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2.3.氧化物循环性能良好,适用于薄膜型结构设计
氧化物全固态锂电池:氧化物循环性能良好,技术壁垒较高,研究仍处于初期阶段。氧化物全固态电池的电解质主要是:LiPON、NASICON等,其中LiPON研究最为成熟,以LiPON为电解质材料时,正负极材料必须采用磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积等方法制成薄膜电极,从而制成薄膜型结构的全固态锂电池。
氧化物电池最为突出的就是其优异的电池倍率性能及循环性能,它可以在50C下工作,循环45000次后,容量保持率达95%以上。同时,LiPON对金属锂稳定,电化学窗口宽(相对于Li+/Li为0~5.5V),对电子绝缘。此外,氧化物电解质对空气和热稳定性高,原料成本低,在实际产业化方面更易实现规模化制备。不过,氧化物的低室温电导率以及界面问题是氧化物全固态锂电池开发应用的主要障碍,目前处于早期研究阶段。
氧化物固态锂电池的开发目前主要有美国橡树岭国家实验室,QuantumScape,Sakti3以及中科院。目前已经小批量生产的固态电池主要是以无定形LiPON为电解质的薄膜电池,该项技术界面问题比较难解决,Sakti3称可以通过单元叠加串联的方式,将MWh级别的薄膜电池组装成kWh级别的EV用电池。其它企业尚未发现存在可产业化的产品。从目前来看,室温离子电导率和界面问题加大了单纯的氧化物基固态电池的开发难度,目前仍处于处于早期的研究阶段。
综合来看,全固态电池是未来的重要发展方向已是业内共识,全球工业巨头纷纷加快布局步伐,希望在全固态锂电池领域抢占先机。
图8:国内外多家企业和科研机构已投入固态电池研究
数据来源:SMM、国泰君安证券研究
3.技术难题正被逐个攻破,转型固态电池水到渠成
多项技术正逐步推进,同源体系成本下降指日可待。全固态电池主要面临以下几大技术难题:固态电解质与正负极之间界面阻抗过高、固态电解质电导率偏低、材料成本制备成本昂贵等,目前不断有企业和科研机构提出相应的解决方案。
一旦技术得到整合应用,固态电池将能实现产业化,规模化生产后也可以大幅度降低固态电池的生产成本。据Sakti3创始人AnnMarieSastry表示,目前固态电池生产效率较低,导致成本较高,一旦规模化生产,固态电池成本有望降低至100美元/千瓦时,仅为液态锂电池的一半左右(液态锂电池的成本大约在200~300美元/千瓦时)。
图9:固态电池多项技术难关被逐个攻破
数据来源:国泰君安证券研究
固态锂电池结构简化助提生产效率,传统锂电企业转型方便。固态电池产业化取决于具体的材料技术与电池技术解决方案的突破,一旦关键材料、极片、正负极与电解质匹配的技术突破,由于其相比传统锂离子电池生产更易实现应用全自动化设备生产,可以较快速的实现产业化。
Ø由于全固态锂离子电池结构简化、无需注入电解液,封装效率高,大容量的锂电池与固态氧化物染料相结合,使得电磁构建的工艺优化、高效衔接,且单体内可以采取层叠串联技术,可采用印刷等新型技术规模化自动化生产,从而提高生产效率,降低设计成本。
Ø与传统锂电池电芯制造装备相比,固态电池的制造装备虽存在差别,但也不存在革命性的创新,只是制造环境需要在更高要求的干燥间进行,这对于大多数传统锂电企业来说要增加的投入成本不是很高,尤其是对于具备超级电容器、锂离子电容器、预锂化、钛酸锂、镍钴铝等空气敏感储能期间或材料的企业来说,制造环境基本一致。
表5:固态电池产业链分解
数据来源:《固态锂电池研发愿景与策略》、国泰君安证券研究
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