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2020 年 8 月中旬,Quantum Scape在美國紐交所上市,短短4 個月,股價已經從最低 9.74 美元飆漲到12 月 22日創下的最高132.73美元,漲幅達 1262.7%,上演令人咋舌的逼空行情。

Quantum Scape為何火箭式躥升?

Quantum Scape是斯坦福大學前研究人員於2010年在美國聖何塞成立的公司,上市前即從大眾汽車籌集了3.8億美元(大眾佔股 5%),並從比爾·蓋茨、Breakthrough Energy Ventures、Khosla Ventures、KPCB等科技投資者獲得了額外資金。

2020 年 6月,大眾對 Quantum Scape 追加2億美元的投資以幫助其到2025年建立固態電池量產生產線。

Quantum Scape公佈的固態電池效能資料驚人

QuantumScape此次開發的固態電池,相較於傳統的鋰離子電池有了顯著的改進:它們不僅可以將電動汽車的續航里程提高80%,而且充電速度也快得多(在15分鐘內就可充滿80%的容量,通常鋰離子電池需要40分鐘或更長時間),並在800次充電後仍能保持80%以上的容量、未顯衰退。

此外,它們是不可燃燒的,電池體積能量密度超過每升1000瓦時,幾乎是頂級商用鋰離子電池組密度的兩倍,是目前特斯拉Model 3所用電池的四倍。而按重量計算,它能提供380至500瓦時/公斤的能量,相比之下,目前的特斯拉電池大約能提供260瓦時/公斤的能量。

據瞭解,該電池所有突破的關鍵是使用陶瓷分離器取代傳統電池中使用的液體電解質。而作為正負離子流動的介質,這種陶瓷是柔性的,而非剛性的。在零下30攝氏度的極低氣溫下,能量也可以繼續在整個電池中移動,電池效能並不會受到影響。

固態電池成為新一代鋰離子電池技術制高點

三電(電池、電機、電控)是電動汽車區最核心的部分,電池是其中裡最重要的部分,所以目前電池約佔三電成本的 76%,或者說整車成本的 38%。

固態電池是指採用固態電解質的鋰離子電池。與傳統鋰電池相比,全固態電池最突出的優點是安全性。固態電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發的特性,固態電解質是固態電池的核心,電解質材料很大程度上決定了固態鋰電池的各項效能引數,如功率密度、迴圈穩定性、安全效能、高低溫效能以及使用壽命。

工作原理上,固態鋰電池和傳統的鋰電池並無區別。兩者最主要的區別在於固態電池電解質為固態,相當於鋰離子遷移的場所轉到了固態的電解質中。而隨著正極材料的持續升級,固態電解質能夠做出較好的適配,有利於提升電池系統的能量密度。另外,固態電解質的絕緣性使得其良好地將電池正極與負極阻隔,避免正負極接觸產生短路的同時能充當隔膜的功能。

固態電池具備的優越性

2019年國家市場監督管理總局要求召回33281輛新能源汽車。因動力電池問題而召回的新能源汽車數量有6217輛,佔今年新能源汽車總召回量的18.68%。在電池失控的主要觸發條件當中,短路佔絕大多數(>90%)。

短路可以由多種可能的情況造成,是電池熱失控過程中普遍的共性特徵,短路原因可大致分為:電池系統浸水非純水為導電介質導致外短路;電池機械壓穿刺導致隔膜機械破壞電池正負極搭接引發內短路;析鋰導致枝晶生長枝晶刺穿隔膜誘發內短路也稱自引發內短路。隨著電池能量密度的提升,短路問題越發明顯。

汽車在國內新能源汽車年產量達到百萬輛,保有量已經突破400萬輛,未來幾年突破千萬輛是大機率事件。電池出現問題的小機率事件,也可能在大基數下變得常態化。車廠對於安全性的要求會越來越高,選擇不會起火燃燒電池可能成為車廠的一致選擇。

固態電解質體系因為減少了電解液和隔膜(換成了固態電解質),採用同樣正負極的固態電池能量密度高於傳統電池。固態電池適合採用CTP刀片電池的佈局,成組效率高於傳統鋰電池,成組階段還能再次提升能量密度。

鋰離子電池充電分三部分,電量最低時的涓流充電,電量中等時的恆流充電(可以快充),和電量快滿時的恆壓充電(較慢)。恆流充電階段實現快充相對簡單,固態電池在恆流充電中做到快充並不困難。

國內外企業固態電池研發程序對比

1987年,中國科技部將固態鋰電池列為第一個"863"計劃重大專題。直到2012年,中國科技部再次將固態儲能鋰電池列入"十二五"的"863"計劃。2018年,中國科技部將對動力及儲能應用的固態鋰電池同時列入國家重點研發計劃。

2019年12月,工信部發布《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》(徵求意見稿),在"實施電池技術突破行動"中,加快固態動力電池技術研發及產業化被列為"新能源汽車核心技術攻關工程"。

根據智研諮詢2019年釋出的《2019-2025年中國全固態電池市場專項調查及發展趨勢分析報告》,從全球看,目前日韓在固態電池開發領域專利技術較為領先。

從1990年至2018年,固態電池領域已經公開的專利數目為1926件,其中全固態電池領域專利數目達到871件,佔比約45%。而從地域上看,日本擁有固態電池專利916件,佔比接近一半,領先優勢較大。中國的專利為362 件。全固態電池方面,日本擁有專利657件,佔比75%,領先優勢更加明顯。這方面,中國、韓國分別擁有專利 128 件、37 件。美國在全固態電池領域,僅擁有29件專利。

歐洲固態電池主要是聚合物體系,美國是固液混合,在亞洲中日韓主要是氧化物。

根據天風證券研報資料如下:

豐田是堅定的硫化物技術支持者。透過多年的默默研究,豐田已經取得了一定的成果。豐田本來計劃2020年在東京奧運會推出搭載硫化物固態電池的純電動汽車,計劃於2022年實現量產。不過,受疫情衝擊影響,豐田推遲了亮相的計劃。

不過,豐田汽車動力總成公司執行副總裁兼電池業總經理Keiji Kaita曾經表示,豐田計劃在2025年之前量產固態電池,能量密度比鋰電池提高兩倍以上,充電效率也更高,從零充滿僅需15分鐘。而豐田在固態電解質材料方面的技術基礎,來自於日本東京工業大學的菅野了次教授2011年發明的硫化物固態電解質,其室溫下離子電導率>10-2S/cm(超越了傳統有機電解液)。

經過十幾年的研究,豐田不僅獲得了固態電解質材料、固態電池的製造技術等方面的專利,還研發了一整套的正極材料和硫化物固態電解質材料回收的技術路線和回收工序。

此外,三星和寶馬也都在研發硫化物固態電池的技術。今年3月初,三星高等研究院(SAIT)與三星日本研究中心(SRJ)在《自然-能源》聲稱,已經開發出一種高效能全固態電池。這種電池的迴圈壽命超過1000次,可以讓電動汽車在單次充電的情況下行駛800公里。去年,三星還參與投資了Solid Power。而寶馬則於2017年開始,就與Soild Power共同開發固態電池。

固態電池未來的前景非常誘人,根據中銀國際測算,全球固態鋰電池的需求量在2020年、2025年、2030年分別有望達到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh,2030年全球固態電池市場空間有望達到1500億元以上。但是,中金公司分析,目前的鋰電體系迭代後可以實現800~1000km的續航,能夠滿足需求。此外,在供應鏈配合與規模效應下2025年前能夠實現燃油車和純電車平價。而固態電池一方面宣傳的1000~1400km高續航影響力有限,沒有現實中的充電網路便捷性重要;另一方面,固態電池高企的成本也導致了5~10年內的價效比實在不高

國內企業固態電池發展進度

贛鋒鋰業(002460):氧化物固態電池技術成熟

2019年5月,贛鋒鋰業與德國大眾達成戰略合作,公司未來十年將向德國大眾及其供應商供應鋰化工產品;同時,德國大眾還將與公司在電池回收和固態電池等未來議題上進行合作。根據贛鋒鋰業2019年12月11日投資者關係活動記錄,公司固態鋰電池的中試線正在

進行單機除錯,目前積極與下游車企對接,送樣測試。

寧德時代(300750):硫化物固態電池量產仍無時間表

從目前技術進展看,CATL固態電池距商業化仍有較長距離,其效能引數尤其是迴圈效能明顯落後於贛鋒鋰業和臺灣輝能的氧化物型固態電池。2020年6月份,寧德時代21C創新實驗室正式奠基,實驗室中短期研究方向專注於金屬鋰電池、全固態電池、鈉離子電池等下一代電池研發。力求在3到5年內,實現實驗室自主創新成果的產業化,助力行業高質量發展。

國軒高科(002074):2017年,公司著手研發固態電池及固態電解質;2018年2月,公司根據與國際一線整車品牌合作的產品要求,正在美國和日本分別開發下一代動力電池生產技術工藝與生產裝置,相關產品將使用半固態電池技術;2018年3月,公司宣佈半固態電池技術目前已處於實驗室向中試轉換階段;2019年,公司推出半固態電池的試生產線

當升科技(300073):2019年底曾表示,公司固態鋰電材料已對國內外多個客戶送樣,產品效能獲得廣泛認可,目前正根據客戶反饋和需求進行後續研究開發。公司固態鋰電材料投產時間需要根據產品研發進度和市場需求狀況而定。同時,常州新材料產業基地為將來固態鋰電正極材料的生產預留了升級空間。

天賜材料(002709):申請高效固態電池製備方法專利

天賜材料申請的一種固態電池製備方法專利,有效提升電池的本徵特性和電化學效能,提高固態電解質離子傳導率,而且製備工藝簡單,具有可重複性和量產性,有重大的應用推廣價值。專利實施大致步驟是,先將正極材鎳鈷鋁酸鋰和固態電解質矽鋁氮酸鋰粉末混合,用火棉膠流延成膜,衝切製備正極片。隨後將固態電解質矽鋁氮酸鋰用火棉膠流延成膜,衝切製備固態電解質片。將正極片、固態電解質片堆疊熱壓燒結成型,在其上面覆蓋鋰負極,冷壓後就形成具有三明治結構的全固態電池。其中正極片和固態電解質結合,用熱壓,在於兩種物質都能承受一定熱,熱壓能夠使它們之間接觸得更緊密,降低介面阻抗。負極採用冷壓,在於鋰金屬或合金,具有低熔點和延展性。冷壓使負極片和固態電解質之間介面充分接觸,又不會使他們滲入到固態電解質內部造成電池短路。這項專利的一種例項,首次庫倫效率測試,充放電倍率為0.1C,電化學穩定性表現良好。

杉杉股份(600884):固態電池技術從3C領域邁向汽車

公司鋰電材料產品綜合產能位列全球第一,包括穩定量產NCM811正極材料,實現碳矽負極材料量產為其築起技術高牆;6萬噸/年的正極產量,12萬噸/年的負極產量,4萬噸/年的電解液產量.互動平臺資料顯示,公司正極將從全固態電池鈷酸鋰正極材料開始研發,逐步對全固態電池材料進行全面佈局;同時亦側重對半固態及全固態電池電解質的研發。

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