中国固态电池行业的技术创新趋势和创业机会 | 嘉程商业评论
04.07.2022 | 嘉程资本Next Capital | 嘉程创业流水席

金羽新能创始人&CEO在嘉程创业流水席分享了无机固态电解质材料及其在固态电池的应用和挑战

2011年我国新材料产业总产值仅为0.8万亿元,到 2019年我国新材料产业总产值已增长至4.5万亿元,同比增长15.4%。预计2025年其总产值将实现10万亿元,未来年均复合增长率将超过20%。
 
目前,国内新材料的市场需求持续增长,应用场景也与日俱增,已经覆盖航空航天、新能源、医疗器械、生物工程、建筑材料、电子产品等多个领域。同时,市场对于新材料产品性能的要求在不断提升,对企业和技术人员研发能力的要求也在不断提高。

嘉程创业流水席第133席,我们邀请了金羽新能创始人&CEO黄杜斌,分享讨论了无机固态电解质材料及其在固态电池的应用和挑战。

我的分享内容主要从四个方向展开,首先,讲一下锂电池和固态电池的行业背景;其次,讲一下目前无机氧化物的固态电解质的情况;然后,是硫化物的固态电解质情况以及所面临的挑战;最后,再给大家分享一下金羽新能在这个领域所做的工作。

一、 固态电池的行业背景是什么?

1. 锂离子电池的应用广泛

锂离子电池是能量的主要载体之一,相对于传统的铅酸或镍氢电池来说,它的能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、无重金属危化污染、自放电率低。目前在很多领域都得到大规模的应用,包括新能源车以及双碳政策下的储能设备,其中大部分电化学储能装置都以锂电池作为主要载体。

2. 锂离子电池存在安全性和能量密度的问题

虽然现在锂电池行业发展很好,比如一些头部产业,像宁德时代已经达到破万亿的市值,其他一些企业基本上也在几千亿的市值范围。

但是锂离子电池也存在一些问题:一是锂电池的安全性,这是由多方面造成的,其中较为关键的点在于它的电解液含有很多易分解、易燃的材料;二是锂电池的能量密度,特别是以纯石墨为负极的这一套体系,当前的能量密度基本上已经快达到上限。所以,更高的能量密度以及更安全的锂电池是消费电子和动力电池行业的不懈追求,也是储能电池未来发展值得关注的主要方向。

3. 从液态锂离子电池到固态电池的发展趋势

固态电池的电解液由液态变成了固态的电解质,理论上全固态电池里面不存在液态溶液,它的安全性相对会更高。另外,由于固态电解质的负极可以由传统的石墨升级为锂金属或硅,进一步提高了它的能量密度,并且固态电解质本身耐高温,所以电池具有较好的高温性能

4. 固态电池的行业布局现状

以几家具有代表性的企业为例,比如宝马在2018年和Solid Power在固态电池方面进行了深度合作;大众集团在2018年投资了Quantum Scape,一起合作开发固态电池;苹果在2013年时收购了Infinite Power Solutions,开始做固态电池的开发;丰田在这个领域布局最多,拥有全球固态电池13%的专利。

当然上述几家企业布局的时间都比较早,但是目前为止还没有一家企业真正推出过搭载在电动车上的高能量密度固态电池,可见在这方面的突破还是有很大难度。

5. 固态电解质的成分类别

同时,固态电解质也存在一些比较大的缺点,导致它无法大规模商业化应用。按固态电解质的成分来区分可以分成几类:一是无机陶瓷类,包括氧化物固态电解质和硫化物固态电解质;二是有机聚合物类电解质;三是有机-无机复合类电解质

6. 为什么要把液态电解质换成固态电解质?

一是它可以替代液态电解液,提高电池的安全性能;二是它允许使用更高能量密度的锂金属或硅来作为负极材料,从而提高容量;同时在锂金属电池体系中,它可以消除第一次电化学循环中活性锂的损失;液态电解液很难在第一圈的化学反应中保持比较稳定的SEI膜,它的首效比较低。而固态电解质可以弥补这方面的劣势,有着较高的首效。

固态电解质有六项性能要求,它需要有宽的电化学稳定窗口、高的离子电导率、足够低的电子电导率、比较低的晶界电阻、好的化学稳定性、高致密度和低气孔率

除此以外,站在产业角度来看,我们还希望固态电解质不含有过多的稀有金属或者其他高价值材料,因为这会造成高自费成本,在商业应用上会产生阻碍。

7. 无机固态电解质的类别

总的来说,无机的固态电解质可以分成三大类,一是氧化物,包括LATP、LLZO、LLTO等;二是硫化物;三是卤化物,它是最近研究的热点。

二、 为什么固态电解质的固态电池目前未能得到广泛应用?

近年来在行业的努力下,固态电解质应用所带来的固态电池发展有了比较长足的进步。但目前为止,我们仍然没有看到任何一款真正兼顾高能量密度的全固态电池走向商业化应用,这里面有五点原因:

一,很多早期的固态电解质,如硫化锂等,它的电化学窗口非常窄,极大地限制了它的应用;

二,固态电解质特别是硫化物固态电解质,它对制造的环境要求比较高。另外,除了锂以外,它还含有像锗、钇、铊等稀有材料,进一步提高了它的制造成本;

三,固态电解质是固固界面,物理接触差,界面电阻大,并且锂或者硅在实际的循环过程中会有体积的变化,会进一步地加剧界面电阻;

四,固态电解质很容易受机械应力影响,造成电解质的破裂;

五,如果固态电解质的界面接触负极使用锂金属,会非常容易跟固态电解质发生界面反应,使之进一步失活。

 

三、 金羽新能在固态电池研发中做了哪些优化?

针对以上这些情况,我们企业端也做了相应的优化工作。一是我们批量制备了一些LAGP的含锗粉末。在室温下面,电导率大概能够达到8×10-4 S cm-1的量级。

同时,我们在硫化物上也做了相应的工作,在制备工艺上进行了较大的优化,批量制备了651粉末,它的室温电导率可以达到1×10-3 S cm-1,并且价格可以大幅度下降,达到商用的可承受范围。

固态电池、全固态电池距离产品的批量应用仍有一定距离,行业里提出把固态电解质以涂覆或者以融合直接一体成型的形式做到隔膜里,同时降低电解液的含量,从而达到半固态或者固液混合的电池。

我们自己开发的固态电解质膜以及配套新型电解液的半固态的方案,会提供非常高的电池安全特性。基于这样的体系,我们开发了产品化电芯,其中一个比较有代表性的产品,它在保持高能量密度的同时,循环寿命可以稳定地超过400次。

总结来说,

第一,为什么我们要用固态电解质?因为我们希望固态电解质的使用,能够让我们去应用更高容量的负极材料,比如锂金属或者硅,进而提高能量密度,同时由于电解液的固态化,安全性能够得到提升;

第二,固态电解质的应用需要满足高离子电导率、低电子变道、低界面电阻、好的化学稳定性、高致密度以及低成本,所以不仅要解决材料问题,还要匹配生产端的工艺

第三,目前布局固态电解质主要是无机的固态电解质,以氧化物和硫化物为主;

第四,目前在产业化的方向里,我们需要去开发廉价易得的原料、简易的固态电解质合成方法,这样才能够真正的让固态电池实现规模化的应用

最后,我们认为,电池的开发是循序渐进的过程,它的周期比较慢。半固态电池通过降低电解液的含量,将固态电解质以涂覆或者以一体成型的形式和隔膜相结合的方法,是作为过渡产品的可行方案。

 

 

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嘉程资本创始合伙人李黎是知名天使投资人,曾主导投资过乐信(纳斯达克代码:LX)、团车(纳斯达克代码:TC)、老虎证券(纳斯达克代码:TIGR)、牛股王、蜜芽、辣妈帮、PingCAP、易订货、彩贝壳、鹿客、Krazybee等明星公司的天使轮。

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