悄然兴起的固态电池, 发展几何

文:睿工业2022年第一期

近期,央视报道“充电一小时,排队四小时”的新闻引发了热议,新能源汽车的续航能力以及充电问题再次成为大家关心的热题。目前,相较于传统液态锂电池,具有更高安全性、更大能量密度、更久续航时间、更广应用领域的固态锂电池,广泛被业内人士认为是未来锂电池的发展方向,各大企业也争相布局。

虽然固态锂电池在短期内还无法实现商业化,但近期各大企业对于固态锂电池技术研发的进程已经越来越快,市场需求或推动固态锂电池量产提前。本文将分析固态锂电池市场发展情况和制备固态锂电池的工艺流程,带您探寻其中存在的自动化市场机会。

固态锂电池能量密度和热稳定性能显著优于液态锂电池

近年来,下游应用领域的不断革新对锂电池行业提出了愈来愈高的要求,锂电池技术也由此不断进步,向更高的比能与安全性进发。从锂电池技术发展的路径来看,液态锂电池能够实现的能量密度已经逐渐接近了它的极限,固态锂电池将是锂电发展的必经之路。

根据《节能与新能源汽车技术路线图》,2025年动力电池的能量密度目标为400Wh/kg,2030年目标为500Wh/ kg。想达到2030年的目标,现有液态锂电池技术路线恐难担大任,光是350Wh/kg的能量密度天花板就很难打破,但是固态锂电池能量密度能轻松超越350Wh/kg。

受市场需求推动,国家对于固态锂电池的发展也十分重视。在2019年12月发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》(征求意见稿)提出:加强固态锂电池研发和产业化进程,将固态锂电池上升到了国家层面,如表1。

73.png表 1 液态电池与固态电池之比较分析

不只用于新能源汽车,储能行业应用空间广阔

受国家政策推动影响,新能源汽车行业快速发展,会为固态锂电池提供广阔的发展空间。除此之外,全固态锂电池也被公认为有望突破电化学储能技术瓶颈,满足未来发展需求的新兴技术方向之一。在电化学储能方面,目前锂电池占电化学储能比重达80%。2020年电化学储能累计装机规模为3269.2MV,同比2019年增长91%,结合国家对能源发展的指导方针,电化学储能在用户侧、可再生能源并网配套等领域的需求有望迎来快速增长,如图1。

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企业加快研发进程,中国总体偏向氧化物体系

近年来,资本市场、电池企业和各大车企均开始加大固态锂电池方面的研究布局,希望在下一代动力电池技术竞争中占据主导权。但按照目前的进展,全固态锂电池则需要5-10年,在科学上和制造工艺上成熟才能量产。国际主流车企如丰田、大众、宝马、本田、日产、现代等都在加码固态锂电池技术的研发投入;电池企业方面,宁德时代、LG化学、松下、三星SDI、比亚迪等也在持续研发当中。

全固态锂电池根据电解质材料可以分为三类:聚合物固态锂电池、硫化物固态锂电池、氧化物固态锂电池。聚合物固态锂电池安全性能好,硫化物固态锂电池易于加工,而氧化物固态锂电池导电率最高。目前,欧美企业偏好氧化物和聚合物体系;而丰田、三星为首的日韩企业则更热衷于硫化物体系;中国三个体系均有研究者,总体偏向氧化物体系, 如图2。

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图 2 电池企业和各大车企固态锂电池生产布局

从研发进度来看,国外方面,丰田是业内公认在固态锂电池领域最有实力的玩家之一,丰田最早提出相关动态是在2008年,与固态锂电池初创企业Ilika展开合作。2020年6月,丰田搭载全固态锂电池的电动车,已经在测试路线上进行了行驶试验。目前已经到了获取车辆行驶数据的阶段。2021年9月,丰田宣布将在2030年前投资135亿美元开发下

一代电池和电池供应链,其中包括固态锂电池。国内方面, 国轩高科、清陶新能源、赣锋锂业2019年建立了半固态锂电池小规模的试生产线。2021年9月,江苏清陶368Wh/kg固态锂电池通过国家强检认证,如表2所示。

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2 各大企业固态电池生产规划

氧化物系固态锂电池工艺分析,热压工艺是新增环节

加工工艺难度大和生产成本高一直制约着固态锂电池的产业化发展,固态锂电池工艺变化主要体现在电芯制备工艺,其电极和电解质制造环境要求更高,如表3所示。

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表 3 氧化物系固态锂电池工艺分析

1.典型设备介绍——叠片热压机

机型功能介绍:叠片热压机主要使用在全固态锂电池电芯合成工艺段,相较传统锂电池,热压工艺是新增环节,少了注液环节,另外在速度和压合精度上要求更高。

自动化产品配置情况:

• 每工位需要使用3~4轴伺服电机,分别用来进行叠片压合与贴胶工艺;

• 使用HMI显示加热温度,加热系统需要PID控制系统, 对温度传感器要求较高,用量较大;

• 对于控制器PLC在控制精度上要求更高、循环周期上要求更短,未来该机型应以实现超高速热压叠片为发展方向。

设备厂商包括:西安泰格尔机电设备制造有限公司、深圳市旭崇自动化设备有限公司、深圳市海目星激光智能装备股份有限公司、深圳市邦企创源科技有限公司。

2.典型设备介绍——流延机

机型功能介绍:将混合的粉体浆料通过自动供料系统装置供给到流延头部,然后根据工艺要求经过刮刀、辊筒、微凹等涂覆方式,再经过烘道干燥后,可以基带连同生坯收卷待用也可以在干燥后将生坯剥离后修边,再分切到用户指定的宽度流延成型一定强度和柔韧性的片膜材料坯片。

自动化产品配置情况:

• 伺服主要用于收放卷、纠偏,收放卷处需要张力控制器对张力进行调节;

• 使用HMI显示加热温度,加热系统需要PID控制系统;

• 风机通风流量需要使用变频器对风机进行变频调节。设备厂商包括:浙江德龙科技有限公司、武汉坤元流延

科技有限公司、广东风华高新科技股份有限公司-新宝华设备分公司。

3.典型设备介绍——砂磨机

机型功能介绍:针对微小研磨珠的使用进行优化,从柔性分散至超高能量研磨进行高效工作。

自动化产品配置情况:

• 砂磨机对于运动控制要求相对较低,一般不使用伺服,而是使用普通低压电机做砂磨生产工艺;

• 使用变频器调整主轴转速,能控制物料在不同线速度状态下研磨,满足不同物料的不同研磨细度需求。

设备厂商包括:无锡市少宏粉体科技有限公司、上海儒佳机电科技有限公司、东莞市纳隆机械设备有限公司。



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