无论是磷酸铁锂还是三元锂电池,都使用液态电解质传导离子,液态电解质都是有机化合物,一旦发生穿刺或者形成内部的锂枝晶造成短路等会引发起火燃烧。而固态电池没有液态电解质,它是无机电解质就不存在起火燃烧的安全隐患。

半固态电池

近日,在“2020 NIO Day”上,蔚来发布了首款搭载150kWh固态电池的ET7 轿车。这款电池能量密度达 360Wh/kg,续驶里程预计超过1000公里。随后几日,涉及固态电池的股票都有所异动。记者认为,或许是这个消息迅速引起股市波动。

蔚来没有透露固态电池供应商的名字,但是,投资人憧憬固态电池的市场前景。据东方财富网的资料显示,证券市场涉及固态电池概念的股票有宁德时代、天齐锂业、国轩高科等。这些上市公司是否给蔚来供应固态电池不得而知,但蔚来发布了搭载固态电池汽车的消息,或许给了投资人想像空间,吸引了资金持续流入。

1月15日,固态电池板块上涨3.63%,成交375.97亿元;1月18日,上涨0.34%,成交329.51亿元;1月19日回落-1.82%,成交351.98亿元;1月20日开始固态电池板块连续三天价升量增,呈现良好的形态。1月20日,上涨4.54%,成交368.05亿元;1月21日,上涨1.13%,成交419.17亿元;1月22日,上涨2.58%,成交425.18亿元。

数据显示,22日当天主力流入257.2亿元,主力流出234.9亿元,净流入22.32亿元。不仅主力看好固态板块,不少中小投资者也看好固态电池未来的前景。

此外,证券市场上几家涉及固态电池的企业本身质地都不错。数据显示,他们的毛利率都较高,天齐锂业为44.69%,天赐材料为41.27%,珈伟新能为38.82%,滨江集团36.58%,宁德时代27.41%,国轩高科25.40%。

固态电池的优势及难点

固态电池有哪些优势引发证券市场这么大的反应?天津斯科兰德能源科技公司总经理李积刚告诉记者,固态电池的强项弥补了现有锂电池的短板,目前还有几个不足之处有待完善。

无论是磷酸铁锂还是三元锂电池,都使用液态电解质传导离子,液态电解质都是有机化合物,一旦发生穿刺或者形成内部的锂枝晶造成短路等会引发起火燃烧。而固态电池没有液态电解质,它是无机电解质就不存在起火燃烧的安全隐患。

现有锂电池的电化学窗口比较窄,磷酸铁锂约为3.2伏,三元锂电池约为3.6伏,李积刚告诉记者,高镍材料可以做到更高的电压,但是,受限于六氟磷酸锂电解液体系的限制,与高电压不匹配。中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊在接受《中国汽车报》记者采访时表示:固态电池的化学窗口比较宽,可以有效匹配锂金属和高电压正极,电压越高储存的能量越多,固态电池的能量密度约为现有锂电池的2~3倍,甚至更高。

锂电池的循环寿命是一个重要性能指标,现有锂电池普遍不高。锂电池在充放电的过程中,正极材料会消耗一部分锂离子,导致电池的容量缩减,进而导致续驶里程下降。充电时从正极脱嵌的锂离子,并不会在放电时100%回到正极,这也导致锂离子越来越少。为了解决这个问题,电池企业研发了掺硅补锂技术,但不能从根本上解决锂离子被消耗掉的问题。而固态电池在充放电的过程中几乎没有锂离子的消耗,使得固态电池的容量在很长一段时间内保持稳定。

一般来说,固体物质的离子传导率不及液体,固态电池需要在固体与固体之间传输能量,离子传导率较低是短板之一。固态电池还存在界面问题,界面之间的阻抗比较大。这意味着电能在传输过程中发热损耗较大,降低电能的利用效率。

我国固态电池技术处于领先水平

目前全固态锂电池主要分为3种不同的技术路线:有机固态材料是聚合物,无机固态材料主要是氧化物和硫化物,研发历史都很悠久。据专家介绍,全球共有53家企业在布局研发固态电池,其中约9家专注从事硫化物固态电池。国内企业研发氧化物固态电池的比较多,技术水平属于全球领先。

2009年至今,中国科学院青岛生物能源与过程研究所组建了100余人的固态锂电池基础研究和工程开发队伍。崔光磊带领研究团队,在国际上提出“刚柔并济”聚合物复合固态电解质设计理念。他们用这套设计理念创建离子传输渗流通道,进而构筑多元协同体系,并研制大阴离子聚合物型硼酸酯锂盐,进一步提升电化学稳定窗口、室温离子电导率和离子迁移数,并先后研制出了单体能量密度200Wh/kg-300Wh/kg,单体容量可调、安全性能优良的系列化固态锂离子电池产品。

在国家重点研发计划新能源汽车专项支持下,研制出比能量达350Wh/kg,循环性能优异的固态锂离子电池产品,目前正在新能源汽车上进行示范应用。2020年,又开发出能量密度526 Wh/kg的固态锂金属电池,在无人机领域实现了示范应用。

2018年8月-10月,中科院深海所TS09航次科考船远赴马里亚纳海沟,崔光磊团队研发的固态电池为深潜器提供能源动力,共计完成27个潜次的作业,15次下潜深度超过万米,最大下潜深度10918米,单次下潜最长作业时间26天。深海潜水对安全要求极高,下潜26天不需要充电体现出固态电池能量密度很高。

硫化物固态电池有什么缺陷?

日本丰田曾传出推出固态电池汽车的消息,此后这个信息没有下文。据了解,日本主要研发硫化物固态电池。据专家介绍,硫化物是固态电池材料中唯一能超过液态电解液离子电导率水平的材料,但硫化物化学活性很强,与空气、有机溶剂、正负极活性材料反应都很强,尤其是与水接触后直接产生有毒有臭味的H2S。解决安全性问题是研发固态电池的初衷之一,硫化物技术路线并不一定会更安全,从成本考虑硫化物体系也更高。

汽车安全产业投资基金管理合伙人于维铭博士调研过固态电池企业,他告诉记者,充放电时,硫的生成物对电池内部有较强的腐蚀性,锂负极单体中,锂活性太强,不稳定,锂晶枝增长严重,两种因素导致正负极坍塌速度快,内部一致性很差,理论循环寿命500次,理想实验条件下达到300次左右,实际应用寿命只有现在锂离子电池寿命的五分之一,此外安全性很低,不易爆炸燃烧,但容易瞬间失效。

硫化物固态电池主要可用于军工、科研、极限探险等领域。目前,暂时不会成为商业化动力电池的主流。如果硫化物固态电池技术出现新的突破,解决了内部性能稳定性和周期寿命的问题,那么硫化物固态电池的离子电导率水平高的特性将极具优势。

多家企业布局固态电池专利

在这一趋势下,多家企业都开始布局固态电池专利领域。近日,宁德时代对外公布了两种固态电池的相关专利:一种固态电解质的制备方法,另一种硫化物固态电解质片及其制备方法。其中,引人关注的是一种固态电解质的制备方法,该基专利是将锂前体、中心原子配体分散于有机溶剂中,形成反应初混液;将硼酸酯分散于有机溶剂中,形成改性溶液;将反应初混液与改性溶液混合,干燥,得到初始产物;对初始产物研磨、冷压、热处理得到固态电解质。在本申请所提供的制备方法中,制得的硫化物固态电解质的离子电导率得到显著提升,从而也利于全固态电池的能量密度的发挥。

天赐材料在回答投资者问询时也提到,近年来,天赐材料持续投入了针对固态电池潜力方案的物质/技术和工艺的研发,目前已有相关专利布局。

除了上市公司之外,北京卫蓝、江苏清陶等企业在固态电池领域也拥有自己的核心技术。天齐锂业在回答投资者提问时说,目前通过成都天齐持有北京卫蓝新能源科技有限公司5%的股权,通过天齐锂业香港持有SES Holdings Pte. Ltd 10.83%的股权(SES Holdings Pte. Ltd持有SolidEnergy System Corp. 100%的股权),以期跟踪技术趋势和商业化进程,成为其关键材料的增值供应商。

2020年2月20日,北京市委常委会审议通过了《关于本市2020年固定资产投资调控思路及市政府投资和重点工程计划安排建议》,卫蓝新能源高能量密度固体锂电池项目被列为2020年北京市高精尖重点产业项目。

据前瞻产业研究院《2020年中国固态电池行业研究报告》,在固态锂电池领域,清陶能源申报的专利已近100项,开发的全固态电池单体能量密度可达到430Wh/kg,量产阶段可达到300Wh/g以上。

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[责任编辑:赵卓然]
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