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全固态电池量产竞速,中国EV电池地位将被动摇?

作者: | 发布日期: 2024 年 04 月 18 日 11:40 | 分类: 产业资讯

(一)全球EV电池市场规模不断扩大,中国主导地位不断增强

近年来全球电动汽车、储能等应用市场快速增长,驱动了锂离子电池蓬勃的市场需求。

数据显示,2023年锂电池总出货量首次突破1太瓦时(TWh),市场规模较2015年增长了十倍以上,其中电动汽车电池占据了70%以上的出货份额。未来随着电动汽车和储能市场的进一步成长,锂电池需求将继续扩大,预计至2027年全球锂电池出货量将攀升超3200GWh。

然而,20世纪90年代最早在日本实现商业化应用,并长期被日韩厂商占据领先地位的锂电池,二十多年后被中国超越。直到现在,在全球锂电池供应链体系中,无论是电池金属提炼、电池材料加工,还是电池的制造,中国都是全球的霸主。目前全球75%以上的锂电池产自中国,中国锂电池的制造能力全球领先。

同样的,在占锂电池市场需求最大的EV电池领域,目前全球前十大制造商中有六家总部位于中国,包括宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、亿纬锂能、欣旺达,且中国企业市场份额不断提升,而日韩企业的市场份额正逐年下滑,其中日本松下EV电池市场份额已下滑至6%左右,韩系厂商合计市场份额下滑至约23%。

如今中国在锂电池领域的竞争优势,日韩企业已难以超越,美国、欧洲由于本土锂电池产业基础薄弱,更是难以追赶中国。但是,随着下一代汽车电池技术——全固态电池技术的进步和突破,传统液态电池的地位正在受到挑战。

(二)下一代电池技术兴起

24年1月3日,大众旗下电池子公司PowerCo发布公告,确认其合作伙伴QuantumScape的固态电池通过首次耐久性测试,实现了1,000多次充放电循环,容量仍超过95%。此外,去年9月,美国另一家固态电池上市企业Solid Power表示,其生产的首批固态电池A-1样品已正式交付宝马进行汽车验证测试,宝马希望在2025年之前推出第一辆基于Solid Power固态电池技术的原型车。同时,丰田汽车去年也曾多次表示,其将在2027-2028年实现全固态电池技术商业化。

全固态电池技术,真有颠覆液态电池的潜力吗?

传统液态锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成,其中正极和负极材料扮演存储锂的角色,影响电池能量密度,电解液则主要影响充放电过程中锂离子的移动速率,一般使用液体(有机溶剂)作为电解质。然而,传统液态锂离子电池充放电过程中电极表面容易发生副反应,如负极表面形成的锂枝晶易刺穿隔膜,造成正负极短路从而导致电池起火,同时液态电解质为易燃物质,高温下或者电池遭受外部撞击发生短路时易燃易爆,因此液态电池的安全性面临较大的挑战。

相比液态锂离子电池,全固态电池中的电解质为固体,不易挥发或燃烧,且对温度稳定,不易分解,被认为是高度安全的。其次,固态电解质具有更好的稳定性和机械性能,其对锂枝晶具有更好的抑制作用,从而提高电池的安全性。

另一方面,传统液态锂离子电池由于自身电化学窗口窄,以及液态电解质与正极和负极材料的副反应,使可选择的材料受到限制,而固态电解质具有更宽的电化学窗口,以及更少的副反应,使得固态电池可选择的电极材料范围更广,可适配更高能量密度的活性材料,如基于锂金属负极制作的全固态电池能量密度可超过500 Wh/kg,而液态锂离子电池难以达到该水平,其能量密度理论极限为350 Wh/kg。目前传统液态锂电池能量密度已接近其理论极限,进一步提升的难度非常大。

此外,全固态电池还具有更好的温度适应性(-30-100℃)和高功率特性,有助于提升电动汽车电池的操作温度范围和快充性能。同时,由于无需液态电解质和隔膜,可降低全固态电池电芯重量,且电芯组装过程可以移除注液、脱气、成型和老化等工艺过程,使电芯的成组工艺简化。因此,综合来看,全固态电池所展现出的出色表现,确有颠覆液态锂离子电池的潜力。

目前,全固态电池尚未实现大规模生产,还面临一系列技术挑战,如电解质材料的批量制备、固态材料之间的界面稳定性/副反应等问题,以及电芯制备工艺、生产设备等环节还需攻克部分技术难题。尽管如此,在日韩、欧美等全球各国的高度重视下,全固态电池已取得了重要进展,有望在3-5年内实现量产。

(三)全固态电池的竞争,中国将被超越?

目前,全固态电池已成为下一代电池技术竞争的制高点,被日本、韩国、美国、欧盟等主要国家和地区列为国家发展战略,全球企业都在积极布局全固态电池。

全固态电池根据固态电解质技术路线的不同,主要分为聚合物、氧化物、卤化物以及硫化物固态电池,不同技术路线各有利弊,目前日韩多以硫化物全固态电池为主要技术路线。

从全球主要地区固态电池进展来看,日本研发起步早,在专利方面全球领先,积累了全球最多的固态电池专利技术,以丰田、日产等为代表的日企已表态将在2028年左右实现全固态电池量产。

韩国方面,三星SDI、SK on、LG新能源三大电池厂持续投入研发,其中三星SDI于2023年完成了固态电池试点生产线(S-line)的建设,计划2027年实现全固态电池的量产。

美国方面,全固态电池以初创企业为主,创新活力较高,其中QuantumScape、Solid Power等企业固态电池产品已进入A样,SES锂金属固态电池已进入B样,除此之外,Ampcera、Factorial Energy、24M Technologies、Ionic materials等美国企业都在加大固态电池技术创新。综合来看,2028年前后将成为全固态电池量产的关键时间节点。

中国虽然是目前全球最大的锂离子电池制造国,但在全固态电池专利布局方面中国厂商仍与国际企业存在较大差距。其次,中国固态电池技术路线多元,重点以半固态/固液混合为主,且半固态电池已实现小规模量产并装车,但在全固态电池方面的投入仍显不足,且力量分散,与国际领先企业相比存在较大差距。

因此,未来全固态电池的竞争,日韩、欧美等企业有机会超越中国,重塑未来EV电池的竞争格局。

但是,中国作为目前EV电池的霸主,也意识到了全固态电池的技术潜力,以及在国际竞争中被其他竞争对手超越的风险,开始重视和加强全固态电池的研发力度,并组建产业协同创新平台,加强产业链协同创新,迎接国际新一轮电池技术竞争。

文章来源:TrendForce集邦咨询

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