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    過渡路線給明日之星固態電池留下的產業命門
    2022-09-05 17:09
      張孝榮
      雖然我國在動力電池供應方面處于龍頭地位,但由于起步較晚,歐美和日韓企業已在固態電池研發上處于領先地位。換言之,國內創業公司在研發固態電池的時候,劍走偏鋒地選擇了過渡路線,盡管降低了制備難度,加速了產業化進程,但也給自己回歸主航道時留下了被國外巨頭專利封鎖的命門。
     
     
      日前,被視為明日之星的固態電池,再度引發了產業界高度關注。在各種文案表述中,固態電池的優點讓人憧憬,特別是高安全性、高低溫性能和高能量密度,大幅改善了液態電池的種種缺陷,意味著汽車電池再也不會自燃,車主再也沒有里程焦慮,電池續航也再不受冬季低溫影響,令人對其充滿憧憬。
      然而,真相是什么呢?是固態電池的應用發展遲遲落不了地。
      固態電池的概念提出已超過30年時間,早年火熱一陣子后很快趨冷;近幾年再度火爆,但提及量產,頭部廠商安排的時間表一拖再拖,最后不了了之。不過,今年的情形有點不一樣。許多知名廠商號稱實現了固態電池量產,裝車在即。這究竟是怎么回事?
     
      PART  01
      固態電池的量產為何總是難產?
      固態電池顧名思義,即電解質完全是固態物質的電池。目前,液態鋰電池的構成包括正極、負極、電解液、隔膜四大材料。而固態電池的構成只包括正極、負極、電解質三大材料。
      按照電解質材料體系,固態電池可以劃分成3條技術路線。日韓公司押寶硫化物體系,歐洲公司主要走聚合物路線。中國公司以氧化物為主,近幾年也有機構開始研究其他兩條路線的技術。美國則是同時推進多條路線。
      但時至今日,這3種技術路線還都存在難以克服的技術缺點。
      比如,第一條路線“涉毒”。硫化物電解質中的鋰離子導電率較高,跟液態電池性能相近,但是硫化物電解質的空氣穩定性極差,當其暴露于空氣中容易與水汽結合產生有毒氣體H2S,同時伴隨著電解質結構的破壞和電化學性能的衰減,導致硫化物電解質的合成、儲存、運輸和后處理過程嚴重依賴惰性氣體或干燥室,大大增加了生產成本。
      第二條路線“需加熱”。當前,聚合物電解質主要指環氧聚乙烯(PEO)及其衍生物。聚合物電解質無毒無害,但是在室溫條件下需要加熱才能完成充電,由于其不耐氧化且離子電導率較低,只能跟磷酸鐵鋰正極匹配,降低了能量密度,極大地限制了商業化。法國的Bollore公司曾在2012年把聚合物電池做到城市巴士中。因為聚合物需要加熱到60℃才能正常運作,于是Bollore在電池包中加入了特有的加熱元器件。因高昂的成本和與液態電池不相上下的能量密度(聚合物電池能量密度在150Wh/kg,當時的磷酸鐵鋰電池能量密度約為140Wh/kg),Bollore的方案最終沒有大規模推廣。
      第三條路線成本偏高。氧化物電解質的表現在介于硫化物和聚合物之間。氧化物電解質屬于無機電解質路線,分為兩類,一類是薄膜型,主要采用LiPON(鋰磷氧氮)這種非晶態氧化物作為電解質材料;另一類是非薄膜型,主要是除了第一類LiPON以外的晶態氧化物電解質,其中,以LLZO(鋰鑭鋯氧)為代表。值得注意的是,第一類薄膜型的電池性能較好,但面對擴充電池容量的難題。單體薄膜電池的容量很小,往往不到mAh級別,在微型電子、消費電子領域勉強夠用,可對于Ah級別的電動車領域則需要串并聯大量的薄膜電池來增加電池組容量,工藝復雜困難且造價高昂,大大制約了其應用推廣。
     
      PART  02
      半固態電池性能如何?
      固態電池的發展與政策密切相關。2020年11月,國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》中,明確要求“加快固態動力電池技術研發及產業化”。
      盡管固態電池受到了空前的關注和高強度的研發,但依然存在著很多技術難題,無法量產。在不斷發展各類新材料來克服技術挑戰的道路上,國內探索出了一條過渡路線——半固態電池。于是,根據電解質中電解液的含量,固態電池變成了3類:半固態(電解液含量<10%),準固態(電解液含量<5%),全固態(不含有電解液)。因此,市場上宣傳即將裝車的固態電池,實質是半固態電池或準固態;而固態電池則常常被稱為全固態電池。
      在理想狀態下,全固態鋰電池的能量密度可達700Wh/kg,碾壓液態電池。而半固態電池,據廠商宣傳文案,目前最高能量密度是360Wh/kg。液態電池佼佼者當屬特斯拉電池,據稱該電池能量密度高達300Wh/kg。
      對此,有觀點尖銳指出,固態電池既不具備全固態電池的安全性,又面臨與液態電池的成本和性能競爭。有專業媒體曾對固態電池的經濟性進行過分析,相比于現有的鋰電池,固態電池優勢不足。
      一是原材料的成本太高。據國外媒體報道,液態鋰電池的成本大約在200-300美元/千瓦時,如果使用現有技術制造足以為智能手機供電的全固態電池,其成本會達到1.5萬美元,而足以為汽車供電的固態電池成本更是達到9000萬美元。
      二是固態電池對于生產環境與原材料純度的要求太高,這導致生產工藝要求極其苛刻,生產成本大幅度提高?,F有動力電池對生產車間溫度及溫度控制有著較高要求,導致企業投資建設生產基地動輒需要上百億元。這也意味著,企業收回成本的周期將加長。
     
      PART  03
      固態電池是全球競爭高地
      過渡路線給產業帶來什么影響?查一下相關數據,可以發現一個現象,固態電池盡管國內企業密集布局,但是專利數量卻是日美韓三國遙遙領先,這給產業自主性帶來了隱憂。
      據賽迪智庫數據顯示,1990-2018年,全球已經公開的固態電池領域專利數目達到1926件,且僅在2007-2017年,固態電池領域年申請專利數目由26件增加至273件,增長超過10倍,說明固態電池的研發越來越受到各方面的重視。
      在地域方面,日本目前擁有固態電池專利916件,占比接近一半,領先優勢較大。其次是美國和中國,其中,美國擁有398件,略領先于中國。韓國擁有100件位居第四。
      在專利主體方面,作為全球第一大車企的豐田公司目前擁有固態電池專利252件,數量遠超其他車企與電池企業,同時日本其他消費電子及汽車零部件企業如富士、村田制造所、松下也在固態電池領域有廣泛布局。
      美國固態電池專利分布比較分散,而且其持有主體多為Quantumscape(21件)、Sakti3(17件)等初創企業。韓國專利分布相對集中,如三星電子(35件)、LG化學(29件)、現代汽車(25件),與日本相似,韓國在固態電池領域的研發也是以產業界為主導,且電池企業與整車企業均有布局。
      還有一組數據。最近,據外媒報道,日經新聞與專利調查公司Patent Result合作,調查了中國、日本、韓國、美國和歐洲等10個國家和地區,以及世界知識產權組織等2個機構提出申請的全固態電池相關專利。據悉,這項研究調查了從2000年到2022年3月底,上述10個國家和地區的全固態電池專利申請情況。其中,豐田汽車擁有1331項已知專利排在第一,松下控股擁有445項專利,排在第二;出光興產擁有272項專利排在第三。在前10家企業中,6家企業來自日本,4家企業(三星電子、LG化學、現代汽車、LG新能源)來自韓國,日本企業處于領先地位,韓國企業緊隨其后。
      中國動力電池龍頭企業近些年也布局和申請了不少固態電池技術專利。但據公開查到的資料,各家公司近幾年申請的專利數量大都為個位數,突破100個專利的企業鳳毛麟角,遠遠落后于國際競爭對手。
     
      PART  04
      一個命門
      據相關媒體報道,中國科學院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高表示,雖然中國目前在汽車動力電池供應上處于絕對龍頭地位,但歐美和日韓企業已經在下一代固態電池領域的研發上處于領先地位。歐陽明高稱,目前在全固態電池方面,如果從國家角度來講,肯定是日本最重視,做得最好、規模最大。日本有很大的國家計劃,分工也很細,我們現在研發全固態電池還屬于各自為政階段,沒有一個完整的國家計劃來推動,所以相比之下,日本應該要超前我們5年。
      中國在全固態電池領域的落后,不是一朝一夕能夠改變的。據中國電動汽車百人會預測,2030年,中國固態電池的商業化應用規模將達到1%左右。而日本曾對外表示,2025年日本便可以實現這一目標。
      當前,全球都在積極探索固態電池的研發。不僅日本汽車行業,歐洲、美國、韓國企業都對搶占固態電池這一新能源汽車未來的制高點寄予厚望。
      雖然我國在動力電池供應方面處于龍頭地位,但由于起步較晚,歐美和日韓企業已在固態電池研發上處于領先地位。換言之,國內創業公司在研發固態電池的時候,劍走偏鋒地選擇了過渡路線,盡管降低了制備難度,加速了產業化進程,但也給自己回歸主航道時留下了被國外巨頭專利封鎖的命門。
     
      作者簡介
      張孝榮,深度科技研究院院長。
      END
      來源:本刊原創文章
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