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清陶能源李峥:固态电池开启能源新势力

发布时间:2022-08-14 13:26:57 来源:世界杯竞彩足球app推荐 作者:下注世界杯软件

  本届论坛是由科技出行产业创新服务平台亿欧汽车主办的GTM2022年度主题论坛之一,并由北京大学光华管理学院高层管理教育中心作为学术支持,锂解作为产业数据合作平台。来自业界的核心动力电池厂商、主机厂、上下游企业负责人、投资人等多位嘉宾共话动力电池产业格局。

  在本届论坛上,清陶能源联合创始人、总经理、高级工程师李峥发表了以《固态电池,开启能源新势力》为主题的演讲。他在演讲中表示:

  1. 全球正面临一场全球范围内碳达峰、碳中和的新能源革命,工业生产和交通领域实现零排放势在必行,这意味着在能源结构调整和能源储存、运输方式上,都要更加依赖电化学的储能系统。从更高能量密度、更高效率的角度来讲,发展锂离子电池是实现碳中和必须要进行的选择。

  2. 作为新能源领域的一个重要发展方向,固态锂电池近年来取得了快速的进展,已经形成了一股势力。固态锂电池并不是一个简单的产品,而是一个全新的赛道。在这个赛道上,整个电化学储能的能量密度会得到更快速的提升。

  3. 更高的安全性、更高的能量密度,是整个行业发展的必然选择。随着多年的积累,清陶能源的技术进阶路径已经逐步清晰,工程化和极限制造是所有电池创新企业最重要的必修课,也是清陶的核心竞争力。在未来的发展中,面向广阔的市场,清陶将与更多的产业合作伙伴同行、共生、一起成长。

  谢谢主持人!各位观众大家下午好!非常荣幸有机会在亿欧汽车的平台上跟大家分享一下固态锂电池发展的进程,及清陶在固态锂电池产业化方面的相关工作。

  今天的演讲主题是亿欧汽车定的,叫《固态电池,开启能源新势力》,我觉得这个题目起得很好。从传统能源和人类文明发展史的角度,我们一直在追求新的能源。作为新能源领域的一个重要发展方向,固态锂电池近年来取得了快速的进展,已经形成了一股势力,我们希望能在利好的大环境下推进固态锂电池产业的发展更进一步。

  我们现在正面临一场全球范围内碳达峰、碳中和的新能源革命,无论是咱们国家还是欧盟提出的碳中和的目标,都要求工业生产和交通领域要实现零排放,也就意味着在能源结构调整和能源储存、运输方式上,我们都要更加依赖电化学的储能系统。

  从更高能量密度、更高效率的角度来讲,发展锂离子电池是实现碳中和的重要选择,或者说是必须要进行的选择。

  在过去30年时间里,整个固态锂电池产业实现了非常快速的发展,但是目前我们虽然看到液态锂电池已经整个在产业中得到非常好的应用,实际上它们已经进入到了技术发展的相对瓶颈期。

  主要是体现在以下问题上:第一是安全问题。安全是生死攸关的大问题,但现在并没有彻底的解决方式。

  而且电池的能量密度的提升已经逼近极限。1991年,索尼从量产第一代液态商用锂离子电池开始,能量密度随着时间的发展在逐步提升,如今发展到240-260Wh/Kg的状态,每年大概有3%左右的增速。随着人们生活水平日益提高,无论在新能源汽车还是3C数码领域,我们对待机时间和续航里程有了更高的需求,一年3%的增速难以满足市场上对电池电化学储能的真正需求。

  我们清陶自己在开发固态电池,产品在实现商业化、量产化后,能量密度在最近几年也实现了提升,整个能量密度的提升速度远远高于液态锂电池。

  固态锂电池首先与液态锂电池有相同的材料工业基础,同时系统性地通过材料创新解决了安全性问题,这就对固态锂电池的能量密度提升减少了一个制约因素,即安全性的制约限制,这样使得固态锂电池的能量密度提升进入一个快车道。

  固态锂电池并不是一个简单的产品,而是一个全新的赛道。在这个赛道上,整个电化学储能的能量密度会得到更快速的提升。

  从十几二十年前开始,行业就公认固态锂电池是锂电池产业化的下一个发展阶段。它和传统液态锂电池的根本区别在于:固态锂电池是采用了固态的电解质来替代了液态电解液,实现了在电池体系中锂离子从正极到负极之间的内部输运,起到了输运介质的作用。

  我们在核心材料上和液态电池产生了明显的差异,我们才可以把预期的固态锂电池的优势真正通过产品和技术体现出来。

  我给各位观众简单介绍一下清陶,我们企业成立于2014年,目前主要布局有四大板块,固态锂电池、固态锂电池相关材料、相关设备和电池回收利用。

  为什么我们要这样去布局?非常核心的原因是材料的创新,我们不只是一个做电池的企业,更核心的是我们是做关键材料的企业,在做关键材料的过程中,由于固态和液态在存在形态上产生差别,导致整个电池的量产工艺和核心设备产生了明显的差别,我们通过布局了设备板块,来解决了整个设备的创新问题,通过核心材料和设备创新来共同支撑到固态锂电池整个产业创新的发展。

  在这几年的时间里,清陶在资本市场上得到了很多的关注,目前我们也得到了像包括上汽、北汽、广汽大量产业投资人的支持,也是我们公司的主要投资人和核心股东。

  从产业要素布局的角度来说,固态锂电池作为一个全新技术或者说是全新一代产品,实际上,真正创新的每一步周围是没有任何产业链可以支撑的,所以我们清陶在开展固态电池的产业化的过程中,八年前所面临的就是整个产业链上的空白,我们为了能推进固态电池的产业化,只有自己去生产制造核心的材料,自己去开发核心的装备,构成了现在的产业体系,也就是说固态锂电池的制造过程中的关键材料和核心装备都是清陶自研的核心技术。

  在基础原材料和基础设备领域,我们和行业的顶尖企业、一线相关的企业都广泛地实现了战略合作。

  我们不仅仅单纯为了把固态锂电池作为一个产品推出来,从公司成立开始就在布局整个电池全生命周期的商业闭环。

  整个锂电池的产业布局,包括从电池材料到电池制造,还有电池在新能源汽车领域的生产和运营,运营之后还要进行进一步的梯次利用,把动力电池进一步的在储能及其它一些领域进一步去开发利用,最后再通过资源、化学元素的回收再回馈到电池材料,构成商业闭环。

  在这个领域,我们从2014年就在构建属于清陶商业闭环的工作,目前在电池材料、电池制造和电池梯次利用领域都是由我们清陶直接布局完成。

  关于新能源汽车的运营和回收再升,我们通过投资方、股东形成了非常密切的战略合作,可以说初步构成了产业闭环的示范。

  在制造能力的角度上,因为固态电池作为一个创新技术,它要走出实验室成为工业品,真正形成商业化,那么就必须迈过可制造性的门槛。

  我们通过成立清陶公司,在人、机、料、法、环这五个环节就是高度的重视和不断地去提升能力。无论是我们的核心材料制造工厂,还是我们的电池制造工厂,又或是我们的设备制造工厂,都全面的贯彻了16949的质量管理体系。我们认为,工程化的能力和极限制造的能力是所有电池创新企业的必修课。只有迈过了这一关,才能说你的技术真正地实现了商业化,才说明这个企业所对应开发的产品才真正地活了下来,这也是所有的电池创新企业所面临的最大的挑战。

  从知识能力的角度来说,清陶这几年的时间也在不断开拓创新,坚定地走自主创新之路,目前我们在国内已经获得授权的转系已经有200多项,其中授权的发明专利截止到上个月有108项,包含了材料、设备和电芯等多个方面,初步构建了一个知识产权的保护体系。

  我们在这个领域也获得了一些行业相关的荣誉,特别是在2018年在3C数码领域实现了固态电池的第一代电池的量产。在2020年,我们与合作伙伴共同公开了披露了可行驶固态电池的样车,目前我们相关的产品,特别是一些比较吸引眼球和行业注意力的产品都通过国家机动车的相关场景。

  我们现在做的已经量产的产品的话属于第一代的固态电池,我们自己定义为半固态的电池。这一代固态电池有一些核心特点,第一个就是它整个能量密度是在现有的体系即240Wh/kg-420Wh/kg之间。

  所谓固态电池,它里头既然叫半固态说明还有一定的液体,那么这就要给大家解释,里面确实有液体,液体的含量相较于液态锂电池的电解液而言,液含量略有减少,液含量大约在5-15%之间,同时液体的成分并不是电解液,和电解液相比它的成分上是有差别的,主要去除了相关的易燃易爆的一些添加剂。

  因为我们通过从正极、负极和固态电解质相关的创新,可以去减少很多现在电解液中易燃易爆的添加剂所起到对应的作用,这样的体系为什么一定要加一定的液体,是因为目前按照延用现在我们的半固态电池,第一代电池的工艺所生产的电池,实际上最核心的没有100%解决固态和固体之间相接触的界面不够完美的问题。

  我们都知道液体电池是饱和浸润的电解液,实际上中间大量的界面是由液体和固体之间相互浸润形成的,这样的结构可以理解成因为有液体,有一定的流动性,它是无孔不入,它的接触是非常完美的,固体和固体之间相关的接触实际上就是颗粒和颗粒之间的点接触,这样会导致界面接触的阻抗相对比较大。

  为了解决这样的问题,我们通过在界面处添加相关的润湿液,使得我们的界面阻抗能实现降低,就可以让整个固态电池的体系能实现良好的运转,特别是我们要考虑到实用性、倍率性能、低温性能,还有相关寿命的要求。

  这一代产品最高的能量密度可以做到420Wh/Kg,从沿用的三元材料正极体系来说,我们还要进一步去提高镍的含量,相当于提高正极材料的客容量,包括负极材料可以在石墨体系里增加更多硅的含量。从电解质的角度来说,主要是以氧化物为主,添加了聚合物形成了复合电解质,再加上我们润湿的浸润液体,在这里形成一种固态电池的体系,可以认为是一代解决目前在300多Wh/kg、批量地实现规模化量产的一代稳定技术。

  在这一代技术和传统的液态电池相比,从产线和工艺的角度来说,我们目前来看约有30%的创新。

  这个核心的创新主要体现在三个方面,第一个方面是纳米材料,特别是正极和负极材料表面的包覆改性,也就是我们减少了液体之后,我们需要将固态电解质均匀的包覆在正极和负极的表面,构建锂离子传导通道。

  第二个是在正极和负极材料之间,我们需要固态电解质进行连续的固态电解质层成型,这是一个全新的工艺,同时还有由于液体含量的降低,我们的少液、贫液状态下的界面浸润和粘和形成了一代工艺的壁垒。

  随着工艺的创新带来的设备创新,产线上就有了相关设备的不同,这一代电池是从2018年开始有面向3C领域的量产和出货,随着我们在2020年宜春1GWh的投产,包括今年我们昆山0.6GWh产线的投产,这一代电池目前已经拥有1.7GWh的产能,由于这一代技术的成熟和市场的拓展,我们已经开始在昆山有10GWh产能的建设。

  第二代的固态电池是我们目前实际完成了小试,正在进入中试阶段一代电池,这一代电池是为了解决能量密度在400-500Wh/Kg的体系问题,从标志性液含量的角度来说是小于5%的,主要的正极材料,包括了高镍和镍锰二元层状的正极材料,负极材料主要是以含锂的符合负极为主,我们中间的固态电解质材料还是由现在第一代的材料固态电解质材料的延用,我们引入相关的卤化物和硫化物作为添加剂、这一代电池里面比较核心和第一代的差别在于中间没有任何的隔膜体系、材料。

  因为没有了这一个隔膜,我们可以把液含量进一步降低,同时把能量密度进一步提升,在这里我们又引入了全新创新的工艺,包括了干法的热压的成膜技术和多层的卷对卷的复合技术,多层膜的复合的卷对卷技术会使得整个产线的长度,包括干压成型,会使得整个固态电池产线工序数量大幅得减少。

  在整个产线%的创新设备,在这一代由于产线工序的减少和能量密度的提升,从单位成本上来说,相较于液态电池会有20%的下降。

  第三代电池比较革命性的一代,全固态电池里没有任何一滴液体的添加,目前已经完成了实验室阶段的验证,正在进行产线的设计和工艺开发相关的工作。

  为什么要做全固态电池,一滴液体都没有?我们的目的是为了把它的能量密度提升到500Wh/Kg之上,这一代正极材料实际上是无锂缺锂材料,负极就是直接采用了锂,或者金属锂和金属锂的合金材料,固态电解质体系还是我们自己开发固态电解质体系的沿用和提升,在这里我们也有进一步的创新工艺,特别是多层膜的卷对卷复合的整体致密化的干压成型和直接形成从Layer到Cell的一个集成,在这里工序的数量进一步减少,整个设备的创新度进一步提升,同时也带来了单位成本进一步的下降。

  从产能的角度来说,我们在第一代就是半固态电池领域已经规划了超过20GWh的产能,目前我们昆山的研发总部和昆山的产业基地已经有了0.7个GWh的产能,宜春也有了1GWh的产能,还有10GWh的产能已经在建。随着我们规模化的提升、产能不断提升,进一步地从动力电池到模组级别的均价也会逐步下降。以我们目前主流产品来进行均价核算,就是单体能量密度约360Wh/kg为例展示的一个,从去年到今年一直到2025年均价的下降和产能提升相关的概念。

  从市场的角度来说,我们目前在固态电池领域主要布局了三个大市场,第一个是车用动力,第二个就是特殊应用的场景,第三个就是储能领域。

  在乘用车领域,目前我们和股东的合作伙伴在去年的9月份实现装车,在实车测试上实现了1083公里的超长续航。值得一提的是,它的续航不是靠堆电池的数量达到的,而是在一个相对比较尺寸比较小的电池包,这个电池包的技术最近我们的合作伙伴也有对应的发布,大家可以进行一些对应的联想,在这样的一个小电池包里,我们第一代的电池系统装载了135度电,单体能量密度到了368Wh/kg,系统能量密度达到了255Wh/Kg,实测的续航超过了1000公里,未来我们与合作伙伴将在多个车型上推出这样一个量产产品,并实现发布,目前这一代的产品通过我们的系统仿真,可以保证在生命周期内达到百万公里的续航。

  从特殊电源领域来说,我们主要提炼了三个大领域,一个是大功率应用,一个是便携式应用,一个是密闭空间。从大功率的角度来说,通过系统的结构设计,我们可以保证安全的前提下,在200多Wh/kg的电池体系下实现10C的超大倍率的持续放电,在便携领域有更高的能量密度,所以它有很多可以在航空航天、个人的负重上实现一个非常好的产品应用。

  在密闭空间,它对安全性有绝对要求,特别是一些防爆的重点领域。固态电池由于用了电解液,他们整个系统的安全性得到了大幅提升,可以在一些对安全性有超高要求的领域可以实现非常好的应用。

  目前我们清陶专门有储能的事业部,开发了从便携式和加储开始一直到大型集装箱储能的涵盖全系列的储能产品,目前特别在今年我们实现了亿元级别以上的储能项目的交付订单,在这个领域的话,我们也是进行差异化的竞争,并不是进行价格比较,特别在一些对安全、环境有重点要求的一些储能场景领域,通过不断的释放在能量密度和安全性上的优势,来获取细长细分领域的市场机会。

  在产能的准备上,我们昆山三期10GWh的产线月份举办了开工仪式,目前正在紧张建设中,预期明年下半年可以实现整体的建成,在昆山的开发区占地307亩。

  最后做一个简单的总结,更多的安全性和更高的能量密度是整个行业发展的必然选择,固态电池并不是一个单纯的产品,而是一个全新的赛道,在这个领域里,核心材料和工艺的创新同样重要。

  随着清陶的多年的积累,我们技术进阶的路径已经很清晰了,工程化和极限制造是所有的电池创新企业最重要的必修课,也是清陶的核心竞争力。在未来的发展中,当面向广阔的市场,清陶将与更多的产业合作伙伴同行、共生、共同成长。