近段时间,多家企业公布了全固态电池的技术进展或量产时间表,相关概念在资本市场上的热度持续攀升。截至7月8日,Wind固态电池概念指数近60日上涨了29.59%,部分成分股涨幅超100%。
什么是固态电池,为什么会被资本市场热捧?作为最具潜力的“下一代动力电池”,全固态电池从“技术预想”走向“产业现实”到底还有多远?
要回答这些问题,需要先从使用液态电解质的传统锂电池说起。它的结构就像一个游泳池,两头是正极和负极,中间是电解液,锂离子靠它来回游动完成充放电,隔膜则是那层防水网。
传统锂电池在过度充电、撞击、高温等情况下,容易发生隔膜破损,导致内部短路。一旦短路,电池温度会急剧上升,可能引发燃烧甚至爆炸。另外,从材料层面来看,传统锂电池已经接近其理论能量密度的极限(350Wh/kg),若通过增加正极载量、减薄隔膜等方法强行进一步提升能量密度,将会突破安全边界,引发不可控风险。
相比传统锂电池,由于使用固体电解质作为锂离子的传输介质,固态电池的热稳定性更好,高低温性能的可拓展性也更强,具有能量密度高、安全性强、体积小、寿命长等优点。
“全固态电池能量密度可以达到500Wh/kg甚至更高,充放电循环寿命超过1000次。”国轩高科股份有限公司(以下简称“国轩高科”)固态电池研发负责人潘瑞军说。
正是基于这一系列优势,业界很早就开始了固态电池的研究。近年来,随着新能源汽车规模快速扩大、新型储能崛起以及低空经济“起飞”,固态电池引发了全球在材料研发、专利布局和产业标准等维度的新一轮竞争,并成为重构新能源产业格局的关键技术制高点。
目前,美国、日本、韩国等传统电池强国相继出台了固态电池支持政策,设立了远期战略目标。我国也印发了《新型储能制造业高质量发展行动方案》等一系列文件,明确提出要加快固态电池的研发应用,建立全固态电池标准体系,加速其产业化进程。
固态电池的发展状况究竟如何?广东新型储能国家研究院有限公司电化学储能研究所负责人王超告诉记者,当前已产业化应用的固态电池均为半固态电池,即电解质并非100%全固态,仍有约10%的液态电解质,其能量密度、安全性等性能相较传统锂电池并未实现跨越式发展。而全固态电池还处于技术突破和小规模上车验证阶段,企业的量产时间表多集中在2027年至2030年。
据悉,国轩高科日前发布的70Ah全固态电芯能量密度达到350Wh/kg,较去年提升150%,该产品中试线已形成0.2GWh产能,良品率达到90%,正同步设计年产能2GWh的量产线。丰田、宁德时代等企业则计划2027年推出首代全固态电池,2030年量产第二代产品。
王超表示,界面接触、热稳定性及高成本等瓶颈,叠加适航认证与市场需求的不确定性,使得固态电池全面商业化进程受到制约。他判断,全固态电池将率先在低空经济与高端消费电子领域实现规模化应用,到2031年,eVTOL(电动垂直起降飞行器)电池市场规模或达百亿元级。航空动力领域,2025年至2027年,全固态电池的应用将主要聚焦于无人机场景,市场规模预计在50亿元至80亿元左右;随着载人eVTOL逐步商业化,以及能量密度提升至500Wh/kg的锂金属电池的出现,2028年至2030年,固态电池的市场规模预计将突破300亿元;长期来看,市场将扩容至千亿元级。
潘瑞军也认为,全固态电池实现量产落地还需要解决三大问题。首先,硫化物电解质材料目前还不成熟,价格昂贵,影响它的大批量生产,接下来,如何将硫化物电解质的材料成本降下来是关键;其次,如何把电芯在低温、低压工况下的倍率和循环性能提上去;此外,需要找到合适的应用场景,在不考虑成本的情况下把硫化物电池的高安全、高能量密度的特点发挥出来。
综合来看,未来5年既是全固态电池技术突破的关键攻坚期,也是产业链生态的战略整合期。王超说,作为新型储能领域的国家级创新平台,国家新型储能创新中心将汇聚创新资源,组织跨学科协同攻关材料改性、界面工程及规模化制备技术,形成全固态电池的材料、电芯、系统集成试验制备能力,打通科技成果转化最后“一公里”,为产业链上下游科创企业,提供中试验证与检测以及供电网环境下的实证服务。