【悄然興起的固態(tài)電池， 發(fā)展幾何】

　　近期，央視報道“充電一小時，排隊四小時”的新聞引發(fā)了熱議，新能源汽車的續(xù)航能力以及充電問題再次成為大家關(guān)心的熱題。目前，相較于傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，具有更高安全性、更大能量密度、更久續(xù)航時間、更廣應(yīng)用領(lǐng)域的固態(tài)鋰電池，廣泛被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是未來鋰電池的發(fā)展方向，各大企業(yè)也爭相布局。

　　雖然固態(tài)鋰電池在短期內(nèi)還無法實現(xiàn)商業(yè)化，但近期各大企業(yè)對于固態(tài)鋰電池技術(shù)研發(fā)的進(jìn)程已經(jīng)越來越快，市場需求或推動固態(tài)鋰電池量產(chǎn)提前。本文將分析固態(tài)鋰電池市場發(fā)展情況和制備固態(tài)鋰電池的工藝流程，帶您探尋其中存在的自動化市場機(jī)會。

　　固態(tài)鋰電池能量密度和熱穩(wěn)定性能顯著優(yōu)于液態(tài)鋰電池

　　近年來，下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷革新對鋰電池行業(yè)提出了愈來愈高的要求，鋰電池技術(shù)也由此不斷進(jìn)步，向更高的比能與安全性進(jìn)發(fā)。從鋰電池技術(shù)發(fā)展的路徑來看，液態(tài)鋰電池能夠?qū)崿F(xiàn)的能量密度已經(jīng)逐漸接近了它的極限，固態(tài)鋰電池將是鋰電發(fā)展的必經(jīng)之路。

　　根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，2025年動力電池的能量密度目標(biāo)為400Wh/kg，2030年目標(biāo)為500Wh/ kg。想達(dá)到2030年的目標(biāo)，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線恐難擔(dān)大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)鋰電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。

　　受市場需求推動，國家對于固態(tài)鋰電池的發(fā)展也十分重視。在2019年12月發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》(征求意見稿)提出：加強(qiáng)固態(tài)鋰電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，將固態(tài)鋰電池上升到了國家層面，如表1。

表 1 液態(tài)電池與固態(tài)電池之比較分析

　　不只用于新能源汽車，儲能行業(yè)應(yīng)用空間廣闊

　　受國家政策推動影響，新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展，會為固態(tài)鋰電池提供廣闊的發(fā)展空間。除此之外，全固態(tài)鋰電池也被公認(rèn)為有望突破電化學(xué)儲能技術(shù)瓶頸，滿足未來發(fā)展需求的新興技術(shù)方向之一。在電化學(xué)儲能方面，目前鋰電池占電化學(xué)儲能比重達(dá)80%。2020年電化學(xué)儲能累計裝機(jī)規(guī)模為3269.2MV，同比2019年增長91%，結(jié)合國家對能源發(fā)展的指導(dǎo)方針，電化學(xué)儲能在用戶側(cè)、可再生能源并網(wǎng)配套等領(lǐng)域的需求有望迎來快速增長，如圖1。

　                    　2021 年 1-9 月新能源汽車銷量及增長情況         2014-2020 年中國化學(xué)儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模及增速

　　圖 1 新能源汽車銷量及增長情況;             中國化學(xué)儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模及增速

　　企業(yè)加快研發(fā)進(jìn)程，中國總體偏向氧化物體系

　　近年來，資本市場、電池企業(yè)和各大車企均開始加大固態(tài)鋰電池方面的研究布局，希望在下一代動力電池技術(shù)競爭中占據(jù)主導(dǎo)權(quán)。但按照目前的進(jìn)展，全固態(tài)鋰電池則需要5-10年，在科學(xué)上和制造工藝上成熟才能量產(chǎn)。國際主流車企如豐田、大眾、寶馬、本田、日產(chǎn)、現(xiàn)代等都在加碼固態(tài)鋰電池技術(shù)的研發(fā)投入;電池企業(yè)方面，寧德時代、LG化學(xué)、松下、三星SDI、比亞迪等也在持續(xù)研發(fā)當(dāng)中。

　　全固態(tài)鋰電池根據(jù)電解質(zhì)材料可以分為三類：聚合物固態(tài)鋰電池、硫化物固態(tài)鋰電池、氧化物固態(tài)鋰電池。聚合物固態(tài)鋰電池安全性能好，硫化物固態(tài)鋰電池易于加工，而氧化物固態(tài)鋰電池導(dǎo)電率最高。目前，歐美企業(yè)偏好氧化物和聚合物體系;而豐田、三星為首的日韓企業(yè)則更熱衷于硫化物體系;中國三個體系均有研究者，總體偏向氧化物體系， 如圖2。

圖 2 電池企業(yè)和各大車企固態(tài)鋰電池生產(chǎn)布局

　　從研發(fā)進(jìn)度來看，國外方面，豐田是業(yè)內(nèi)公認(rèn)在固態(tài)鋰電池領(lǐng)域最有實力的玩家之一，豐田最早提出相關(guān)動態(tài)是在2008年，與固態(tài)鋰電池初創(chuàng)企業(yè)Ilika展開合作。2020年6月，豐田搭載全固態(tài)鋰電池的電動車，已經(jīng)在測試路線上進(jìn)行了行駛試驗。目前已經(jīng)到了獲取車輛行駛數(shù)據(jù)的階段。2021年9月，豐田宣布將在2030年前投資135億美元開發(fā)下一代電池和電池供應(yīng)鏈，其中包括固態(tài)鋰電池。國內(nèi)方面， 國軒高科、清陶新能源、贛鋒鋰業(yè)2019年建立了半固態(tài)鋰電池小規(guī)模的試生產(chǎn)線。2021年9月，江蘇清陶368Wh/kg固態(tài)鋰電池通過國家強(qiáng)檢認(rèn)證，如表2所示。

表 2 各大企業(yè)固態(tài)電池生產(chǎn)規(guī)劃

　　氧化物系固態(tài)鋰電池工藝分析，熱壓工藝是新增環(huán)節(jié)

　　加工工藝難度大和生產(chǎn)成本高一直制約著固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，固態(tài)鋰電池工藝變化主要體現(xiàn)在電芯制備工藝，其電極和電解質(zhì)制造環(huán)境要求更高，如表3所示。

　　表 3 氧化物系固態(tài)鋰電池工藝分析

　　1.典型設(shè)備介紹——疊片熱壓機(jī)

　　機(jī)型功能介紹：疊片熱壓機(jī)主要使用在全固態(tài)鋰電池電芯合成工藝段，相較傳統(tǒng)鋰電池，熱壓工藝是新增環(huán)節(jié)，少了注液環(huán)節(jié)，另外在速度和壓合精度上要求更高。

　　自動化產(chǎn)品配置情況：

? 每工位需要使用3~4軸伺服電機(jī)，分別用來進(jìn)行疊片壓合與貼膠工藝;

　　? 使用HMI顯示加熱溫度，加熱系統(tǒng)需要PID控制系統(tǒng)， 對溫度傳感器要求較高，用量較大;

　　? 對于控制器PLC在控制精度上要求更高、循環(huán)周期上要求更短，未來該機(jī)型應(yīng)以實現(xiàn)超高速熱壓疊片為發(fā)展方向。

設(shè)備廠商包括：西安泰格爾機(jī)電設(shè)備制造有限公司、深圳市旭崇自動化設(shè)備有限公司、深圳市海目星激光智能裝備股份有限公司、深圳市邦企創(chuàng)源科技有限公司。

　　2.典型設(shè)備介紹——流延機(jī)

　　機(jī)型功能介紹：將混合的粉體漿料通過自動供料系統(tǒng)裝置供給到流延頭部，然后根據(jù)工藝要求經(jīng)過刮刀、輥筒、微凹等涂覆方式，再經(jīng)過烘道干燥后，可以基帶連同生坯收卷待用也可以在干燥后將生坯剝離后修邊，再分切到用戶指定的寬度流延成型一定強(qiáng)度和柔韌性的片膜材料坯片。

自動化產(chǎn)品配置情況：

　　? 伺服主要用于收放卷、糾偏，收放卷處需要張力控制器對張力進(jìn)行調(diào)節(jié);

　　? 使用HMI顯示加熱溫度，加熱系統(tǒng)需要PID控制系統(tǒng);

　　? 風(fēng)機(jī)通風(fēng)流量需要使用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

設(shè)備廠商包括：浙江德龍科技有限公司、武漢坤元流延科技有限公司、廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司-新寶華設(shè)備分公司。

　　3.典型設(shè)備介紹——砂磨機(jī)

　　機(jī)型功能介紹：針對微小研磨珠的使用進(jìn)行優(yōu)化，從柔性分散至超高能量研磨進(jìn)行高效工作。

　　自動化產(chǎn)品配置情況：

　　? 砂磨機(jī)對于運(yùn)動控制要求相對較低，一般不使用伺服，而是使用普通低壓電機(jī)做砂磨生產(chǎn)工藝;

　　? 使用變頻器調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，能控制物料在不同線速度狀態(tài)下研磨，滿足不同物料的不同研磨細(xì)度需求。

　　設(shè)備廠商包括：無錫市少宏粉體科技有限公司、上海儒佳機(jī)電科技有限公司、東莞市納隆機(jī)械設(shè)備有限公司。