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深评:风口将至?固态电池量产进展解析

  • 菩船新闻网
  • 2019-12-01 17:05:39

电动汽车生产过程中最基本的方面是动力电池领域。然而,特斯拉、威来、比亚迪等汽车的自燃事故。2019年上半年,包括刚刚被“焚烧”的马薇在内,消费者对三元锂电池的安全性越来越担忧,这可以说给电动汽车行业的发展泼了冷水。

另一方面,新的汽车制造力量恒大新能源汽车正在全力扩张,到处招兵买马。仅在9月份发布的招聘令中,该公司就计划招聘8,000人,包括与固态电池相关的职位。

●与固态电池相关的政策趋势:反作用力、技术应用的必然性

日本最大的公共研究机构新能源产业技术综合开发署(nedo)在2008年发布的电池研发路线图中明确指出,固态电池应该是下一代电池的发展方向。

然而,中国一直在努力在这一领域取得全球领先地位。因此,在工业和信息化部等四部委于2017年2月联合发布的《促进汽车动力电池产业发展行动计划》通知中,首次提出重点推进固态电池等动力电池新系统的应用,力争2020年和2025年单电池能量密度分别达到400瓦时/千克和500瓦时/千克以上。

事实上,为了实施国务院《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,即2020年,新型锂离子动力电池的单位能量将超过300瓦时/千克,系统能量将超过260瓦时/千克,国家过去不遗余力地鼓励汽车企业携带的动力电池向高能量密度、低能耗技术方向发展。

在过去三年中,收紧新能源汽车补贴标准的趋势就是最好的例子。从2017年开始,在纯电动汽车补贴标准中考虑了电池能量密度后,2018年和2019年将继续对电池能量密度的准入门槛和要求水平提出严格的限制(目前,国家补贴金额=标准补贴金额*电池能量密度加权值*电池能量消耗率系数),这将迫使汽车企业对其电池进行技术升级。

正是通过这种变相的政策引导,中国新能源汽车动力电池的发展取得了显著的成就。据工业和信息化部新能源汽车推广目录统计,纯电动乘用车动力系统能量密度从2017年第一批的100.1wh/kg上升至2019年第七批的150.7wh/kg,同比增长51%。然而,与此同时,我们不得不承认,根据国内市场里程最高的主要车型,电池系统的能量密度不超过185瓦/千克。

换句话说,在当今大多数电动乘用车使用三元锂电池的系统中,300瓦时/千克的电池密度目标已经成为不可逾越的“上限”。与传统动力电池相比,固态锂电池的能量密度可提高1-2倍左右,不存在自燃等安全隐患。显然,为了完成未来动力电池行业的发展规划,在变相的相关政策刺激下,所有汽车公司都必将面临风,固态电池商业化的趋势将不可避免。

●国外汽车企业发展状况:仓促上马,但新一代固态电池的应用时间接近国内规划目标。

目前,在世界汽车工业新能源不可逆转的趋势背景下,固态电池作为下一代电池的重要选择,受到了世界范围内的广泛关注。

2018年8月,大众汽车首席执行官宣布,计划在2024年至2025年间装载固态电池(射程1000公里),并计划建造一座固态电池工厂。

估计投资500亿欧元在中国、欧洲和北美开展动力电池长期战略合作项目(2018年6月,大众已经开始与美国固态电池初创企业quantumscape合作,并承诺到2025年大规模生产研发中的固态电池);

2019年5月,全固态电池样品在试验阶段展出,计划在2020年东京奥运会期间展示装有硫化固态电池的公共电动汽车,开始固态电池的商业化。

2019年1月,松下宣布将成立一家新公司,在2020年之前开发和生产电动汽车等车载电池。公司致力于开发和生产固态电池(前期将开发方形固态电池,后期将规划新一代高密度全固态电池)

从总体趋势来看,2020年左右,通过首批少量试制产品,真正高水平的固态电池将逐步商业化,2025年左右将真正在世界范围内推广。

首先,根据各个地区的发展情况,虽然法国在车载固态电池方面应用最早,推广率也很高,但由于技术水平低,实际参考意义不大。根据公共信息,日本汽车公司目前寻求的高水平固态电池的总体技术规划和应用进展相对较快。其中最先进的丰田已经在试验阶段展示了固态电池的样品,并计划在明年的奥运会期间率先小批量使用配备高水平固态电池技术的电动汽车。

其次,包括奥迪、宝马、大众和现代在内的德国和韩国汽车公司已经制定计划,计划在2025年左右大规模生产目前正在开发的固态电池。奥迪拥有相对较高的规划水平,并计划在2023年引入使用这一技术的高性能车型。根据各企业的技术发展模式,主要有两种形式,分别以日本企业和日本及欧洲企业为代表。具体来说,日本汽车公司将通过与传统企事业单位的强有力联盟,在2018年与38家单位建立研发联盟,以集团供热的形式加快技术创新,并计划在2022年掌握固态电池的核心技术。

另一方面,韩国和欧洲汽车公司大多通过与美国新兴公司的战略合作来促进固态电池的研发。例如,宝马和福特都与美国电池技术公司solidpower合作。福特甚至对该公司进行了投资,以加强全固态电池双重开发研发的协同效应。同样,现代汽车也在三星和戴森之后投资于美国新兴的离子材料公司,为电动汽车开发固态电池,并计划在2025年大规模生产。

此外,为了在未来固态电池普及后不至于在电池供应方面退缩,例如德国大众汽车(Germany Volkswagen)计划建立自己的固态电池生产厂,以减少其在核心业务领域对外部电池制造商的依赖。可以看出,许多海外汽车公司,无论是通过吸引本地区强大的集团,还是通过与海外新兴技术公司联合,都加快了固态电池的研发。虽然整体目前正处于技术普及的“前夕”,但相对而言,技术成熟度已经相对较高,这无疑在即将到来的固态电池应用浪潮中占据了先发优势。

●国内汽车企业的应用趋势:做好准备,迎接品牌亮度的“前夜”

从国内整体情况来看,只有一些中国品牌汽车公司发布了明确应用固态电池的计划,但就数量而言,这一比例相对较小。根据品牌类别,与长安、广汽川气等传统造车力量在固态电池领域相对“低调”的行动相比,以天吉、威来、爱知为代表的中国新兴造车品牌在固态电池布局上更加活跃。

计划于2021年大规模生产并投放市场(电池组电池能量密度在300瓦时/千克以上,电池组能量密度在220瓦时/千克),该技术将首次在中国商业化。

2019年4月,me-s概念车在上海车展上发布。车载固态电池的能量密度达到750瓦时/升,支持800伏高压、300千瓦超级充电和15分钟内80%的能量补充。

2019年1月,搭载固态电池的天吉me7汽车向公众发布,这是中国第一款搭载并公开展示固态电池的样车。

2018年11月,将启动固态电池开发系统招标。预计随后将宣布技术着陆计划。

2016年1月,继通用汽车之后,它投资于美国新兴电池公司马萨诸塞州固体能源公司(Massachusetts Solid Energy Company),帮助其开发新一代固体电池。

根据这两股力量的技术应用计划,固态电池的国内应用可分为三个时期,即直到2021年,固态电池市场的酝酿期。各方都没有投放产品,只是计划和开发相关产品。市场仍然由三元电池主导。从2021年到2025年,当固态电池进入应用的初始阶段,电池的能量密度将达到300-500瓦时/千克。届时,装有固态电池的汽车将成为电动汽车市场的“高端产品”。只有在2025~2030年,甚至未来更长时间,市场才能真正成熟,然后固态电池的能量密度才能突破500wh/kg的上限,真正在市场上流行起来。

就具体汽车公司而言,在固态电池应用的早期阶段,新兴汽车制造品牌是主力军,通过“倚大树”与实力雄厚的国内固态电池供应商合作,抓住市场机遇。其中,天津汽车是规划过程中最快的。2019年初,它发布了me7,这是该国第一款使用固态电池的测试车。船上辉光电池的能量密度达到300瓦时/千克,电池组的能量密度达到220瓦时/千克。计划在2021年进行大规模生产和销售。同年,威来和爱知也紧随其后,宣布将与慧能合作,并开始应用车载固态电池技术。

然而,在固态电池应用的中后期,长城、比亚迪等传统汽车制造商逐渐来到前台,依靠母公司的附属企业推动固态电池技术的发展和应用。以长城汽车为例。通过母公司子公司蜂巢能源(Honeycomb Energy),开发的固态电池单元的能量密度预计将达到350 ~ 500瓦时/千克,计划在2025年左右上市。然而,通过向陶青能源注入资金,BAIC估计,2025年前推出的新车将搭载单位能量密度为400瓦时/千克的固态电池。

2019年,宣布开始与戴姆勒奔驰和宝马在动力电池方面的合作。

在宁德时代,固态电池的研发已经进行了多年。主要方向是聚合物和硫化物固态电池(目前,电池容量为325mah、能量密度为300wh/kg的聚合物锂金属固态电池在300次循环后容量保持率为82%)。

2018年1月,该公司表示正在积极推进固态电池项目,将其作为下一个研发重点,并计划在5-10年内将固态电池商业化。

2017年8月,申请了全固体锂离子电池正极复合材料和全固体锂离子电池的发明专利。

2019年6月,该公司宣布将与预计于2022年推出的先进材料公司离子材料(ionic materials)共同开发高能量密度和更安全的全固态电池(2017年9月,其a123已投资于solidpower)

2017年11月,菲斯克在美国申请了固态电池专利(电动汽车可以行驶800公里并充满电1分钟)

计划到2019年底完成3亿元固态电池的销售,推广第二代固态锂电池技术(能量密度达到300 WH/千克);

2019年4月,与大众签署了战略合作备忘录。未来十年,大众汽车及其供应商将获得锂化工产品。除了锂材料供应协议,双方还将在电池回收和固态电池等未来问题上进行合作。

2018年7月,第一代试验电池组电池能量密度超过240瓦时/千克,电池组电池容量约为13ah,数千次循环后最大电量仍超过90%,电池组电池只需12分钟即可充满电。

2017年8月,引进宁波材料研究所的固态电池博士团队(从中国科学院宁波材料研究所购买的固态电池专利),第一代固态锂电池生产线于同年12月完成。

2018年5月,宣布开始固态电池布局,与美国固态锂电池公司solidenergy一起开发生产超高能量密度、超薄锂金属电池、电解质和阴极材料。

2017年12月,投资1250万美元参与solidenergy第三轮优先股融资,投资后持股比例为11.72%;

2018年3月,在投资者互动平台上,据说半固态电池技术已经处于从实验室向试点测试过渡的阶段,计划于2019年建造一条试点测试线。

2018年2月,美国和日本分别宣布正在开发下一代动力电池生产技术和设备,并将使用半固态电池技术。目前,郭萱高科技半固态电池技术正处于从实验室向中试过渡阶段。

随着宁德时代、赣锋锂工业等国内电池供应商对固态电池的不断投资和布局,相信更多的国内汽车公司将加入固态电池应用的浪潮,他们肯定不会错过这个领域。

●固态电池应用后,下一代电动汽车将迎来一个“新世界”。

根据已经在汽车之家(car home)上市并将在不久的将来上市的车辆数据,在整个电动汽车市场中,汽车和suv的数量为64%,即汽车数量更高。同时,根据车型统计,57%的车辆是小型的,32%是紧凑型的,换句话说,只有近10%是中高档以上的车辆,这与各级燃油汽车的销售比例相差甚远。

追根溯源,主要原因是目前的三元电池技术受到电池能量密度的限制,不适合建造大中型汽车。同时,在小尺寸的前提下,小汽车很难逃脱“小尺寸汽车、小座位空间、低续航能力”的魔咒,因为没有足够的空间安装电池,使用体验极不令人满意。

另一方面,固态电池具有能量密度高(重量轻)和体积小的优点,这意味着应用这种技术的新一代车辆将具有更长的续航时间、更低的能耗和更好的空间体验,同时也支持快速充电,更安全。所有这些都将大大缓解消费者对电动汽车最担心的里程焦虑,消除他们对购买电动汽车的担忧。

同时,对于汽车公司来说,随着他们摆脱目前电池低能量密度造成的高质量、大空间的短板,更多的企业肯定会投资中、大型高档电动车,他们产品的可行性会更有价值。然而,小型汽车和紧凑型车型在突破电池组重量和空间的限制后,也有望在新车型结构下大幅提高其适销性,并带来一些创新的设计和使用方案。

例如,概念车天际线me-s、威来伊夫等。目前无法进行大规模生产,但是它们的内部空间布局概念已经大大超出了目前销售的车辆的设计限制。例如,周围的座椅布局、可旋转的前排座椅、可向多个方向移动的柔性座椅、可仰卧的后排座椅等。都值得参考。当固态电池时代到来时,这些提供类似家庭和客厅级空间体验的设计都会付诸实践,真正让消费者实现“将汽车变成移动生活空间”的愿景。

●总结

总之,据估计,固态电池要到2021年才会在中国使用,目前的趋势非常明显。然而,在固态电池普及应用之前,如果汽车公司能够抓住这个机会,他们无疑将率先在消费者心目中树立良好的产品技术意识,并与现有的传统电动汽车车型形成差异化形象,从而赢得宣传的第一名,最终实现夺取更多市场份额的战略目标。

同时,在汽车行业,新技术的应用一般是从高端汽车到低端汽车,从高端品牌到低端品牌。然而,目前国内市场上,固态电池技术在奢侈品和合资品牌中的分布相对滞后,这无疑为许多寻求品牌升级的中国汽车公司打开了一扇窗口。是选择一条保守而稳定的路线,等到2025年技术成熟后再投入使用,还是快速前进,加速技术的落地?我相信大多数消费者更喜欢汽车公司选择后者。

来源:盖世汽车网络

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