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被宁德时代选择的“硫化物”固态电解质,产业进展如何?

05/08 12:00
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随着固态电池热度与期待的水涨船高,宁德时代也终于在近日公开了其对技术路线的选择与量产时间的规划。

4月底行业会议上,宁德时代首席科学家吴凯表示,公司正在进行基于硫化物电解质的全固态电池的研发,目前已建立起10Ah级别的验证平台。关于全固态量产,宁德时代则谨慎地将首个节点定在了2027年,并且只是小批量。

在宁德时代之前,硫化物电解质大多为海外固态电池企业所选择。但其实国内选择硫化物路线的下游还包括了恩力动力、高能时代等电池厂商。另据高工锂电了解,广汽、一汽等主机厂也正积极接触硫化物全固态路线。4月方推出的400Wh/kg广汽昊铂全固态电池,据业内推测正是采用了硫化物电解质。

从需求端向中上游推导,在硫化物固态电解质技术、材料、制备工艺等有所布局的企业,则既包括了孵化自高校的初创团队,也不乏电解液、隔膜企业的身影。

固态电解质的成熟将取代传统锂电四大主材之二的电解液与隔膜,这是相关企业提前进行技术布局、做好转型准备的背景。同时,对比氧化物电解质来说,硫化物机械柔韧性更好、热膨胀系数更低、成膜所需工艺相对成熟,更适合被制备成膜形态的固态电解质,隔膜企业的参与也因此有工艺上的优势。

总的来说,硫化物固态电解质在技术路线和产业化进度方面都还面临着诸多不确定性,而入局者的解决思路,则很大程度上受到团队背景和规模的影响。

硫化物作为固态电解质的优势和劣势都很明确。

与聚合物、氧化物和卤化物进行对比,硫化物最突出的优势对高离子电导率的满足。相关实验数据显示,硫化物是四种固态电解质路线中,离子电导率最接近且有望超越液态电解质的。

不过,硫化物电解质也面临着在空气中不稳定、合成成本高的问题。由于硫化物遇空气会迅速水解生成毒性气体,因此电解质合成需在惰性气氛环境下进行,造成研发、制造、运输及储存成本高昂。

此外,硫化物电解质的电化学窗口相对更窄,与高比能正负极材料的适配面临挑战,与业内对固态电池打破液态电池能量密度天花板的期待有所背离。

国内企业对硫化物电解质的研发,正朝着放大高电导率优势和解决空气稳定性差等痛点两大方向分化。

在放大优势方面,孵化自上海交大的上海屹锂团队,其自研硫化物全固态电解质的离子电导率已在2023年10月突破16mS/cm,以国内TOP2动力电池厂商为主要客户已可实现吨级出货。

宁德时代则是“优先解决劣势一派”的代表。据吴凯介绍,针对硫化物空气稳定性低的问题,宁德时代采取的策略是对电解质进行疏水层包覆设计,包覆后电解质可在-40℃露点环境保持稳定。针对材料成本高的问题,宁德时代则决定开发新型合成路线,通过低含锂量材料来实现降本。

有研广东院团队同样主要空气稳定性低的问题进行硫化物电解质开发,目前已具备在-45℃干燥间环境中制备30μm硫化物电解质膜的能力。

但值得注意的是,硫化物体系中,一个基础科学问题的解决,可能会造成另一个问题的出现,或无法同时兼具其他性能优势。这也是国内相关企业技术布局、进展差异大的原因。

据高工锂电观察,其中初创公司多根据核心研发团队的技术优势,先行选择一个问题进行解决,但不一定具备确定或成熟的技术路径与迭代规划。基于此,为下游进行”“技术孵化与储备”,也成为了部分初创公司为自己寻得的核心定位。

另据相关业内人士向高工锂电指出,如此现状的存在,也与行业内“黑箱”问题的普遍有关,单纯的电解质研发团队与正负极等材料企业的联动并不流畅,信息不透明也就不利于固固界面接触等问题的解决。

某种程度上,这对于固态电解质企业在技术上的进展节奏是一种扰乱,而产业触角更为全面的团队也正逐步建立起壁垒、拉开优势。

此背景下,可以观察到部分企业在固态电解质研发时,将粒径、离子电导率等的定制化选项纳入考虑,这是当下全固态电池路线尚未确定时期的特殊产物。

以四川新能源汽车创新中心(欧阳明高院士工作站)为例,该团队已初步形成硫化物固态电解质的产品矩阵,包括基础型、掺杂型、包覆型、小粒径型四大类别,分别拥有相纯度与离子导率高、本征稳定性高、界面稳定性高、与电极活性材料匹配度高的差异化特质。

也有业内人士表示,从当下展望未来,全固态电芯内部也有多种固态电解质共存的可能性,单一固态电解质产品未必需要是“十项全能”选手。

最后,对于固态电解质来说,其产品特性的发挥程度与生产和验证的规模都息息相关。

如有硫化物电解质产品号称已可实现>8mS/cm的离子电导率,在业内处于中上游水平,但其团队提示并不可忽略“吨级线”的前提,也还需关注接下来可在多少Ah的电芯上完成试验。

随着全固态量产的推进,相关技术与团队还将面临更多的不确定性。

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宁德时代新能源科技股份有限公司是全球领先的锂离子电池研发制造公司,公司专注于新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产和销售,致力于为全球新能源应用提供一流解决方案。

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