die industrialisierung von festkörperbatterien schreitet voran. wer kann die „kopfsuppe“ schmecken?
2024-09-13
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festkörperbatterien gelten mit ihrer revolutionären sicherheit und energiedichte als „ultimative antwort“ auf die batterietechnologie.
da die technologie immer ausgereifter wird, beschleunigt sich der industrialisierungsprozess von festkörperbatterien in meinem land, und kürzlich wurden eine reihe von reinen festkörperbatterieprodukten vorgestellt.
neue all-solid-state-produkte haben dazu geführt, dass der sektor der festkörperbatterien in naher zukunft zu einem der wenigen lichtblicke auf dem markt wird. branchenanalysten glauben, dass im industrialisierungsprozess von festkörperbatterien die sicherste chance in der kostensenkung des rohstoffs lithiumsulfid liegen könnte, während halbfestkörperbatterien auf hoher sicherheit und hoher kompatibilität mit der bestehenden produktion basieren linien, einfacher prozess. mit vorteilen wie geringeren kosten wird erwartet, dass es sich um eine übergangslösung von aktuellen flüssigbatterien zu festkörperbatterien handelt, die der massenproduktion von festkörperbatterien vorausgehen und die erste runde bringen wird investitionsmöglichkeiten.
übertreffen sie die leistung von flüssigbatterien bei weitem
festkörperbatterien sind, wie der name schon sagt, batterien, die feste positive und negative elektroden sowie feste elektrolyte verwenden und einen wesentlichen unterschied zu herkömmlichen lithiumbatterien darstellen, die auf flüssigen elektrolyten basieren. entsprechend dem unterschiedlichen gehalt an flüssigem elektrolyt können festkörperbatterien in drei typen unterteilt werden: halbfest (die masse des flüssigen elektrolyten beträgt weniger als 10 %), quasi-fest (die masse des flüssigen elektrolyten beträgt weniger als 5 %) und vollständig fester zustand (enthält keinen flüssigen elektrolyten).
im vergleich zu flüssigbatterien haben festkörperbatterien drei wesentliche leistungsvorteile:
erstens ist die energiedichte hoch. festkörperbatterien haben ein breites elektrochemisches fenster (über 5 v), sind mit kathodenmaterialien mit höherer spannung kompatibel (kathoden mit hohem nickelgehalt, nickel-mangan-spinell-kathoden usw.) und können daher silizium und lithium als anodenmaterialien verwenden erreichen einer höheren energiedichte. darüber hinaus können sein hohes spannungsverhältnis und seine gute sicherheit auch die batteriestruktur vereinfachen und die verbesserung der zellenergiedichte fördern. die energiedichte von ternären eisen-lithiumbatterien beträgt normalerweise 180–230 wh/kg. die kürzlich von penghui energy (300438.sz) herausgebrachte feststoffbatterie hat eine energiedichte von 280 wh/kg. tech (002074.sz) ) hat eine halbfeste batterie mit einer energiedichte von 360 wh/kg entwickelt. eine hohe energiedichte sorgt für eine längere reichweite. die im saic zhiji l6 verwendete lichtjahr-feststoffbatterie soll eine reichweite von mehr als 1.000 kilometern haben.
zweitens ist die sicherheit gut. der elektrolyt von lithium-ionen-batterien birgt die gefahr des auslaufens und es besteht die gefahr einer selbstentzündung und explosion, wenn die temperatur zu hoch ist. festelektrolyte weisen eine gute thermische stabilität auf, sind nicht brennbar und nicht explosiv und bergen kein risiko des flüssigkeitsaustritts. da festelektrolyte eine relativ stabile chemische aktivität aufweisen, werden sie weniger von der umgebungstemperatur beeinflusst und weisen eine höhere stabilität unter bedingungen wie kollisionen auf extrusion. darüber hinaus verfügen festkörperbatterien über einen größeren temperaturbereich und können sich besser an umgebungen mit hohen und niedrigen temperaturen anpassen. die festkörperbatterieprodukte von penghui energy verfügen über einen breiten betriebstemperaturbereich von -20℃~85℃.
lange lebensdauer. festkörperbatterien verwenden nicht brennbare festelektrolyte anstelle von brennbaren organischen elektrolyten, was verhindern kann, dass lithiumdendriten den separator durchdringen und kurzschlüsse verursachen, was die sicherheit und lebensdauer der batterie erheblich verbessert. gleichzeitig verfügt der festelektrolyt über eine hohe mechanische festigkeit, wodurch die strukturelle integrität aufrechterhalten werden kann, wenn sich die batterie ausdehnt oder zusammenzieht, und eine verschlechterung der batterieleistung durch mechanische beanspruchung verringert wird. die grenzflächenkompatibilität zwischen dem festelektrolyten und dem elektrodenmaterial ist besser, was das wachstum der grenzflächenimpedanz verringert und dazu beiträgt, die langfristig stabile lade- und entladeleistung der batterie aufrechtzuerhalten. unter idealen bedingungen ist die zyklenleistung der festkörperbatterie gewährleistet kann etwa 45.000 mal erreichen.
die aufwertung positiver und negativer elektrodenmaterialien bietet iterationsmöglichkeiten
basierend auf der technischen realität, dass die energiedichte von flüssigbatterien nahe an der obergrenze liegt, wird davon ausgegangen, dass festkörperbatterien in zukunft flüssigbatterien teilweise oder sogar vollständig ersetzen werden. was sind also die gemeinsamkeiten und unterschiede zwischen den beiden aus sicht der industriekette? welche neuen investitionsmöglichkeiten wird der substitutionsprozess mit sich bringen?
schauen wir uns zunächst „gleich“ an. aus sicht der batteriestruktur haben festkörperbatterien und flüssigbatterien ähnliche strukturen, die beide aus einer positiven elektrode, einer negativen elektrode und einem elektrolyten bestehen. aus sicht der industriekette ist die zusammensetzung der beiden industrieketten ungefähr gleich, einschließlich des upstream-ressourcenendes, des midstream-herstellungsendes und des downstream-anwendungsendes. aus kostensicht sind batteriematerialien die hauptkostenquelle.
betrachtet man noch einmal „anders“, so liegt der hauptunterschied zwischen den beiden in den verwendeten materialien. in einem forschungsbericht von guolian securities wurde darauf hingewiesen, dass die entwicklung und anwendung der festkörperbatterietechnologie schrittweise in form von „festelektrolyt → neue negative elektrode → neue positive elektrode“ vorangetrieben wird, wobei der kern das ist einführung neuer materialsysteme. unter anderem wird das negative elektrodenmaterial von graphit auf eine siliziumbasierte negative elektrode, eine lithiumhaltige negative elektrode und das positive elektrodenmaterial von einer ternären elektrode mit hohem nickelgehalt auf eine hochspannungs-hochspannungselektrode aufgerüstet. nickel-ternär, ultrahoch-nickel-ternär und dann spinell-nickel. der separator wird schrittweise von einem herkömmlichen separator auf einen oxidbeschichteten separator aufgerüstet der separator wird eliminiert.
bei den kathoden können weiterhin die aktuellen lithium-eisenphosphat- und ternären materialsysteme verwendet werden, und in zukunft können hochspannungs-kathodenmaterialien verwendet werden, um eine höhere energiedichte zu erreichen. derzeit konzentriert sich die entwicklung von festkörperbatteriekathoden hauptsächlich auf ternäre kathoden mit hohem nickelgehalt, lithium-nickel-manganoxid, lithium-reiche mangan-basierte und andere wege. unter ihnen sind ternäre kathoden mit hohem nickelgehalt aufgrund ihrer vorteile wie hoher energiedichte, guter geschwindigkeitsleistung und hohem kommerzialisierungsgrad zum aktuellen mainstream geworden. materialien wie lithiumreiches mangan und lithium-nickel-manganat weisen herausragende vorteile bei der hohen energiedichte auf und dürften in zukunft neue richtungen einschlagen. unter den börsennotierten unternehmen haben rongbai technology (688005.sh) und dangsheng technology (300073.sz) bereits ternäre produkte mit hohem nickelgehalt an festkörperbatterieunternehmen geliefert, und guoxuan hi-tech und beterui (835185.bj) haben dies ebenfalls getan ein layout.
in bezug auf negative elektroden umfassen die negativen elektrodenmaterialien von festkörperbatterien hauptsächlich graphit, silizium, metallisches lithium usw., die sich deutlich von flüssigbatterien unterscheiden. es wird erwartet, dass siliziumbasierte anoden kurz- und mittelfristig die hauptlösung für anodenmaterialien für festkörperbatterien werden. die theoretische spezifische kapazität von silizium beträgt bis zu 4200 mah/g, was mehr als dem zehnfachen der grammkapazität aktueller graphitanodenmaterialien (372 mah/g) entspricht. es bietet die vorteile eines niedrigen potenzials, einer hohen grammkapazität und einer hohen energiedichte. ausreichende ressourcenreserven und niedrige kosten. langfristig wird metallisches lithium die ultimative wahl für anoden von festkörperbatterien sein. metallisches lithium hat die vorteile einer hohen theoretischen grammkapazität und eines niedrigen elektrodenpotentials. allerdings gibt es bei der industrialisierung von metallischem lithium immer noch einige herausforderungen, darunter vor allem kurzschlüsse, die durch das durchstechen des separators durch lithiumdendriten verursacht werden, und trennungen, die durch volumenänderungen während des zyklierens verursacht werden instabil leistungseinbußen durch sei-film usw.
was anoden auf siliziumbasis betrifft, verfügen shanshan co., ltd. (600884.sh), xiangfenghua (300890.sz), putilai (603559.sh), beterui, zhongke electric (300035.sz) usw. über produktionskapazitäten pläne; im hinblick auf metallische lithiumanoden wird erwartet, dass traditionelle giganten im bereich lithiumressourcen wie ganfeng lithium industry (002460.sz) und tianqi lithium industry (002466.sz) langfristig von marktdividenden profitieren werden, die durch anoden-iteration und nachfragewachstum entstehen .
halbfeste elektrolyte steigern die nachfrage nach seltenen metallen
als primäre „variable“ bei der anwendung der festkörperbatterietechnologie können festkörperelektrolyte je nach materialtyp hauptsächlich in polymer-festkörperelektrolyte und anorganische festkörperelektrolyte unterteilt werden. das repräsentative system für erstere ist peo polyethylenoxid, während letzteres oxide, sulfid- und halogenidsysteme umfasst.
unter diesen weisen oxidelektrolyte eine gute thermische stabilität und chemische stabilität gegenüber lithiummetall auf und werden normalerweise in halbfesten batterien verwendet. zu den repräsentativen unternehmen dieser route gehören tdk, toyota, qingtao energy, weilan new energy und ganfeng lithium battery, funeng technology (688567.sh), guoxuan high-tech, lishen battery, huineng technology usw.; sulfid hat eine überlegene leitfähigkeit und gilt als starkes kandidatenmaterial für festkörperbatterien, darunter samsung sdi, sk , lg new energy, solidpower, panasonic, catl (300750.sz), byd (002594.sz), guangzhou automobile group (601238.sh), penghui energy usw.
bei der oxidelektrolytroute kann sie je nach elektrolytkristallstruktur in perowskitstrukturtyp (wie llto), granatstrukturtyp (wie llzo), schnellen ionenleitertyp (latp), thiophosphat (lgps) usw. unterteilt werden es wird eine neue nachfrage nach metallrohstoffen wie zirkonium, lanthan, titan und germanium schaffen.
zu den rohstoffen von llzo gehören zirkoniumdioxid, zirkoniumnitrat, zirkoniumcarbonat usw. die zirkonium-ressourcenreserven meines landes sind gering, die nachfrage groß, die importabhängigkeit liegt bei über 90 % und das muster von angebot und nachfrage befindet sich seit langem in einem engen gleichgewicht. zu den inländischen zirkoniumproduktionsunternehmen gehören hauptsächlich dongfang zirconium industry (002167.sz), sanxiang new materials (603663.sh), kaisheng technology (600552.sh) usw. und haben bereits unterstützende forschungs- und entwicklungsmaßnahmen für festkörperbatteriematerialien durchgeführt .
zu den rohstoffen von llzo/llto gehören lanthanoxid, lanthannitrat, lanthanhydroxid usw. china ist reich an seltenerdressourcen und trägt 70 % zur weltweiten produktion bei. shenghe resources (600392.sh) und northern rare earth (600111.sh) verfügen über die produktionskapazität von lanthanoxid.
zu den rohstoffen von llto/latp gehören titandioxid, titanpyrophosphat usw. im jahr 2022 werden die globalen titanressourcenreserven (berechnet als tio2) etwa 700 millionen tonnen betragen, wobei ilmenit hauptsächlich 29 % der welt ausmacht und damit weltweit an erster stelle steht. zu den wichtigsten inländischen titandioxidherstellern gehören cnnc titanium dioxide (002145.sz), longbai group (002601.sz), vanadium titanium co., ltd. (000629.sz) usw.
zu den rohstoffen wie lagp und sulfid-festelektrolyt lgps gehören germaniumdioxid, germaniumsulfid usw. zu den wichtigsten inländischen unternehmen gehören yunnan germanium industry (002428.sz) und chihong zinc germanium (600497.sh).
lithiumsulfid wird zum schlüssel zur kostensenkung bei festkörperelektrolyten
sulfidelektrolyte sind für festkörperbatterien geeignet. zu den elektrolytmaterialien gehören hauptsächlich lithiumsulfid (li2s), natriumsulfid (na2s), kaliumsulfid (k2s) und andere typen. in einem forschungsbericht von oriental securities wurde darauf hingewiesen, dass der sulfid-silber-germanium-elektrolyt lpscl (li6ps5cl) unter sulfid-elektrolyten mit unterschiedlichen kristallstrukturen unter berücksichtigung der thermischen sicherheitseigenschaften, der technischen route die beste wahl ist .
der hohe preis von lithiumsulfid ist jedoch zum haupthindernis für die kommerzialisierung von sulfidelektrolyten geworden. am beispiel von lpscl ist lithiumsulfid ein wichtiger rohstoff für die synthese von lpscl-elektrolyten. der aktuelle preis für lithiumsulfid übersteigt 650.000 us-dollar/tonne (ca. 4,63 millionen rmb/tonne) und liegt damit weit über der kommerzialisierungsschwelle.
zu den wichtigsten produktionsmethoden für lithiumsulfid gehören derzeit mechanisches kugelmahlen, hochtemperaturreduktionsverfahren, lösungsmittelverfahren usw. diese herstellungsprozesse stellen hohe anforderungen an temperatur, feuchtigkeit und energieverbrauch und müssen durchgeführt werden in einer inerten atmosphäre, was zu einem hohen preis für lithiumsulfid führt, der fast 80 % der kosten für sulfid-festelektrolyte ausmacht. darüber hinaus sind sulfid-festelektrolyte auch mit problemen konfrontiert, wie z. b. einem schlechten fest-fest-grenzflächenkontakt, der zu einer verringerten ionenübertragungseffizienz führt, einer leichten reaktion mit feuchtigkeit unter bildung giftiger gase und der notwendigkeit einer inerten umgebung für produktion und lagerung. daher ist die verbesserung des herstellungsprozesses von lithiumsulfid zu einem schlüsselfaktor für die senkung der kosten für sulfidelektrolyte und sogar für die senkung der kosten für festkörperbatterien geworden.
börsennotierte unternehmen, die bereits im vorfeld lithiumsulfid eingesetzt haben, könnten die ersten sein, die von der entwicklung von festkörperbatterien profitieren. tianqi lithium hat derzeit unterstützungsarbeiten im zusammenhang mit der industrialisierung von lithiumsulfid der nächsten generation abgeschlossen, prototypen mit mehr als zehn nachgelagerten kunden durchgeführt und führt weiterhin verbesserungen der produktqualität und kostensenkungstechnologieoptimierung durch ., ltd. (002812.sz) die aktuellen hochreinen lithiumsulfid-produkte von enjie frontier new materials für den festkörper haben den bau und betrieb einer kleinen jährlichen produktionskapazität auf tonnenebene sowie den bau einer 100-tonnen-produktionskapazität abgeschlossen pilotproduktionslinie für lithiumsulfid.
darüber hinaus hat rongbai technology im dezember 2023 ein patent für die herstellungsmethode von lithiumsulfid angemeldet. durch die zugabe einer organischen schwefelquelle wird die reaktion zwischen der kohlenstoffquelle und lithiumsulfat gefördert, die produktion von verunreinigtem li2o reduziert und die reinheit verbessert von lithiumsulfid; lan haihua high energy times, eine aktientochter von teng (300484.sz), hat durchbrüche in der materialmodifikation erzielt und verfügt über die kapazität, lithiumsulfid-rohstoffe in tonnengröße unter der voraussetzung kontrollierbarer kosten herzustellen , und die physikalischen xrd-testergebnisse zeigen, dass die materialreinheit hoch ist, sagte das unternehmen. die testergebnisse zur ionenleitfähigkeitsleistung des sulfidelektrolyten (lipscl) können mit dem weltweiten spitzenniveau verglichen werden.
(dieser artikel stammt von china business news)
