半固态与固态电池之电池技术升级

莱阳妞妞 · 发表于 2023-2-9 08:54:54

1.1. 定义
固态电池指使用固态电解质代替电解液的锂电池。根据固态电解质用量的关系，可以将其细分为半固态电池和全固态电池两大类：
1）半固态电池：电解质采用固液混合形态，电池中液体（电解液）质量占比5-10%左右。本质上是液态锂电池和全固态电池的折中方案。
2）全固态电池：完全使用固态电解质代替电解液。
一般将"电池内液体质量占比10%"作为半固态电池和液态电池的分界线。
1.2. 驱动因素
从液态电池向固态电池的转化，从长期来看是电池技术发展的大趋势。推动这一转化的原因主要有安全性、能量密度两点。我们认为车企采用固态电池替代液态电池，安全性为短期驱动因素，能量密度为中长期驱动因素。
安全性主要包括热稳定性和锂枝晶两大问题。1）热稳定性：即隔膜熔化导致正负极短路的问题。液态锂电池隔膜材料PP/PE聚合物的玻璃化转变温度约为140-160度，经过涂覆处理后可提升至160-180度。但超过此温度后，聚合物会转化为流动态，导致正负极直接短路。2）锂枝晶：即锂枝晶刺穿隔膜导致电池短路起火的问题。锂离子在充放电过程中会部分还原，沉积在极片上形成锂枝晶，锂枝晶生长到一定程度将刺穿隔膜，导致电池短路起火。
短期来看，安全性是车厂采用半固态/固态电池的主要考量因素。液态锂电池由于短路起火概率较高，在威胁车内乘客安全的同时，也增加了车辆因安全问题召回的概率，为车厂带来额外成本负担。
能量密度指固态电池通过引入新型负极材料（硅基负极、金属锂负极）及正极材料（镍锰氧LNMO，层状富锂锰等）实现能量密度提高。目前应用高镍三元+硅碳负极的液态电池（例如4680）能量密度约为300wh/kg，但固态电池在应用新型材料后，能量密度可提升至500wh/kg以上。但新型材料的电压较高，超出电解液适配的极限，因此必须配合固态电解质才能应用于电池中。
短期来看，能量密度并非车厂的主要考量。目前高能量密度的811/NCA三元正极由于安全性较差、原料价格高等原因，尚未占据主导地位，因此液态电池的平均能量密度仍有提升空间。且目前金属锂负极等新材料仍有较多技术问题尚未解决，我们预计第一代半固态/固态动力电池仍将采用现有的三元+石墨（或硅碳）材料体系。
需要注意的是，安全性和能量密度之间也存在联系，例如应用金属锂负极后，锂枝晶问题更加严重，对电池安全性也提出更高的要求。
1.3. 技术迭代路径
从液态电池到固态电池的技术迭代路径大致遵循"固态电解质-->新型负极-->新型正极"的顺序，如下表所示：
Step 1: 引入固态电解质，保留少量电解液，正负极仍为三元+石墨（或硅碳），但可能采用负极预锂化技术提高能量密度。
Step 2: 用固态电解质完全取代电解液，正负极仍为三元+石墨（或硅碳），但可能采用负极预锂化技术提高能量密度。
Step 3: 在Step 2的基础上，用金属锂取代石墨负极，正极仍为三元材料。
Step 4: 在Step 3的基础上，用硫化物/层状碳/层状富锂锰等材料取代正极。
表：固态电池技术迭代路径
图：不同阶段固态电池技术示意

2. 和液态电池的比较
2.1. 结构方面
和液态电池相比，半固态/固态电池最大的特点在于引入了固态电解质。以取代现有的电解液+隔膜的电池构成。但半固态电池和固态电池的结构又有所不同：
半固态电池：保留部分电解液和隔膜结构。半固态电池出于提高导电能力的需求，在加入固态电解质的同时，仍保留了少量电解液，也因此需要隔膜作为分隔正负极的结构。另外根据不同的技术路线，固态电解质也有颗粒状和膜状等多种结构。
全固态电池：不保留电解液，隔膜不确定。在全固态电池中，电解液将被固态电解质完全替代。隔膜是否被替代，要视不同技术路线而定。在一些固态电池技术方案中，隔膜被保留作为支撑极片的架构；而另外一些方案中，隔膜则被完全取消。
图：固态、液态锂电池对比

半固态、固态电池对电池各类主材及辅材需求的影响如下：
1.电解液：短期需求将有所抑制，长期将被显著替代，更换为固态电解质。短期来看，我们预计半固态电池商业化应用的概率更大，因此电解液仍将有一定的应用；但长期（5年以上）随着全固态电池的渗透率提升，电解液将被显著替代。
2.隔膜：短期不会被替代，长期视主流技术路线而定。短期来看，在半固态电池率先产业化的前提下，隔膜仍是电池至关重要的核心材料。长期来看，随着全固态电池的普及，隔膜是否被取代要看哪种技术路线占优。
3.三元/石墨正负极：短期替代效应不大，长期将被取代。现有的三元/石墨正负极结构可兼容固液混合/固态电解质结构，鉴于正负极新型材料应用仍需时间，三元/石墨正负极仍将有广泛应用。长期来看，其将被金属锂/层状富锂锰等取代。
4.结构件：固态电池封装技术以软包为主，方形、圆柱构型较为少见，对结构件的需求不大，但会增加铝塑膜的需求。
5.铜箔、铝箔：和正负极的更新换代保持一致。
6.导电剂等辅材：会更新换代，但不会被替代。
2.2. 优劣势
2.2.1. 优势：
1.能量密度：固态电池能量密度相较液态电池是否有提升，要视不同的正负极材料而定。
1）我们预计第一代固态电池由于继续采用传统三元/石墨正负极材料，其能量密度相较液态电池提升并不显著。由于固体密度大于液体，若用同等体积的固态电解质取代电解液，电池的重量将会增加，导致以重量计算的电池能量密度(wh/kg)下降。而短期内，由于金属锂等材料实用化仍面临较大瓶颈，首代固态电池仍会采用三元/石墨正负极材料。虽然可以配合负极预锂化等技术提升一定的能量密度，但和电解质增重后的能量密度降低相对冲，总体能量密度提升幅度较小。2）后续固态电池由于采用新型正负极材料，能量密度将有显著提升。随着金属锂、层状富锂锰、硫化物正极等新型材料的应用，固态电池的能量密度将显著突破液态电池300wh/kg能量密度的上限。
2.安全性：半固态/全固态电池采用固态电解质，安全性相较液态电池显著提升，其中全固态电池的安全性更高。
1）锂枝晶方面，固态电解质可抑制锂枝晶生长速度，且锂枝晶较难穿透固态电解质造成正负极短路；2）可燃性方面，固态电解质的燃点高于电解液，电池不易起火；3）热稳定性方面，不同成分的固态电解质耐热极限差异较大（400度-1800度不等），但均显著高于液态电池隔膜的耐热极限（160度）。半固态电池由于保留少量电解液，安全性稍差于全固态电池，但仍旧大幅优于液态电池。
2.2.2. 劣势：
性能：全固态电池由于固态电解质导电率差，电极和电解质界面接触不良，使得内阻较大，循环性能及倍率性能差。半固态电池由于保留电解液，上述性能相较固态电池稍好一些。1）导电率上，现有的固态电解质导电率（即锂离子迁移速率）相较液态电解质低1-2个数量级，电导率低导致电池内阻大。2）界面接触上，固态电池面临固-固界面接触难题：电极材料会随着充放电过程膨胀及收缩，液态电池由于电极材料浸润在电解液中，二者可长期保持稳定接触；而固态电池随着正负极膨胀收缩，容易和电解质颗粒之间产生缝隙，导致界面接触变差，长期充电循环会加大固态电解质破裂或和电极分离的可能。半固态电池由于保留少量电解液，可以部分弥补导电率低、界面接触差的问题。
其他技术问题：锂枝晶可能会折断，导致"死锂"情况发生，降低电池容量；金属锂循环过程中出现多孔，体积无限膨胀。
成本：电解质成本显著高于现有电解液，显著提高半固态/固态电池成本。【核心在于找出半固态电解质的成本】
3. 技术路线
3.1. 电解质
按照电解质化学成分划分，固态电池可分为聚合物、氧化物、硫化物电解质三种类型。
1）聚合物电解质：易加工，耐受高电压，制备成本低，技术较成熟，已实现小规模量产，产品性能与电解液类似。但离子电导率和循环寿命有待提高，界面电阻高，容易脆裂。
2）氧化物电解质：导电率高于聚合物，耐受高电压，但界面电阻高，固-固接触会持续变差，且对空气较敏感。布局企业包括清陶、卫蓝、辉能、赣锋、宁德等。
3）硫化物电解质：导电率和能量密度最高，接触性好，且容易加工。但温度范围较窄（60-85°C）。布局企业包括松下、三星；宁德、清陶，SolidPower等。
图：全固态电池电解质技术路线

3.2. 正负极
正极：目前半固态电池正极以三元高镍为主，全固态电池以氧化物正极作为主要路线，未来工艺成熟后，可能切换到尖晶石。
负极：短期内以石墨负极和硅碳负极为主，长期有望切换至金属锂。
图：固态电池正负极种类

4. 制造工艺
4.1. 半固态电池
半固态电池仍需要电解液，其制造工艺和液态电池相差不大。不同的地方在于混浆，以及负极预锂化，原位固态化（将部分电解液转化为固态电解质）几个环节。
图：卫蓝新能源半固态电池制备工艺

4.2. 全固态电池
4.2.1. 成膜工艺
固体电解质的成膜工艺是全固态电池制造的核心。不同的工艺会影响固体电解质膜的厚度和离子电导率，固体电解质膜过厚会降低全固态电池的质量能量密度和体积能量密度，同时也会提高电池的内阻；固体电解质膜过薄机械性能会变差，有可能引起短路。
成膜工艺可分为湿法工艺、干法工艺和气相沉积工艺三种。
湿法工艺操作简单，工艺成熟，易于规模化生产，但成本高，且采用的溶剂可能具有毒性，残留的溶剂会降低固体电解质膜的离子电导率。按照载体不同，湿法工艺可分为模具支撑成膜、正极支撑成膜以及骨架支撑成膜。模具支撑成膜常被用于制备聚合物电解质膜及复合电解质膜，将固体电解质溶液倾倒在模具上，随后蒸发溶剂，从而获得固体电解质膜，通过调节溶液的体积和浓度来控制膜的厚度。正极支撑成膜常用于无机电解质膜及复合电解质膜的制备，将固体电解质溶液直接浇在正极表面，蒸发掉溶剂后，在正极表面形成固体电解质膜。与模具支撑相比，正极支撑可以获得更薄的固体电解质膜和更好的界面接触。骨架支撑成膜常用于复合电解质膜的制备，将固体电解质溶液注入骨架中，蒸发掉溶剂后，形成具有骨架支撑的固体电解质膜。
图：制备工艺

》
干法工艺不需采用溶剂，成本低，成品膜电导率高，但成膜厚度偏大。干法工艺将固体电解质与聚合物粘结剂分散成高粘度混合物，然后对其施加足够的压力使其成膜。干法工艺的优点是不采用溶剂，成膜无溶剂残留，离子电导率高，直接将固体电解质和粘结剂混合成膜，不需要烘干；成本低。干法工艺的缺点是形成的固体电解质膜通常厚度偏大，会降低全固态电池的能量密度。
气相沉积法成本较高，应用较窄。气相法包括化学气相沉积，物理气相沉积，电化学气相沉积和真空溅射沉积等固体电解质膜制备工艺。这些方法是在电极上形成超薄电解质膜。气相方法的成本较高，只适用于薄膜型全固态电池。
4.2.2. 装配工艺
固态电池通常采用软包的方式集成。可按照裁片与叠片的先后顺序将叠片工艺分为分段叠片和一体化叠片。
分段叠片（图a）沿用液态电池叠片工艺，将正极、固体电解质层和负极裁切成指定尺寸后按顺序依次叠片后进行包装；
一体化叠片（图b）是在裁切前将正极，固体电解质膜和负极压延成3层结构，按尺寸需求将该3层结构裁切成多个"正极-固体电解质膜-负极"单元，并将其堆叠在一起后进行包装。
图：固态电池叠片工艺

为解决界面接触问题，对于聚合物全固态电池，可以通过加热解决聚合物电解质膜同正负极间的界面电阻；对于氧化物和硫化物电解质膜，则需要进行压制处理改善固体电解质与电极之间的机械接触。
4.3. 不同技术路线固态电池制备工艺比较
聚合物全固态锂电池制备工艺的特点是通过干法和湿法工艺均可制备复合固态正极和聚合物电解质层；电池组装通过电极与电解质间的卷对卷复合实现；干法和湿法都非常成熟，都易于制备大电芯；易于制备出双极内串电芯。其问题是成膜均一性难以控制；难以兼容高电压正极材料，导致能量密度不高；受醚类聚合物电解质材料限制，电池往往在高温下才能工作。
薄膜全固态电池的正极集流体、正极、LIPON、负极集流体、金属锂负极、外包装保护层均通过真空镀膜技术制备，成本不低，详见4.2.1节。
硫化物全固态锂电池干法工艺的特点是节省去溶剂工艺制备成本及节约制备周期；无其他物质（溶剂）对电解质的影响；干法电池性能更稳定。其问题是制备大容量电池困难；电解质层厚度较厚，阻抗较高；粉末压实需要较高平压压强（10t/cm2）。
氧化物全固态锂电池的制备过程是正极和固态电池电解质材料的制备通过球磨的方式分别进行；使用高频溅射法，将固态电池溅射到正极材料表面；将复合好的正极-电解质材料进行高温烧结；通过电子束蒸发法将负极分布到电解质材料上。
5. 产业端发展情况
5.1. 电池供应商
目前国内的半固态电池开发商主要有卫蓝新能源、赣锋锂业、孚能科技、国轩高科、清淘能源几家，均已实现半固态电池产业化。下表为各公司产品简要对比：
图：主要半固态电池厂商产品对比

5.1.1. 卫蓝新能源
概况：公司背靠中科院物理所，是物理所在固态电池领域的唯一产业化平台。
竞争优势：
1）与物理所合作（全固态电池这块有40多年的技术积累），继承核心专利
2）掌握原位固化技术等八大核心技术，缩短上线时间，压缩成本（公司和国内几家公司相比最核心的不同，在于用原位固态化的技术来施行固液和全固态电池的开发）；
图：卫蓝新能源核心技术
3）研发投入大，处于国内领先地位；
4）提前布局专利，防范未来风险 (截止21年7月，相关专利200多项，21年突破300项，国际专利目前申请完4项，正在申请3项)；
5) 产业联盟广泛，平台客户多
图：卫蓝新能源电池性能
产能：目前公司已经规划了北京房山、江苏溧阳、浙江湖州和山东淄博4大生产基地。
1）山东淄博基地：22年2月开工建设，项目一期投资102亿元，规划年产能20GWh。
2）浙江湖州基地：21年10月启动湖州基地车规级固态动力电芯产业化工程项目建设，产能2GWh，22年6月全面建成投产，22年11月基地正式下线第一颗固态动力电芯；22年11月湖州基地签约20GWh固态电池项目，总投资139亿，项目达产后预计实现年销售收入200亿元。
3）房山基地：规划产能8GWh，预计23年建成。
4）江苏溧阳基地：21年7月已建成0.2GWh产能（中试线）
图：卫蓝新能源研发及产业化布局（截止22年1月，部分数据已更新）
来源：卫蓝新能源交流会
产品：卫蓝新能源已经开发了150Wh/kg的针对大规模储能的本质安全的固液混合储能电池、270Wh/kg针对无人机的高比能混合固液电池、300Wh/kg混合固液的动力电池。22年推出350wh/kg以上的半固态电池产品，24~25年会推出400wh-500wh的产品。
图：卫蓝新能源电池开发技术路线
成本：电解质300元/公斤，氧化物电解质厚度10um左右，如果能实现10GWh产能，制造成本可以和液态电池持平。
上下游布局：
1）公司目前专注电芯制造：不涉及上下游材料产业链。pack需交给第三方厂商完成（例如蔚来ET7配套的半固态电池由国轩进行pack）
2）产业链合作：
21年11月，恩捷、北京卫蓝、天目先导携手共建固态电解质涂层隔膜项目，总投资13亿元。
22年4月，与容百科技签订协议，计划在全/半固态电池和材料领域展开全面深度合作的同时，还与容百科技约定三年购入不低于3万吨的固态锂电正极材料订单。
22年8月，与天齐锂业共同投资成立天齐卫蓝固锂新材料，经营范围包括电池回收及梯次利用、电子专用材料销售研发、资源再生利用技术研发等。
产品：NIO 150KWh电池包：蔚来汽车在1月9日的2020蔚来日（NIO Day 2020）发布会上，发布了由卫蓝新能源研制的150KWh半固态电池包，并宣称其能量密度可达360Wh/kg，搭载该电池包的ET7车型可实现1000km+的续航。卫蓝新能源创始人曾于22年3月表示，该款电池包预计于22年末或23年上半年量产。该款半固态电池包的核心创新点为采用原位固化(in-situ solidification)技术，通过在电池内部加入液态电解液，进行加热后，一部分和极片接触紧密的电解液转化为固态电解质，和隔膜构成"正极/固态电解质/隔膜/固态电解质/负极"的结构。原位固化技术使得固态电解质能和正负极颗粒紧密结合，改善正负极界面性能。隔膜仍是该电池的关键材料，且电解液用量不变。为提升能量密度，该款电池还采用纳米包覆高镍正极，以及无机预锂化技术的硅碳负极。倍率性能方面，该款电池可以实现3C的连续放电，最大放电倍率可达到7C。
评价：NIO 150KWh电池包仍属于半固态电池的范畴，仍需使用电解液和隔膜。其核心创新点为原位固化技术形成的固态电解质，相比初级半固态电池改善了界面层接触性能和热稳定性、安全性。但成本相较液态电池应有显著增加，且不具备高技术壁垒（头部电池企业基本已掌握纳米包覆高镍正极及无机预锂化等技术）。
5.1.2. 赣锋锂业
研发主体：赣锋锂业的固态电池研发主要通过下属子公司——江西赣锋锂电有限公司进行。
技术路线：
1）半固态电池：目前已完成两代的产品开发。采用氧化物电解质，一代产品能量密度235-280Wh/kg,能量密度提升不显著，但安全性增加；二代产品采用高镍三元正极+含金属锂负极的材料，能量密度达400Wh/kg，循环次数400+（纪要数据600+）；此外能量密度超过420Wh/kg的金属锂负极固态电芯已在特殊领域应用。
2）全固态电池：采用硫化物体系，技术尚不成熟，预计5-6年后量产。
*公司21年报提到正进行"高安全长寿命LFP-Li固态电池开发"，可能也在探索铁锂+固态电解质的方案？但并未查到其他公开资料。
专利储备：公司在固态电池及相关材料领域已布局国内专利150余项，国际专利5项，获授权专利近80项，在国内固态电池排名前列。
产业化情况：一代半固态电池已经量产（搭载东风E70车型）；二代技术已经成熟，2021年一季度完成B样开发，2022年一季度完成C样开发，预计2023年一季度完成SOP阶段。
产能：
多个基地布局固态电池产线
1）第一代半固态电池中试线产能0.3GWh。
2）重庆两江新区基地：21公司年报披露在重庆建设年产10GWh锂电池产业园和先进电池研究院项目（研究院针对固态电池），22年7月该基地开工建设；22年8月公司公告披露该项目产能扩大至20GWh，预计24年内投产，项目产品包括第二代固态电池、磷酸铁锂电池等。
3）江西基地：一期规划产能5GWh，22年1月投产，22年8月公司公告披露该项目产能扩大至10GWh，其中新增5GWh 年产能包括新型锂电池项目和高比能固液混合锂动力电池研发产业化项目，预计23年内投产。
4）东莞基地：公司23年1月公告称将在东莞市投资建设年产 10GWh新型锂电池及储能总部项目，项目建设内容包括磷酸铁锂、半固态电芯、轻型动力电池、户外便携储能电源、户用储能、工商业储能系统等研发基地及生产线。
5）重庆涪陵高新区基地：公司23年1月公告称，将于重庆涪陵建设年产 24GWh动力电池项目，产品规划包括磷酸铁锂电池、三元锂电和固态电池、BMS电源管理系统开发、电池研发及测试中心等
22年规划产能：2GWh, 用于第一代固态电池产品（22年5月公司在投资者调研中表示，预计规划的2GWh第一代固态电池产能在22年逐步释放）
成本：材料成本比液态电池减少，因为电解液用量减少+增加的材料价格便宜；制造成本短期较高，长期上规模后可能下来，但不确定。
上下游布局：目标是覆盖整个电池产业链，实现正负极、电解质的自产。公司2021年扩产7000吨金属锂及锂材料项目，包括金属锂冶炼、锂系列合金、固态锂电池负极材料等生产线。同时年报披露在建宜春赣锋年产1000 吨固态电池负极材料项目，产业链布局使得公司内部可以形成很好的固态电池技术的生态链。
合作客户：主要是东风汽车。二者从2018年开始共同开发半固态电池，2022年1月首批搭载半固态电池的50辆东风E70车型实现交付，将作为示范运营车辆开展运营。
战略合作：
1）与东风汽车：2021年7月，赣锋锂电就与东风公司技术中心签约，双方就固态电池示范运营合作进行洽谈，并签订固态电池E70车型示范推广协议。
2）与广汽埃安：2022 年 8 月，公司与广汽埃安签署战略合作协议，广汽埃安承诺支持公司在新型电池领域（如
固态电池）的开发工作。
图：赣锋锂业固态电池开发历史
产品：东风E70固态电池系统，续航里程500km+。模组采用铝合金框架+上下高精度拼缝激光焊接技术，减少冗余结构设计，提升整体成组率至86%以上，领先于软包模组行业平均水平。
图：东风E70固态电池模组
来源：锂电产业通
5.1.3. 孚能科技
1）半固态电池：第一代产品：引入半固态凝胶电解质，显著降低针刺过程电池温度，可通过100%SOC刺穿测试。此外循环寿命显著提升（常温循环可达2000次，容量保持率85%以上，同等条件下普通液态电池循环1200次，容量保持率只在80%左右）。第二代产品：将对固态电解质材料和电解质膜进行优化，优化的电解质膜成膜性好，200℃无明显的热收缩，遇火只冒烟不起火，能通过电芯针刺实验，同时电池能量密度、高低温、倍率性能、循环寿命等性能不受影响。公司还计划推出第三代半固态电池产品，但具体性能未透露。
2）全固态电池：采用硫化物电解质，公司未公布具体进度。
第一代产品性能：能量密度330Wh/Kg，高镍电池达到了NO TP的安全目标，使电池产品同时实现了高安全、高能量密度、快速充电和长循环；产品充电时间由之前的42min缩短到18min（充70%电量），产品的功率特性与循环寿命（>3000次）表现优异。
产品应用：22年9月孚能科技正式推出全新动力电池解决方案——SPS（SuperPouch Solution），包括半固态电解质的大软包电芯产品，与搭载4680 圆柱电池的车型相比，电池包体积利用率高出 12%，拥有 3 倍循环寿命，还具备 10 分钟补能 400km 的快充能力。
产业化情况：公司第一代半固态电池22年1月已送样客户，获得了良好反馈，22年9月已量产装车，第二代半固态技术进入产业化开发阶段。此外，装备该公司产品的奔驰EQS在欧洲市场也开始接受订单。公司镇江一期产线稍加调整后即可适用于生产未来330Wh/Kg产品。未来公司建设类似285Wh/Kg产线，从产能爬坡开始到目标值至少缩短30%以上时间。
5.1.4. 国轩高科
1）半固态电池：22年5月发布首款半固态电池产品，尺寸为580mm*120mm*9mm，重量为1341g，容量为136Ah，单体能量密度达360Wh/kg。同时，400Wh/Kg的三元半固态电池目前在公司实验室已有原型样品。
2）全固态电池：公司未来还将通过技术创新落地硅基负极迭代，锂金属负极和预锂技术，加速液态电池向半固态过渡，最终实现全固态。目前公司尚未研发出全固态电池产品，预计2025年后将生产出能量密度超过800Wh/L、超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。
产业化情况：据公司公告，公司360Wh/kg高比能半固态电池通过新国标安全测试，已经进入产业化阶段，首批电池已获得某高端新能源汽车企业的量产定点，配套车型的电池包电量达160KWh，续航里程超过1000km。产品22年底实现装车，预计23年批量交付。
5.1.5. 宁德时代
技术路线：以硫化物为主，对于硫化物体系的开发，宁德时代给出的主要策略包括：改善正极和固态电解质的界面相容性、开发混合工艺、硫化物的掺杂改性、开展全固态电池制造工艺（如均匀涂覆、热压）等等。
专利储备：公司研发固态电池多年，自2013年起已有相关专利储备。
表：宁德时代固态电池相关专利

产业化情况：据投资者调研，宁德时代在固态电池研发方面深耕多年，目前处于第一梯队，公司21年5月已经可以做出固态电池样品，但是距离实现固态电池商业化还有很远的路要走，宁德预计固态电池至少2030年才能实现量产。
5.1.6. 清淘能源
概况：公司以实现固态锂电池的产业化为核心战略，率先实现了固态锂电池的产业化，建有国内首条固态锂电池产线和全球首条固态动力锂电池规模化量产线。公司先后获得了北汽、上汽、广汽、中银投和上海科创等机构的战略投资，目前公司估值超百亿，正抓紧筹备登陆科创板。
研发团队：清华大学南策文院士团队领衔创办
1）第一代产品：半固态（已量产），电解质以氧化物为主，体系中含有特殊配置的浸润液体，正极和负极材料和目前液态锂电池材料类似，目前产线70%的设备和目前的液态电池体系是共用的，有30%的设备是创新设备。预估能量密度上限为420Wh/kg。
2）第二代产品：固态（正在中试），浸润液的含量降到5%以下，正极材料仍然采用高镍的材料，同时尝试高电压的平台，负极材料是含锂的复合负极，与第一代产品较大的差别是没有中间的隔膜材料，预计产线设备中60%为新创设备。公司总经理22年8月表示，第二代产品预计2年后实现量产。
3）第三代产品：全固态产品（规划中，尚未有实验室样品）。这一代产品中间没有任何的液体，目标解决能量密度突破500Wh/kg的问题，正极材料为无锂或缺锂，以无机材料为主制备固态电解质。预计整条产线上除了最后的分溶设备以外，其他的设备和目前的液态电池体系完全不兼容。
成本：
1）第一代产品通过满负荷生产和规模化的应用，已经做到了和液态锂电池成本相当。
2）第二代产品，由于制程的大幅缩短，且单体能量密度大幅提升，公司预计单位成本与液态电池相比有20%的下降空间。
3）第三代产品：由于完全没有液体，制程进一步的缩短，公司预计单位成本与液态电池相比有40%的下降空间。
产品：已开发出四大类固态锂电池产品，具体如下：
1）高安全便携式设备电源，主要应用在智能穿戴装备、儿童电子用品、异形空间等场景；
2）特种环境安全电源系统，主要应用在分布式设备电源系统、密闭环境电源系统等场景；
3）电动智能出行安全动力电源，主要应用在电动汽车、轨道交通、短途出行工具、特种车辆等场景；
4）轻量化高比能动力电源，主要应用在飞行类设备、高端乘用车等场景。
技术路径：
1）达产：宜春清陶动力固态锂电池项目（一期）投资5.5亿元，21年达产，年产能1GWh。
2）在建：昆山清陶新能源固态锂电池产业化项目22年2月开工，预计23年5月完成土建施工，23年年内投产，建筑面积约28万平方米，总投资50亿元，达产后预计新增产值100亿元，新增产能10GWh。
战略合作：公司与当升科技、利元亨、翔丰华、上汽、北汽新能源、合众新能源等多家上下游企业达成战略合作。其中，公司22年7月与上汽集团创新研究开发总院共同挂牌成立了固态电池的联合实验室，面向新一代的固态电池进一步合作开发。
产业化情况：
1）乘用车领域：
20年7月搭载清淘固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试，成功下线。
搭载清淘固态动力锂电池的哪吒U汽车20年下半年于工信部申报
21年初开始与上汽集团联合开发，21年8月实现电池包的交付，21年11月完成实车测试，测试结果综合续航1083公里。电池单体的能量密度368Wh/kg，电池包能量密度255Wh/kg，可量产，实车交付6辆。
2）特种应用领域：
大功率应用方面，一些特殊的大国重器上需要持续大电流的放电，通过固态电池可以减少武器装备的体积。目前已有实际应用。便携式应用方面，在无人机、个人互动装备等方面已有批量应用。储能方面，固态电池在储能应用领域最大的核心特点是安全，清陶正进行渗透和布局。
3）其他领域：21年固态能量舱产品在金融领域成功推广，22年8-12月该产品成功交付昆山市第一人民医院新院区（昆山东部医疗中心）和苏州昆山奥体中心（昆山足球场）项目。
5.1.7. 辉能科技
技术路线：202210月巴黎国际车展上，辉能科技推出了新一代硅负极固态电池。据辉能科技介绍，硅基负极材料是新型动力电池发展的关键推动力之一。对于当前的液态型动力电池来说，由于硅基负极存在的膨胀难题，硅材料占负极成分的比例很难超过10%。辉能科技克服了这一难题，全球首发新一代100%硅氧负极的固态电池。此次发布的新电池产品能量密度可达到295-330Wh/Kg。
产业化情况：17年试产线开始投产，并已累积超过 4 千个质量控制点、99.9%的单层电芯良率及 94%的多层电芯良率，已提供超过8千颗由全自动试产线生产的固态电池样品。规划3GWh 产能的量产线预计23 年初投产，23年底达成；同时，22年10月发布的新一代电池产品预计于2023Q1送样。
1）与奔驰：22年1月，梅赛德斯-奔驰与辉能科技签署了共同开发下一代电池的技术合作协议，奔驰投资金额达数百万欧元。首款搭载全新的固态电池车型预计将在未来几年推出，并将逐渐在未来五年搭载在一系列乘用车当中。
2）与FEV：22年6月，FEV宣布与辉能科技签订合作意向书，将基于辉能科技独家的固态电池技术，结合双方的专业知识携手开发固态电池能源储存方案。（FEV集团是一家独立的国际领先、拥有自主整车及动力总成软硬件开发能力的服务供货商，总部位于德国亚琛）
5.2. 电解质及原材料供应商
5.2.1. 东方锆业
产品：
1）氯氧化锆：制造二氧化锆、复合氧化锆的主要原材料。
2）二氧化锆：可用于三元系新能源电池正极材料添加剂，能够起到增加电池循环寿命、提高能量密度等作用。公司在投资者调研披露称，单位固态电池对二氧化锆的需求相较单位三元系新能源电池的需求大幅提高，如果固态电池量产后，二氧化锆的需求将爆发增长，该产品将显著提升公司的业务规模和盈利水平。
3）氧化锆、氧化钪：可用于制作固态电池电解质材料，同时可作为固态电池正极添加剂。
产业化情况：据公司公告，锆产品在固态电池上的应用仍处于试验阶段，需要3-5年才有投入生产计划，公司已提供锆产品样品供下游厂家研发。
竞争优势：1）锆产业链完整，品种齐全。公司是全球品种最齐全的锆制品专业制造商之一，公司产品涵盖锆英砂、钛精矿、独居石、硅酸锆、氯氧化锆、电熔锆、二氧化锆、复合氧化锆、氧化锆陶瓷结构件九大系列共一百多个品种规格。2）把控上游资源，积极布局上游产业链。公司深耕澳大利亚锆矿砂资源十余年，目前已形成了如下表所示采矿权证、保留许可权证布局。
表：东方锆业采矿权证、保留许可权证布局
相关矿产相关资源的取得，能够满足未来开采的需要，奠定了公司未来持续健康发展的坚实基础。3）锆相关工艺完善，制定多项行业标准。自成立以来，公司主持或参与《复合氧化锆粉体》等二十余项国家或行业标准的制定，并已于2013年8月通过广东省质监局的标准化良好行为企业的现场确认，获得AAAA评价，并为全国有色金属标准化技术委员会委员和全国化学标准化技术委员会无机化工分会委员。目前公司研发人员目前共计180余人，已主持或参与制订20余项国家或行业标准，填补了部分产品国内无标准可依的空白。
4）已形成多个规模化生产基地，包括广东汕头的复合氧化锆粉体、硅酸锆、氧化锆结构陶瓷生产基地；广东乐昌的氯氧化锆、二氧化锆生产基地；河南焦作的氯氧化锆、二氧化锆、复合氧化锆、氧化铝、电熔氧化锆、氧化锆陶瓷结构件生产基地；湖南耒阳的电熔氧化锆生产基地；以及在建的云南楚雄电熔氧化锆生产基地等。
5.2.2. 上海洗霸
产品：锂离子电池固态电解质粉体先进材料
技术路线：氧化物电解质
产业化情况：据公司微信公众号，锂离子电池固态电解质粉体先进材料吨级至拾吨级工业化标准产线建设于22年12月启动，并已于23年1月中旬一次性试产成功，产品经硅酸盐所测试，各项指标均达到设计标准，现已进入产线工艺优化阶段。相关主体已与天津某电池企业达成初步合作意向，预计23年2月完成送样检测，后续拟率先投用于无人机等民用端应用场景。
研发合作：22年8月，上海洗霸与硅酸盐所达成共建固态电池先进材料联合实验室。22年9月，双方签署固态电解质材料技术相关知识产权转让协议。22年11月，上海科源固能新能源科技有限公司（上海洗霸控股70%，硅酸盐所张涛参股30%）成立。
1）硅酸盐所方面，硅酸盐所张涛团队在固态电池电解质核心材料宏量制备和固固界面革新型技术成果，已被验证可行，并已实施放大，正式开启了固态电解质粉体先进材料产业化开发工作。
2）上海洗霸方面，上海洗霸内部设立先进材料事业部，支持固态电解质迭代、介孔硬碳等先进材料项目的研发工作。
$东方锆业(SZ002167)$$上海洗霸(SH603200)$$宁德时代(SZ300750)$
/xz

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半固态与固态电池之电池技术升级

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