【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、更廣應用領域的固態(tài)鋰電池，廣泛被業(yè)內人士認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)鋰電池技術研發(fā)的進程已經越來越快，市場需求或推動固態(tài)鋰電池量產提前。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，下游應用領域的不斷革新對鋰電池行業(yè)提出了愈來愈高的要求，鋰電池技術也由此不斷進步，向更高的比能與安全性進發(fā)。從鋰電池技術發(fā)展的路徑來看，液態(tài)鋰電池能夠實現(xiàn)的能量密度已經逐漸接近了它的極限，固態(tài)鋰電池將是鋰電發(fā)展的必經之路。

　　根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》，2025年動力電池的能量密度目標為400Wh/kg，2030年目標為500Wh/ kg。想達到2030年的目標，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術路線恐難擔大任，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《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》(征求意見稿)提出：加強固態(tài)鋰電池研發(fā)和產業(yè)化進程，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)鋰電池也被公認為有望突破電化學儲能技術瓶頸，滿足未來發(fā)展需求的新興技術方向之一。在電化學儲能方面，目前鋰電池占電化學儲能比重達80%。2020年電化學儲能累計裝機規(guī)模為3269.2MV，同比2019年增長91%，結合國家對能源發(fā)展的指導方針，電化學儲能在用戶側、可再生能源并網配套等領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 年中國化學儲能項目累計裝機規(guī)模及增速

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

　　企業(yè)加快研發(fā)進程，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競爭中占據(jù)主導權。但按照目前的進展，全固態(tài)鋰電池則需要5-10年，在科學上和制造工藝上成熟才能量產。國際主流車企如豐田、大眾、寶馬、本田、日產、現(xiàn)代等都在加碼固態(tài)鋰電池技術的研發(fā)投入;電池企業(yè)方面，寧德時代、LG化學、松下、三星SDI、比亞迪等也在持續(xù)研發(fā)當中。

　　全固態(tài)鋰電池根據(jù)電解質材料可以分為三類：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)鋰電池生產布局

　　從研發(fā)進度來看，國外方面，豐田是業(yè)內公認在固態(tài)鋰電池領域最有實力的玩家之一，豐田最早提出相關動態(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，已經在測試路線上進行了行駛試驗。目前已經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鏈，其中包括固態(tài)鋰電池。國內方面， 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)模的試生產線。2021年9月，江蘇清陶368Wh/kg固態(tài)鋰電池通過國家強檢認證，如表2所示。

表 2 各大企業(yè)固態(tài)電池生產規(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成本高一直制約著固態(tài)鋰電池的產業(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.典型設備介紹——疊片熱壓機

　　機型功能介紹：疊片熱壓機主要使用在全固態(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。

　　自動化產品配置情況：

? 每工位需要使用3~4軸伺服電機，分別用來進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，未來該機型應以實現(xiàn)超高速熱壓疊片為發(fā)展方向。

設備廠商包括：西安泰格爾機電設備制造有限公司、深圳市旭崇自動化設備有限公司、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.典型設備介紹——流延機

　　機型功能介紹：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)工藝要求經過刮刀、輥筒、微凹等涂覆方式，再經過烘道干燥后，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度和柔韌性的片膜材料坯片。

自動化產品配置情況：

　　? 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行調節(jié);

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

　　? 風機通風流量需要使用變頻器對風機進行變頻調節(jié)。

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

　　3.典型設備介紹——砂磨機

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

　　自動化產品配置情況：

　　? 砂磨機對于運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做砂磨生產工藝;

　　? 使用變頻器調整主軸轉速，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度需求。

　　設備廠商包括：無錫市少宏粉體科技有限公司、上海儒佳機電科技有限公司、東莞市納隆機械設備有限公司。