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“固态电池”将成锂电行业颠覆者

日期:2021-04-21    来源:中加创新中心

国际新能源网

2021
04/21
11:49
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关键词: 锂电池 固态电池 液态电池

目前,全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术。根据IDTechEx的一份报告,到2030年,固态电池的市场规模预计将超过60亿美元。

传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。固态电池则是使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。

丰田目前正在开发的固态电池汽车,在同等条件下的续航里程是采用传统锂离子电池的超过两倍;而且充满电只需要大约10分钟,相比于传统电动汽车缩减了至少三分之二。

固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。与传统锂电池相比,全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,固态电解质是固态电池的核心,电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数,如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。

按照电解质材料的选择,固态电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种体系电解质。其中,聚合物电解质属于有机电解质,氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质;按照正负极材料的不同,固态电池还可以分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系,如石墨+硅碳负极、三元正极)和固态锂金属电池(以金属锂为负极)

行业发展历程

固态电解质锂离子电池的理论研究可以追溯到1972年在贝尔吉拉泰(Belgirate)召开的北约“固体中的快速离子输运”会议上,斯蒂尔(Steele)讨论了合适的固态电解质的基本标准,并指出了过渡金属二硫化物作为电池正极材料的潜力。同年,阿尔芒(Armand)将Li/TiS2应用于以固态b-氧化铝为电解质的三元石墨正极中的Na+扩散,这是关于固态电池的第一份报告。

1. 萌芽阶段(1970年-1990年)

1970年至1990年为固态电池的初始阶段,在这一阶段固溶电极和“摇椅电池”概念诞生,科学家选择合适的电极和电解液。20世纪70年代,惠廷厄姆(Whittingham)提出并开始研究锂离子电池,采用硫化钛作正极、金属锂作负极,制成首个锂电池;阿尔芒(Armand)提出“摇椅电池”的概念。20世纪80年代,古迪纳夫(Goodenough)发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料;贝尔实验室制成首个可用的锂离子石墨电极;曼蒂兰(Manthiram)和古迪纳夫(Goodenough)发现采用聚合阴离子的负极能产生更高电压;萨克雷(Thackeray)和古迪纳夫(Goodenough)发现锰尖晶石是优良的正极材料。

2. 初始阶段(1990年-2000年)

1990年至2000年为液态锂离子电池的商业化阶段,在这一时期内,索尼(Sony)公司发明商业化液态锂离子电池;塔拉斯孔(Tarascon)和盖约马德(Guyomard)组装了第一个石墨“LiMn204”摇椅电池,证明LiMn204作为有前景低成本锂离子电池正极的可能性。

3. 发展阶段(2000年至今)

2000年以来为固态电池的兴起阶段,在这一阶段内,科学家也改进了液态锂离子电池。帕迪(Padhi)和古迪纳夫(Goodenough)发现具有橄榄石结构的磷酸盐和磷酸铁锂比传统的正极材料更安全、耐高温、耐充电;塔拉斯孔(Tarascon)和盖约马德(Guyomard)提出了一种基于LiPF6的EC/DMC电解质,是目前电池制造的标准电解液配方高比容量(vs. LiCoO2)、高电压(vs. LiFeP04)的NMC称为最普遍的正极;阿尔芒(Armand)提出固态聚合物电解质基础固态电池概念;同时他提出用于固态电池的新型亚氨基酸、锂迁移、锂负极保护方法固态电池技术。

行业市场规模

由于固态电池当前还处于实验室阶段,尚未有企业完成商业化量产,因此市场暂未大范围应用固态电池。因为固态电池和现有液态电池存在替换关系,我们将根据锂电池现有市场规模估算固态电池潜在的市场规模。根据中国电子信息产业发展研究院的数据,2019年中国锂电池产业规模为2058亿元。假设未来固态电池渗透率分别为:5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%,根据高禾投资研究中心估算,固态电池市场规模可以分别达到:102.9、205.8、308.7、411.6、514.5、617.4、720.3、823.2、926.1、1029亿元。

来源:中国电子信息产业发展研究院

行业产业链分析

固态电池产业链主要由正极、负极和电解质构成。固态电池产业链与液态锂电池大致相似,两者主要的区别在于上游的负极材料和电解质不同,在正极方面几乎一致。

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