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    神奇材料石墨烯能否改写锂电池业态

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    神奇材料石墨烯能否改写锂电池业态

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    2021年中国石墨烯基固态柔性锂电池行业概览
    2021年中国石墨烯基固态柔性锂电池行业概览

    头豹研究院

    发布时间

    2021-6-17 00:00

    全文字数:3121字,精读时间:7分钟

    本文援引于报告《2021年中国石墨烯基固态柔性锂电池行业概览》,首发于头豹科技创新网(www.leadleo.com)。

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    从固态电池到石墨烯,锂电池行业或将迎来颠覆性变革

    随着5G、AIoT时代到来,可穿戴设备、柔性手机、新能源汽车等领域加速发展,对锂离子电池的续航、柔性、安全等性能提出更高要求。为满足下游应用产品长续航、柔性化、微型化发展需求,开发高能量密度的固态柔性锂离子电池成为亟待解决的问题。石墨烯基固态柔性锂电池将攻克固态锂电池的技术难点,实现高能量密度、柔性可折叠、和稳定的循环性等优点,电池的商业化发展潜力不可限量。

     

    对比于液态锂电池,固态锂电池的安全性能和高能量密度的比较优势明显

    固态锂电池相比于液态锂离子电池所具有的优势主要包括安全性能高、能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、电化学窗口宽、生产效率高、具备柔性优势

    安全性、能量密度和循环寿命是对锂电池发展的三大要求。由于液态锂电池面临热稳定性和能量密度方面的限制,而固态电池在这三方面均具备较强比较优势,因此也被视为下一代电池技术。固态锂电池具备多样性设计、工作温度范围广等优势,未来市场空间巨大,有望渗透可穿戴设备、航空航天等领域。

     

    固态锂电池将是锂电池实现能量密度突破的发展必经之路。利用石墨烯材料离子电导率和电子迁移率较高的特性,构建以石墨烯为框架的全固态锂电池固态电解质,将实现界面难题的突破

    伴随下游应用对锂电池行业提出更高的的要求,锂电池技术也向更高的比能与安全性发展。从锂电池技术发展的路径来看,固态锂电池将是锂电池实现能量密度突破的发展必经之路固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐渐下降,全固态电池是最终形态,预计2030年实现全固态电池商业化应用。固态电池的迭代过程中,液态电解质含量将从20wt%降至0wt%,电池负极逐步替换成金属锂片,电池能量密度有望提升至500Wh/kg,电池工作温度范围扩大三倍以上。固态锂电池面临的发展瓶颈主要是界面问题。利用石墨烯离子电导率和电子迁移率较高的特性,对锂电池进行石墨烯的掺杂修饰改性,实现界面问题的解决

     

    石墨烯基固态柔性锂电池目前产能主要受限于电池制备技术,中游电池制备尚未实现商业化规模量产下游市场主要以可穿戴设备、柔性手机等消费级电池领域为主,有望突破技术实现量产迎来广阔市场需求

    上游之电池正极活性物质是电池正极的关键材料,其中三元材料出货量占比最高达45%,三元材料的竞争格局相对分散。上游之电池负极材料,其中金属锂负极材料因其高容量和低电位的优点成为全固态锂电池最主要的负极材料之一。上游之固态电解质是全固态锂电池的核心部件,起着连接电池正负极,承载电池内部离子迁移传递的关键作用。上游之集流体是电池正负极的载体,粘接在正负极外部,将电池活性物质产生的电流汇集并输出的构件。上游之导电剂是锂电池的一种关键辅材。

    中游之石墨烯基固态柔性电池具备柔性、安全、快充、高能量密度等优势。

    随着可穿戴设备、柔性手机等新型电子产品兴起,消费锂电池下游应用范围越来越广。


     

    固态电解质是全固态锂电池的核心部件,起着连接电池正负极,承载电池内部离子迁移传递的关键作用,是实现高能量密度、高循环稳定性和高安全性能的关键材料

    固态电解质主要分为聚合物固态、氧化物、硫化物三大类,其中硫化物电解质、石榴石型无机电解质、LiPON电解质的市场研究热度最高。综合来看,聚合物体系最成熟,有望最快突破商业化瓶颈;氧化物体系综合性能较好,LiPON是全固态柔性锂电池主要原材料;硫化物体系是最具希望应用于电动车领域的固态电池体系,但技术尚未成熟。

    综合对比固态电解质性能,聚合物电解质的加工成本低、制备简单,综合商业化应用潜力大,但需改善离子电导率、锂离子迁移数较小;硫化物电解质性能最优,但需改善稳定性和制备工艺;氧化物电解质中的非晶态LiPON薄膜电解质,电导率低和制备成本高是主要瓶颈,在小微型柔性电池中有商业化潜力。

     

    随着可穿戴设备、柔性手机等新型电子产品兴起,消费锂电池下游应用范围越来越广,固态柔性电池赋能新应用,新兴应用市场持续活跃,新兴消费级电池市场有望迎来发展红利

    在可穿戴设备、高端智能柔性手机等细分市场驱动下,柔性电池、高倍率数码电池、软包电池等领域将为消费级电池市场带来增量。预计2022年中国消费级电池出货量达41GWh,保持稳定增长态势。整体而言,消费级锂电池的传统业务较稳定,固态柔性电池赋能新应用,新兴应用市场持续活跃,新兴消费级电池市场有望迎来发展红利。

     

    预计动力电池10%,消费电池15%渗透率,测算出2025年石墨烯基固态柔性锂电池市场规模最高可达302.5亿元

    由于石墨烯基固态柔性锂电池当前处于实验室阶段,尚未实现商业化规模量产,市场暂未大范围应用。因为石墨烯基固态柔性锂电池和传统业态锂电池存在替换关系,根据动力电池和消费锂电池市场规模估算石墨烯基固态柔性锂电池潜在的市场规模。

    假设石墨烯基固态柔性锂电池2025年在动力电池市场渗透率分别为:3%、5%、7%、10%;而消费电池市场相对门槛较低,预计渗透率为6%、8%、10%、15%,测算出2025年石墨烯基固态柔性锂电池市场规模最高可达302.5亿元,2020-2025E年复合增长率高达85.5。


     

     


    深度见解:从固态电池到石墨烯基锂电池,利用石墨烯材料离子电导率和电子迁移率较高的特性解决固态电池发展的技术难点,构建以石墨烯为框架的固态柔性快充锂电池,将给锂电池市场打开新局面

    固态锂电池将是锂电池实现能量密度突破的发展必经之路。利用石墨烯材料离子电导率和电子迁移率较高的特性,构建以石墨烯为框架的全固态锂电池固态电解质,将实现界面难题的突破。

    (1)利用石墨烯薄膜代替传统电池金属作为高导电集流体,制备可快速充放电的固态柔性锂离子电池,具备柔性、安全、快充、高能量密度等竞争优势。同时,石墨烯作为集流体可促进电子传输和提高弯折时电极材料的稳定性,可反复的弯曲、折叠和拉伸后,对于智能穿戴产品、柔性手机产品是不可替代的零部件。此外,固态电解质具备耐高温安全性能,具备刚性市场需求。

    (2)石墨烯通过阻止金属氧化物纳米粒子的团聚,且具有很强的相容性从而很好地弥补金属氧化的不足。石墨烯基金属氧化物复合使得两者的优势性能产生协同效应,复合物充分利用了活性组分的优势,进而提高材料的电化学性能和稳定性。因此,锂离子电池具备高电量、高能量密度和稳定的循环性等优势,电池的商业化潜力强劲。

    随着可穿戴设备、柔性手机等新型电子产品兴起,消费锂电池下游应用范围越来越广,石墨烯基固态柔性电池赋能新应用,新兴应用市场持续活跃,新兴消费级电池市场有望迎来发展红利。

     

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