材料革新 锂电革命

“零碳转型”一直是 Makeable 重点关注的议题,今年开始,我们进一步启动了针对几个高排放重点行业如何实现零碳转型及可持续发展的自主研究系列。借6月15日#全国低碳日#到来之际,Makeable 推出“化工行业系列”,将就绿色材料、清洁能源、节能降碳和资源循环四大方向,分别介绍低碳创新的关键趋势和全球创新解决方案。欢迎持续关注!

化工行业是我国实现双碳战略目标的关键行业之一。中国石化化工行业碳排放在全国二氧化碳总排放占比13%,在工业领域总排放占比20%,化工行业低碳转型需求强烈,对全国实现碳中和目标十分关键。

我国是化工产品生产和消费大国。以塑料为例,根据国家统计局数据,我国2021年塑料制品产量为8004万吨,目前每年的塑料表观消费量超过8000万吨,是全球最大的塑料生产和消费国。废弃后的传统塑料制品为环境带来极大负担。另外,在化工生产过程中,化工行业高能耗、高污染、高排放环节面临紧迫的节能减排压力,可持续发展是化工行业的未来生存之道。

针对化工行业的绿色发展,Makeable 将重点关注四大创新趋势:“绿色材料”、“清洁能源”、“节能降碳”和“资源循环”。在绿色材料研究中,本文将首先聚焦到锂离子电池材料,介绍相关的创新企业及技术。在系列的后续推文中,我们也将带来化工行业更多方向的绿色创新解决方案,欢迎关注。

1.全球与中国锂电发展现状

锂电行业是减少碳排放的关键一环。以电动汽车为例,远景科技集团2021碳中和行动报告提到,由远景动力电池驱动的汽车与传统内燃机汽车相比可以降低54%的碳排放量。在碳达峰、碳中和的大背景下,电动汽车、电力系统储能、基站储能、3C 产品等众多应用场景对锂离子电池的需求都将逐步增加。

1.锂电市场规模将不断扩大

2020年全球锂离子电池市场规模约为535亿美元,其中我国锂电产业规模达到了1980亿元。按容量计算,2021年中国锂离子电池产量324 GWh,同比增长106%。EVTank 联合伊维经济研究院共同发布的《中国锂离子电池行业发展白皮书(2022年)》显示,从2014年以来,中国一直是全球最大的锂离子电池生产和制造国家。中国主导着包括矿产和原材料加工的锂离子电池制造业供应链。工信部数据显示,我国锂电全行业总产值突破6000亿元。

数据来源:赛迪智库,Makeable 整理

在需求端,据全球电池联盟、罗兰贝格等多家机构预测,全球锂离子动力电池需求在未来几年预计将大幅增长。中国更是拥有全球最大的电动汽车市场,工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)已经提出,2025年新能源汽车占当年新车销量的占比将由原来的20%提升到25%。随着电动汽车市场规模的扩大,以及固定式储能、航空等应用场景对锂离子电池需求增加,锂电产业规模势必还将不断扩大。

2.多国发布锂电发展路线规划,推动锂电产业发展

各国都积极制定或发布了锂电相关发展规划,如德国弗劳恩霍夫研究所发布的《锂离子电池产品路线图2030》、美国能源部发布的《国家锂电池发展蓝图(2021-2030)》、欧盟启动《电池2030+路线图》、日本 NEDO 的《蓄电池技术发展路线图2013》等。

我国也发布多项锂离子电池产业及下游产业的相关政策和规划,为国内锂电产业的发展壮大起到了关键性作用。2021年工信部正式发布《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》,进一步鼓励和引导锂离子电池行业技术进步与规范发展。未来,随着“双碳”深入推进,新能源汽车、光伏产业等细分方向将持续受到政策支持,具备较大增长空间,将带动锂离子电池产业规模不断扩大。

2.锂电材料分类与创新案例

锂离子电池主要由电池正极、电池负极、隔膜、电解液四大材料组成。

目前世界范围内已进入商业化的正极材料包括钴酸锂(LCO)、三元材料(NCM)、锰酸锂(LMO)和磷酸铁锂(LFP)等。GGII 调研数据显示,以上4种锂电正极材料在2021年中国锂电正极材料市场占比分别为9%、38%、10%、43%。

负极材料以石墨材料为主,其中人造石墨占据主流地位。GGII数据显示,2021年中国锂电负极材料中石墨材料出货量占比98%,其中人造石墨占比84%。

隔膜用于分隔电极材料,直接影响电池的容量和安全性等,加快隔膜核心专利的研发为未来我国锂电池隔膜企业的发展趋势,如对孔径、孔隙率、浸润性、厚度的研发。

电解液是锂离子流动的载体,对电池的比容量、工作温度范围、循环效率和安全性能等至关重要。

来自行业上下游企业对锂电的更高更优需求促进了多个利益相关方的创新合作,也促进了锂电材料技术突破的创新企业的成立与发展。

锂离子电池材料产业链重要利益相关方 © Makeable

Makeable 对锂离子电池材料的国内外创新技术突破案例进行了初步梳理。这些案例通过电池材料的替代或处理,实现锂离子电池的各方面性能(如安全性、能量密度、极端温度运行、充电效率、循环寿命等)的提升

1.负极材料替代

硅纳米化硅碳结合

硅材料的比容量比石墨材料高,并且硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道,快充性能优异,是未来负极的发展方向之一。但硅基负极在嵌锂过程中体积膨胀严重、材料导电性差、首效和循环性能等问题制约了其商业化应用

Group14 Technologies、E-magy、革鑫科技等企业致力于开发硅基负极材料,研发硅纳米化硅碳结合工艺。

美国锂硅电池研发商 Group14 Technologies 向多孔碳支架注入了含硅气体,合成一种含有纳米级硅颗粒的碳化合物。相较传统的石墨负极,SCC55™产品的能量密度可提高50%。产品也可以和石墨材料混合使用,混合材料(20%SCC55™)在超过1000次循环后也能将能量密度提高30%。目前,公司已经建有一个电池活性材料工厂,还有两个正在建设中。

荷兰的 E-magy 发明了一种低成本的工艺,在多孔结构中填充纳米硅颗粒,解决了硅基负极的膨胀问题,可实现硅主导负极(硅含量>80%)。目前 E-magy 的纳米多孔硅年产量可达25吨。

©️ E-magy

国内纳米储能材料企业革鑫纳米采用碳包硅的一种包覆圆形状态,生产的高质量硅纳米颗粒,具有颗粒小(最小2nm)、尺寸可控(2-100nm任意定制)、粒径分布窄(偏差S<3)、球形率高(100%球形率)、晶态可调、纯度极高(大于99.999%)等六大明显优势。当把该高质量硅纳米颗粒添加至电池负极中,电池能量密度大幅度提升,且可以保持高稳定循环性能。

合金类复合负极材料

英国初创公司 Echion Technologies 使用氧化铌混合技术制成的铌基负极材料,实现电池可快速充电、高安全性、高能量密度。Echion Technologies电池可以在6分钟内完成安全快速充电,比标准锂离子电池快5倍以上。近日 Echion Technologies 与挪威电池初创公司 Morrow 签署了供应协议,将向后者供应150吨产品。

中科院深理工宣布唐永炳研究员团队开发出了一种新型铝基复合负极材料,通过与商用锂离子电池正极材料匹配,可开发新型锂电产品。该锂电产品可以在-70℃至80℃的温度下正常工作。铝基负极可有效缓解锂枝晶的产生,提高电池安全性。另外,铝基负极材料使得电池能量密度和充电效率性能提升,能量密度比传统的锂电提升了13%~25%。据悉,团队的多项相关专利成功实现了技术转移转化,并于2022年5月24日完成规模化量产。

2.电极材料处理

墨睿科技:石墨烯包覆锂电池电极材料

国内石墨烯研发生产商墨睿科技将石墨烯包覆在电极材料表面,组合形成碳壳结构,可增强电子转移速率,从而提高导电性,还能有效抑制电极材料充放电过程中的结构改变,减少其与电解液直接接触导致的副反应。能有效提高充放电容量、循环性能、高低温性能等。今年年初,墨睿科技宣布完成过亿元 B 轮融资,两轮融资分别由晨道资本独家投资和越秀产业基金领投。

3.隔膜材料替代

陶瓷隔膜研发

美国固态电池制造商 QuantumScape 的陶瓷隔膜能够满足电池高导电性、抗枝晶形成和低界面阻抗等关键要求,可以使负极材料为锂金属的 QuantumScape 电池正常工作。QuantumScape 电池能实现高能量密度、快速充电和长寿命等性能。陶瓷是不可燃的,比传统的碳氢化合物隔膜更安全。目前 QuantumScape 电池技术正在测试与验证阶段。

4.传统液态电解液替代

新型电解液开发

与在室温下为液态的传统锂电电解液和固态电解质不同,美国的 South 8 Technologies 首次开发一种新型液化气体电解质(LiGas®),并实现了商业化。这是第一个为下一代电化学储能设备开发和商业化新型专利液化气体电解质(LiGas®)的团队。LiGas® 使用在标准压力和室温下通常呈气态的溶剂,但可以在压力下液化并正常工作。

与液态电解液相比,LiGas® 表现出更优的滥用热失控安全性,可以在撞击、过热、短路等滥用条件下安全快速地从电池中排出,从而使电池安全失效,避免热失控或热扩散。今年4月,South 8 Technologies 宣布在 A 轮融资中筹集了1200万美元,此笔资金将用于加速LiGas® 技术的商业化。

固态电解质研发

相较传统锂电电解液,固态电解质的主要优点是可以完全去除液体成分,无有毒有机液体泄漏、易燃性低,从而提高设备的安全性。固态电解质是固态锂电池的核心。

美国初创企业 Factorial Energy 的 FEST™ 固态电解质材料,结合高压和高能量密度的电极可实现安全可靠的电池性能。与传统锂电可燃的液体电解液相比,FEST™ 材料更加安全,同时可以抑制锂金属负极上形成锂枝晶。FEST™ 可以集成至大部分现有的锂离子电池制造设备中。目前 Factorial Energy 已经与梅赛德斯-奔驰、Stellantis、现代和起亚建立了合作伙伴关系,今年年初获2亿美元融资,以加速其电动汽车用新型固态电池的商业化。

Factorial Energy固态锂电池  © Factorial Energy

美国 Solid Power 的硫化物基固态电解质是其全固态电池的关键成分。Solid Power 是首个团队以中试规模开发和生产硫化物基固态电解质,并在可扩展生产线上生产的大型电池中进行测试。2020年下半年 Solid Powe r宣布交付和验证2Ah 全固态电池,预计将在2022年生产并交付首批100Ah 电池给车企投资方开展相关测试。

在国内也有企业通过材料优化、配方改进研发固态/半固态电解质材料,如高能时代能源(硫化物基固态电解质)和卫蓝新能源(混合固液电解质)等。

3.锂电技术挑战和研发方向

据 GGII 评估,我国当前锂电产业已进入发展成长期的中期阶段,市场规模高速增长。但随着传统锂电材料价格上涨、下游产业规模扩大,来自上下游的压力使锂电产业面临创新升级挑战。高能量密度、高充电效率、高安全性、轻量化、低成本、长寿命仍是锂电研发的重要方向

➡️ Impact Hub Shanghai 与可持续创新创业平台 Makeable 也曾在去年深度访谈了化工行业相关产业方,从产业方角度出发对锂电提升能量密度和安全性的创新提供了一些思考方向,欢迎点击🔗《专访特殊化学品公司朗盛(Lanxess):可持续发展是化工行业的未来生存之道》回顾。

资料来源:高工产研锂电研究所(GGII),Makeable 整理

降低电池生产碳排放也是锂电研发重点。欧洲运输与环境联合会数据显示,仅电池生产部分的碳排放范围就在61-106kg CO2/kWh,最高可占据电动汽车全生命周期的60%以上。而欧盟提出的新电池法规要求自2024年7月1日起,只有已建立碳足迹声明的可充电工业和动力电池才能投放欧盟市场。因此加强电池生产过程碳足迹管理是电池企业的未来趋势,也对电池材料供应商在材料减碳方面提出更高要求。

另外,正负极材料、电解液、隔膜、电解液等关键核心技术创新,与电池其他商用组件匹配度,以及与现有的锂电制造设备的匹配度,也是影响创新技术能否快速商业化的重要因素。

除了锂电研发升级,电池巨头和初创企业开始布局新的电池技术体系,如固态电池、钠离子电池、氢燃料电池等。其中,固态电池技术备受关注。在工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)中,加快固态动力电池技术研发及产业化被列为新能源汽车核心技术攻关工程。从投融资热度来看,2022年以来已有多家国内外固态电池生产商获得了新投资。

资料来源:互联网公开信息,© Makeable整理绘制

另外,锂电池电池回收能够缓解原材料稀缺压力,加强环境可持续性,实现循环经济。据《中国废旧锂离子电池回收拆解与梯次利用行业发展白皮书》披露,2020年中国锂离子电池理论回收量47.8万吨,实际可统计的真实回收量仅为19.6万吨,但预计2026年中国理论废旧锂离子电池回收量将达到231.2万吨。相信随着资源需求增加和技术进步,未来电池回收贡献将持续显著增大。Makeable 后续也将继续为大家聚焦关注电池回收的创新方案。

参考资料:

国家统计局数据

落基山研究所《碳中和目标下的中国化工零碳之路》

工信部《2021年锂离子电池行业运行情况》

工信部《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)

工信部《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》

EVTank、伊维经济研究院《中国锂离子电池行业发展白皮书(2022年)》

EVTank、伊维经济研究院《中国废旧锂离子电池回收拆解与梯次利用行业发展白皮书(2021年)》

EVTank、伊维经济研究院《中国废旧锂离子电池回收拆解与梯次利用行业发展白皮书(2022年)》

赛迪研究院《锂离子电池产业发展白皮书(2021版)》

GGII《2022年中国锂电池行业调研报告》

GGII《2021年中国锂电池行业发展调研分析报告》

华安证券《新能源锂电池系列报告》

Fraunhofer-Institute “Product Roadmap Lithium-Ion Batteries 2030”

U.S. Department of Energy “National Blueprint for Lithium Batteries 2021-2030”

BATTERY 2030+ “Inventing the Sustainable Batteries of the Future”

NEDO《蓄电池技术发展路线图2013》

远景《碳中和报告2021》

新材料在线《一张图看懂锂电池产业链及其9大关键材料(2022年版)》

36氪《2021年中国锂离子电池行业洞察报告》

https://factorialenergy.com/
https://solidpowerbattery.com/electrolytes/
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https://www.gtc-power.com/materials/131.html
https://www.south8technologies.com/

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https://www.quantumscape.com/technology/

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