030年研究和創(chuàng)新優(yōu)先事項,確定關(guān)鍵技術(shù)主題,包括第4代鋰離子電池(固態(tài)鋰離子電池、固態(tài)鋰金屬電池、現(xiàn)金固態(tài)電池)。 |
中國 | 《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》 | “加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”已列為“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”。 |
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從全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局來看,中國參與的企業(yè)最多,包括傳統(tǒng)電池企業(yè)、初創(chuàng)電池企業(yè)、整車企業(yè)等;其次是日本,技術(shù)實力最強;美國以一些初創(chuàng)企業(yè)為主;歐洲主要是車企和美國的初創(chuàng)企業(yè)合作;韓國企業(yè)不多,但實力也強。
各國固態(tài)電池發(fā)展戰(zhàn)略
主要國家和地區(qū) | 固態(tài)電池領(lǐng)域主要企業(yè) |
中國 | 衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰電、國聯(lián)、一汽、東風(fēng)、上汽、輝能科技、寧德時代、比亞迪、中創(chuàng)新航、蜂巢能源、遠(yuǎn)景動力、國軒高科、孚能科技、億緯鋰能、馬車動力、有研稀土、中汽創(chuàng)智、SEVC |
日本 | 豐田、日產(chǎn)、本田、日立、松下、物質(zhì)材料研究機構(gòu)、日立造船、出光興產(chǎn)、三井金屬、東麗、湯淺 |
韓國 | LG新能源、三星SDI、SKOn |
美國 | QuantumScape、SolidPower、SEEOInc、Sakit3、IonicMaterials、SolidEnergy |
歐盟 | 大眾、寶馬、奔馳、Bosch、Bollore、BatScap |
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由于整車廠普遍具備更強的議價能力,這就使得產(chǎn)業(yè)鏈進程主動權(quán)在整車廠手里。從整車廠規(guī)劃來看,2023年,蔚來ES6、ET7、東風(fēng)E70、嵐圖追風(fēng)、賽力斯SERES5等車型已搭載半固態(tài)電池,上汽、廣汽、長安等車企也計劃將于2024-2026年上市搭載半固態(tài)電池車型。豐田、本田、大眾、寶馬等日本、歐洲車企計劃啟動搭載固態(tài)電池車型量產(chǎn)上市的時間在2026-2030年。
隨著固態(tài)電池技術(shù)不斷進步,成本逐漸呈下降趨勢,尤其是國內(nèi)半固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進程已開啟,固態(tài)電池的市場規(guī)模將得以快速增長。預(yù)計到2030年全球固態(tài)電池的出貨量將達(dá)到614.1GWh。
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3、eVTOL對于固態(tài)電池需求迫切,低空經(jīng)濟首次被寫入政府工作報告
固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上游為基礎(chǔ)材料及設(shè)備,包括原材料礦產(chǎn)、電芯材料和生產(chǎn)設(shè)備;中游為電池包加工制備,包括電池封裝、電池管理系統(tǒng)等;下游為應(yīng)用領(lǐng)域,包括新能源汽車、消費電子、儲能、eVTOL等,除了新能源汽車外,eVTOL產(chǎn)業(yè)是固態(tài)電池發(fā)展很重要的一個新增驅(qū)動力。
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eVTOL飛行器主要由機體子系統(tǒng)、導(dǎo)航通訊與飛控子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)構(gòu)成。eVTOL的動力系統(tǒng)采用分布式推進系統(tǒng)(DEP,DistributedElectricPropulsion),該設(shè)計使其能夠提升動力系統(tǒng)的安全性冗余、有效降低本機噪音(降低約10%~15%)和最大限度提升動力系統(tǒng)的能源使用效率。
對于eVTOL飛行器來說,電池有兩項關(guān)鍵性能指標(biāo)與eVTOL綜合性能緊密相關(guān),一是能量密度,一是功率密度。相比較來說,電池功率密度(單位質(zhì)量電池的放電功率大小)是eVTOL飛行器更關(guān)鍵的性能指標(biāo),因為它決定了eVTOL是否可以安全起飛和著陸。而另一方面,能量密度(電池平均質(zhì)量所釋放出的電能)大致上決定了eVTOL的航程范圍,目前300Wh/Kg能保證200~300公里航程。
能量密度方面,eVTOL垂直起飛所需要的動力是地面行駛的10-15倍,商用門檻高達(dá)400Wh/kg,且未來能量密度要求將會達(dá)到1000Wh/kg,遠(yuǎn)高于當(dāng)前車用動力電池的能量密度。充放電倍率方面,eVTOL的飛行需要經(jīng)歷起飛、巡航、懸停等階段,其中起降階段要求電池的瞬間充放電倍率在5C以上。安全性能、循環(huán)壽命等方面,eVTOL對電池的要求也極為嚴(yán)苛。
政策上,2024年3月27日,工信部等四部門印發(fā)《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實施方案(2024-2030年)》,明確提出推動400Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品投入量產(chǎn),實現(xiàn)500Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品應(yīng)用驗證。鑒于傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池能量密度限制和eVTOL對電池性能的高要求,固態(tài)電池有望率先在eVTOL市場放量。
作為國家五年規(guī)劃中重要子領(lǐng)域,低空經(jīng)濟涉及的裝備制造和服務(wù)業(yè)備受重視。2021年2月25日黨中央、國務(wù)院出臺《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》,“低空經(jīng)濟”概念首次寫入國家規(guī)劃,成為“十四五”時期謀劃的新興經(jīng)濟形態(tài)。近兩年,交通部、科技部、工信部等中央部委相關(guān)部署已經(jīng)將產(chǎn)業(yè)政策細(xì)化到無人機、飛行汽車等具體領(lǐng)域,推動相關(guān)行業(yè)的商業(yè)化、規(guī)?;瘧?yīng)用。同時,除國家級的政策法規(guī)推動外,有條件的地方政府也在加速布局無人駕駛垂直起降航空器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2024年“低空經(jīng)濟”首次被寫入政府工作報告,帶動電動垂直起降飛行器(eVTOL)引起廣泛關(guān)注。(YM)
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