固态电池与低空经济,相互成就的新未来

发布时间:2024-11-24 20:35:18 浏览次数:1520

一、固态电池与低空经济的 “邂逅”

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固态电池与低空经济的结合并非偶然,低空经济的快速发展对电池性能提出了更高要求,而固态电池的特性使其成为低空飞行器的理想动力选择。
近年来,低空经济进入快速培育阶段,产业发展迎来新契机。2023 年,我国低空经济市场规模达 5059.5 亿元,预计 2026 年将超过 1 万亿元,至 2035 年有望达到 3.5 万亿元。低空经济的蓬勃发展,使得低空飞行器、无人机等对电池的能量密度、功率、安全性等方面提出了更为严格的要求。
固态电池凭借其独特的特性,完美契合了低空经济的发展需求。首先,固态电池采用固态电解质,避免了液态电解质可能导致的泄漏和火灾风险,极大地提高了电池的安全性。其次,固态电池的能量密度大幅提升,能够为低空飞行器提供更长的续航能力。例如,南都电源积极拓展新能源汽车和 evtol 业务,将固态电池运用到这些领域,抓住了低空经济发展的机遇。
此外,亿纬锂能、孚能科技、宁德时代等企业都相继表示,已有电池产品适用于低空飞行领域。2024 年以来,国内加快 eV TOL 商业化落地,对高能量密度、高功率、高安全性的电池需求紧迫,且对成本不敏感,固态电池完美契合 eV TOL 市场的需求,产业化进程有望提前。
恩力动力在全固态电池领域获得重大突破,其研发的新型大容量全固态电池在无压力环境下,可实现数百次稳定充放循环,容量保持率仍保持在 85% 以上,为低空经济中无人机、电动垂直起降飞行器等关键应用提供了强有力的技术和动力支撑。
五矿证券研报显示,低空经济要求电池具备高能量密度、高功率、高安全性等,电池向高能量密度等方向迭代,将帮助低空经济逐步实现商业化。低空经济的蓄势起飞,将助推固态电池产业发展。
总之,固态电池与低空经济的结合是大势所趋,两者相互促进,共同发展。固态电池为低空经济提供了可靠的动力源,而低空经济的发展也为固态电池产业带来了广阔的市场空间。

二、固态电池在低空经济中的优势

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(一)高能量密度

用于低空飞行器的电池能量密度最好达到 300Wh/Kg 以上,一些尖端应用场景甚至要达到 400Wh/Kg 以上,固态电池在能量密度方面具有明显优势。
低空经济的快速发展,尤其是电动垂直起降飞行器(eVTOL)等领域,对电池的能量密度提出了极高的要求。固态电池凭借其独特的技术优势,在能量密度方面表现出色。据相关研究显示,液态锂电池的能量密度上限在 300Wh/Kg 以内,而固态锂电池的能量密度上限在 500Wh/Kg 以上。不同的航空器对能量密度的要求不同,但要达到 300Wh/Kg 以上一定涉及半固态电池,到 400Wh/Kg 以上就需要全固态电池。例如,恩力动力研发的新型大容量全固态电池,能量密度覆盖 300Wh/kg - 500Wh/kg 之间,适用于工业无人机、eVTOL 等应用场景,为低空经济的发展提供了强有力的动力支持。

(二)高安全性

传统液态电池存在热失控的安全风险,而固态电池把电解液替换成固态电解质,不存在热失控,即使短路也不会产生易燃易爆的危险因素。
航空动力电池对安全的要求极高,传统的液态电池很难满足其本质安全的要求。液态电池中的有机电解液相当于燃料,在高温下存在热失控的安全风险,容易引发自燃爆炸等危险情况。而固态电池使用固态电解质,由于固态材料本身不能燃烧、也不会爆炸,不存在热失控的风险。即使发生短路,也不会产生易燃易爆的氢、氧等危险因素。例如,中国科学院研究员陈汝颂的研究表明,以氧化物为主的固态电解质的热失控初始温度超过 600°C,最高可达 1800°C,基本消除了电池燃烧的可能性。固态电池的高安全性为低空飞行器的安全运行提供了可靠保障。

(三)高充放电倍率

低空飞行器需要更快地充满电,固态电池能满足这一需求,理想的充电倍率要达到 2 - 4C,即半小时之内能够充满。
低空飞行器对充电速度有着较高的要求,更高的充放电倍率意味着能更快地充满电,提高运营效率。固态电池在充放电倍率方面具有明显优势,理想的充电倍率能够达到 2 - 4C,半小时之内即可充满电。这对于低空飞行器来说至关重要,能够满足其快速充电的需求。例如,力神电池的 eV TOL、消费无人机电池兼具高能量密度和高功率特征,为低空经济的发展提供了强大的动力支持。随着技术的不断进步,固态电池的充放电倍率有望进一步提高,为低空经济的发展带来更多的便利。

三、低空经济对固态电池的需求

(一)性能需求

低空飞行器对电池性能的需求极为严格,接近刚性标准。其中,高能量密度是关键需求之一。用于低空飞行器的电池需要在有限的空间内储存尽可能多的能量,以支持飞行。目前,用于低空飞行器的电池能量密度最好达到 300Wh/Kg 以上,一些尖端应用场景甚至要达到 400Wh/Kg 以上。固态电池在能量密度方面具有显著优势,液态锂电池的能量密度上限在 300Wh/Kg 以内,而固态锂电池的能量密度上限在 500Wh/Kg 以上。不同的航空器对能量密度的要求不同,要达到 300Wh/Kg 以上一定涉及半固态电池,到 400Wh/Kg 以上就需要全固态电池。例如,恩力动力研发的新型大容量全固态电池,能量密度覆盖 300Wh/kg - 500Wh/kg 之间,适用于工业无人机、eVTOL 等应用场景,为低空经济的发展提供了强有力的动力支持。
高充放电倍率也是低空飞行器对电池的重要需求。低空飞行器需要更快地充满电,以提高运营效率。理想的充电倍率要达到 2 - 4C,即半小时之内能够充满。固态电池在充放电倍率方面具有明显优势,能够满足低空飞行器的快速充电需求。例如,力神电池的 eV TOL、消费无人机电池兼具高能量密度和高功率特征,为低空经济的发展提供了强大的动力支持。随着技术的不断进步,固态电池的充放电倍率有望进一步提高。
此外,航空动力电池还需要一定的循环寿命。但实际上,电池的能量密度、充放电倍率与循环寿命之间存在制约关系。对于一个电池系统来讲,要同时满足高能量密度、高充放电倍率以及一定的循环寿命这三个要求,非常具有挑战性,这对材料的创新、工艺技术的创新提出了更高的标准和要求。

(二)成本容忍度

低空飞行器在发展初期由于对性能的刚需,对电池成本有一定的宽容度。尽管固态电池的成本目前较传统液态电池更高,但低空飞行器对电池性能的需求接近于刚性,同时有一些高端的应用场景,可以容忍一些新技术产品的成本相对较高。
例如,恩力动力去年在北京大兴已落地半固态电池量产线,同时量产的半固态电池也开始在无人机和飞行器领域应用。从开始量产到现在,成本跟传统的三元锂电池相比在逐渐接近,预计随着明年长三角基地 2GWh 的放量,单位瓦时的(半固态)电池成本能够逼近现在三元锂电池在市场上的成本。
低空经济的发展为固态电池的发展提供了空间。随着固态电池在低空经济中的规模化应用,固态电池的成本有望逐渐降低,接近甚至低于传统的三元液态锂电池。

四、固态电池与低空经济的未来展望

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(一)产业发展趋势

高工产研(GGII)指出,2027 年将是固态电池产业从市场发展初期迈向快速上升期的转折点。在这个过程中,半固态电池可能一直是固态电池市场的主流产品形态。这一趋势的形成主要有以下几个原因:
首先,固态电池技术路线呈现多样化发展局面,超过 60% 的企业布局两种乃至三种技术路线,而半固态电池在多种技术路线的探索中具有一定的优势。半固态电池在能量密度、安全性等方面较传统液态电池有显著提升,同时又在生产工艺和成本控制上相对全固态电池更具可行性。
其次,从企业布局来看,目前中国固态电池产业链企业数量超过 200 家,其中不少企业将半固态电池作为重点发展方向。例如,国轩高科在 2017 年就开始布局全固态电池,2022 年发布了 340Wh/kg 半固态电池,目前半固态电池已经有 2GWh 和 5GWh 的产线。欣旺达也很早就对固态电池进行了布局和开发,400Wh/kg 固态电池已经在实验室研发出来,计划在 2026 年建设生产线进行初步量产。

(二)市场规模预测

中国低空经济市场规模预计在 2025 年达到 1.5 万亿元,到 2035 年更有望突破 3.5 万亿元,将对固态电池产生大量需求。随着低空经济的快速发展,尤其是电动垂直起降飞行器(eVTOL)等领域的兴起,对电池的性能要求越来越高。固态电池凭借其高能量密度、高安全性和高充放电倍率等优势,成为低空飞行器的理想动力选择。
例如,亿航智能与欣界能源、国际先进技术应用推进中心(合肥)低空经济电池能源研究院联合研发的高能量固态电池取得重大技术突破,搭载该电池的飞行器续航显著提升 60%—90%,成为全球首个完成固态电池飞行测试的无人驾驶载人电动垂直起降航空器(eVTOL)。欣界能源研制推出的锂金属高能量固态电池,能量密度高达 480 Wh/kg,且通过了高温、针刺、跌落等极端条件测试,稳定性极佳,在长距城市空中交通、低空物流运输、高层消防应急等多个领域展现了广阔的应用前景。

(三)合作与创新

电池企业与低空飞行器企业合作开发适用多种运行场景的电池,共同推动固态电池与低空经济的发展。在低空经济的发展过程中,电池企业与低空飞行器企业的合作至关重要。双方可以充分发挥各自的优势,共同研发出满足低空飞行器需求的高性能电池。
例如,中国科学院院士欧阳明高强调必须要布局全固态电池产业,企业在搞全固态电池的同时也要兼顾液态电池,保优势、防颠覆。中国第一汽车集团有限公司研发总院电池开发部部长孙焕丽表示,目前公司完成了核心材料 20Ah 级电芯的开发,希望 2027 年实现小批量示范运行。同时,企业之间的合作也在不断加强,亿航智能、欣界能源及海目星三方强强联手,有利于进一步解决关键技术难点,大幅缩短各自产品的商业化之路,加速推动固态电池的技术革新,及在低空经济等更多应用场景的落地。


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