Rapport sur l'industrie des batteries à l'état solide
Concepts de base de l'industrie des piles à l'état solide
Concept de batterie à l'état solide
Les batteries à l'état solide sont des batteries lithium-ion à électrolytes solides. Par rapport aux batteries au lithium traditionnelles, l'avantage le plus important des batteries à l'état solide est qu'elles sont plus résistantes que les batteries au lithium. batterie à l'état solide est la sécurité. Les piles à l'état solide sont ininflammables, résistantes aux températures élevées, non corrosives et non volatiles.
L'électrolyte solide est au cœur des batteries à l'état solide. Les matériaux de l'électrolyte déterminent en grande partie les paramètres de performance de la batterie au lithium solide, tels que la densité de puissance, la stabilité du cycle, la sécurité, les performances à haute et basse température et la durée de vie.
Les batteries lithium-ion à l'état solide fonctionnent de la même manière que les batteries lithium-ion classiques. La principale différence entre les deux réside dans le fait que les électrolyte de batterie de la batterie à électrolyte solide est solide, ce qui signifie que le site de migration des ions lithium a été transféré dans l'électrolyte solide.
Grâce à l'amélioration continue des matériaux cathodiques, l'électrolyte solide peut être mieux adapté, ce qui permet d'améliorer la densité énergétique de l'énergie. systèmes de batteries au lithium.
En outre, l'isolation de l'électrolyte solide en fait une bonne barrière entre la cathode et l'anode de la batterie, évitant les courts-circuits causés par le contact entre la cathode et l'anode et agissant comme un séparateur.
Classification des batteries à l'état solide
Selon le choix du matériau de l'électrolyte, la batterie à l'état solide peut être divisée en trois systèmes d'électrolyte : le polymère, l'oxyde et le sulfure. Parmi eux, l'électrolyte polymère appartient à l'électrolyte organique, l'oxyde et le sulfure appartiennent à l'électrolyte céramique inorganique.
En fonction des différents matériaux de l'anode et de la cathode, la batterie solide peut également être divisée en batterie solide au lithium-ion (utilisant le système actuel de matériaux de batterie au lithium-ion, comme l'anode en graphite + carbone silicium, trois cathodes, etc.) et en batterie solide au lithium-métal (lithium-métal en tant qu'électrode négative).
Chaîne industrielle des batteries à l'état solide
La chaîne industrielle des piles à l'état solide est à peu près similaire à celle des piles au lithium liquide. La principale différence entre les deux réside dans le fait que les matériaux de l'anode et les électrolytes sont différents au milieu et en aval de la batterie, et que la cathode est presque la même.
Matériaux cathodiques en amont：
Comme pour les batteries lithium-ion traditionnelles, le matériau de la cathode des batteries à semi-conducteurs adopte généralement des électrodes composites, comprenant un électrolyte solide et un agent conducteur en plus de la substance active de l'électrode, qui joue le rôle de transporteur d'ions et d'électrons dans l'électrode. Selon la classification des matériaux de cathode, il existe principalement des matériaux ternaires, le phosphate de fer lithié, le cobalt lithié et le manganèse lithié.
En 2019, les expéditions de matériaux ternaires de la Chine représentaient la plus grande proportion de 47,5% ; le deuxième est le phosphate de fer lithié, représentant 21,8%. Les matériaux ternaires présentant des avantages en termes de densité énergétique devraient continuer à remplacer le marché du phosphate de fer lithié.
À l'heure actuelle, les matériaux cathodiques chinois sont encore en pleine concurrence et le degré de concentration pourrait augmenter à l'avenir. Les trois premières entreprises en termes de livraisons de matériaux cathodiques en Chine sont Xiamen Tungsten, Tianjin BAMo et Germany Nano, avec des parts de marché respectives de 11%, 7% et 7%. Du point de vue de l'évolution des prix, le prix global des matériaux ternaires en Chine affiche une tendance à la baisse.
La demande du terminal principal n'est pas suffisamment stimulée, et la transmission de la capacité de libération des matières premières superposée affecte le prix du marché des matières ternaires.
Matériaux d'anode en amont：
Les matériaux d'anode des batteries à l'état solide se concentrent principalement sur les matériaux d'anode en lithium métal, les matériaux d'anode en carbone et les matériaux d'anode en oxyde, y compris les matériaux d'anode en lithium métal en raison de leur capacité élevée et de leurs avantages en termes de faible potentiel pour devenir l'un des principaux matériaux d'anode dans toutes les batteries à l'état solide au lithium-ion.
L'utilisation d'une anode en lithium métal devrait permettre d'augmenter la densité énergétique de 40 à 50%. À l'heure actuelle, la majeure partie de la capacité de production mondiale de lithium est concentrée en Chine, où elle représente environ 70%.
Les principaux fabricants mondiaux de lithium comprennent Ganfeng Lithium, Tianqi Lithium et Livent, qui représentaient 79% de la capacité mondiale en 2018. Ganfeng Lithium est le plus grand producteur de lithium métal au monde, avec une capacité nominale de 1600 tonnes de lithium métal en 2018 et une production réelle de 1519,44 tonnes.
Le lien entre le prix du lithium et le carbonate de lithium est évident. La baisse du prix des matières premières incite les fabricants en aval à faire pression sur les fabricants de lithium métal en amont pour qu'ils réduisent leurs prix.
Électrolytes en amont：
La batterie au lithium tout solide utilise un électrolyte solide au lieu de l'électrolyte liquide organique traditionnel, ce qui devrait permettre de résoudre fondamentalement le problème de l'utilisation de l'électrolyte liquide organique. sécurité des batteries lithium-ion . Il s'agit d'une source d'énergie chimique idéale pour les véhicules électriques et le stockage d'énergie à grande échelle. Les trois systèmes d'électrolyte de la batterie à l'état solide ont leurs propres avantages et inconvénients. Les entreprises européennes et américaines préfèrent les systèmes d'oxyde et de polymère, tandis que les entreprises japonaises et coréennes se concentrent davantage sur la résolution des systèmes de sulfure.
Domaine des batteries de consommateurs en aval：
Pour l'instant, les batteries à semi-conducteurs sont encore en cours de développement. Dans le domaine des applications, on s'attend à ce qu'elles prennent la tête en jouant sur les avantages de la sécurité et de la flexibilité, et qu'elles soient appliquées dans le domaine des microbatteries peu sensibles aux coûts, telles que les dispositifs médicaux implantables, les capteurs sans fil, etc.
Après les progrès technologiques, les batteries grand public haut de gamme s'imposent peu à peu. En ce qui concerne les produits électroniques grand public traditionnels, tels que les téléphones mobiles, les ordinateurs, les appareils photo numériques et d'autres produits, le marché chinois est relativement mature.
Avec les progrès de la science et de la technologie et l'arrivée de la vague de l'intelligence, les dispositifs portables intelligents se développent rapidement. Cette croissance est alimentée par des produits tels que les smartwatches, les systèmes de surveillance du glucose en continu, les casques sans fil et les nouvelles technologies telles que l'AR/VR. La demande de piles à l'état solide augmentera avec la croissance des dispositifs portables.
Champ de la batterie d'alimentation en aval：
Avec la maturité des produits de batterie à l'état solide, ils continueront à pénétrer dans l'avenir et devraient être appliqués dans le domaine des batteries d'énergie. Bénéficiant de politiques préférentielles, le marché chinois des véhicules à énergie nouvelle se développe rapidement depuis 2014.
En 2020, malgré une forte baisse du marché automobile mondial due à l'impact de la pandémie de COVID-19, le volume des ventes de véhicules à énergie nouvelle a atteint 3,07 millions d'unités, et la tendance de développement reste bonne. Parmi eux, les véhicules à énergie nouvelle chinois ont vendu 1,367 million d'unités en 2020, soit une hausse de 10,9% par rapport à l'année précédente, et ont dépassé le million d'unités pendant trois années consécutives, se classant au premier rang mondial pendant six années consécutives.
Domaine des batteries de stockage d'énergie en aval：
Les batteries à l'état solide sont reconnues comme l'une des orientations technologiques émergentes qui devraient permettre de surmonter le goulot d'étranglement de la technologie de stockage de l'énergie électrochimique et de répondre à la demande de développement futur. En termes de stockage d'énergie électrochimique, les batteries au lithium représentent 80% du stockage d'énergie électrochimique.
Compte tenu des orientations chinoises en matière de développement énergétique, la demande de stockage d'énergie électrochimique devrait croître rapidement dans les domaines de l'utilisation et de la connexion au réseau des énergies renouvelables, et les perspectives de développement des batteries à l'état solide sont prometteuses.
L'alimentation de secours est une autre application importante du stockage électrochimique de l'énergie. La construction de stations de base 5G étant vigoureusement encouragée, la demande d'énergie de secours devrait également connaître une croissance rapide. D'ici mai 2020, la Chine comptera plus de 200 000 stations de base 5G en service, et plus de 10 000 nouvelles stations de base 5G seront ajoutées chaque semaine.
Structure des coûts：
Le coût global d'une batterie à l'état solide se compose principalement du coût des matériaux de la batterie et du coût de production de la batterie, le coût des matériaux occupant la plus grande part. Le coût des matériaux comprend la cathode, l'anode, le diaphragme (si nécessaire), l'électrolyte, le collecteur, l'enveloppe, etc., tandis que le coût de production comprend la conception de l'usine/l'atelier, l'énergie et le personnel/le processus de production.
État du développement de l'industrie des piles à l'état solide
Environnement politique de l'industrie des piles à l'état solide
Il existe peu de politiques pertinentes ciblant directement l'industrie des piles à l'état solide en Chine. Les politiques qui ont un impact plus important sur l'industrie des piles à l'état solide se concentrent principalement sur la "promotion du développement de l'industrie des piles au lithium" et sur la "promotion de la mise à niveau des batteries d'alimentation des véhicules à énergie nouvelle".
Les politiques pertinentes affectent indirectement l'industrie des piles solides en formulant des plans industriels, en normalisant les normes industrielles et en modifiant les systèmes de subvention.
La technologie de fabrication des batteries lithium-ion et des produits connexes est un domaine technologique prioritaire en Chine. Ces dernières années, la Chine a publié une série de plans d'action visant à promouvoir le niveau de fabrication et le développement technologique des batteries lithium-ion.
En tant que nouveau type de batterie au lithium-ion, l'efficacité énergétique de la batterie à l'état solide correspond davantage aux attentes de la Chine en matière de batterie au lithium-ion, et le développement de ses produits et technologies connexes est également fortement influencé par les politiques chinoises relatives aux batteries au lithium.
Environnement technique de l'industrie des piles à l'état solide
La batterie à l'état solide est le seul moyen de développer la batterie au lithium.
Ces dernières années, l'innovation continue dans le domaine des applications en aval a imposé des exigences de plus en plus élevées à l'industrie des piles au lithium, et la technologie des piles au lithium n'a cessé de progresser vers une énergie spécifique et une sécurité accrues.
Du point de vue de l'évolution de la technologie des piles au lithium, la densité énergétique atteinte par les piles au lithium liquide a progressivement atteint sa limite, et les piles au lithium solide seront le seul moyen de développer les piles au lithium.
Voie de développement de la technologie des batteries à l'état solide
Les progrès technologiques ne peuvent pas être réalisés du jour au lendemain, et les batteries à l'état solide doivent évoluer à partir des batteries à électrolyte liquide. Au cours de ce processus, certains matériaux sont progressivement remplacés et de nouveaux matériaux sont appliqués.
Du point de vue du développement de la technologie des piles à l'état solide, les matériaux de l'anode et de l'électrolyte ont beaucoup changé au cours du développement des piles à l'état solide, et le diaphragme a été progressivement éliminé, mais le matériau de la cathode n'a pas beaucoup changé, et le NCM, le LCO et d'autres matériaux sont toujours utilisés dans les piles à l'état solide.
Tendance du développement commercial de la technologie des batteries à l'état solide
La technologie des piles à l'état solide se trouve encore dans la phase de transition entre la technologie mature et l'industrialisation, c'est-à-dire la promotion de la technologie et la vérification de la production à grande échelle. Selon les prévisions préliminaires, la technologie des piles à l'état solide sera commercialisée d'ici 2025 et évoluera progressivement vers la prochaine génération de piles au lithium (lithium-métal/lithium-air/lithium-soufre).
Environnement du développement de l'industrie des piles à l'état solide
Historique du développement de l'industrie des piles à l'état solide
La recherche théorique remonte à 1972.
La recherche théorique sur les batteries lithium-ion à électrolyte solide remonte à la conférence de l'OTAN sur le transport rapide des ions dans les solides, qui s'est tenue en 1972 à Belgirate, en Italie, au cours de laquelle Steele a discuté des critères de base pour les électrolytes solides appropriés et a souligné le potentiel du disulfure de métal de transition comme matériau de cathode pour les batteries. La même année, Armand a appliqué Li/TiS2 à la diffusion de Na+ dans la cathode de graphite ternaire avec de la β-alumine solide comme électrolyte, ce qui a constitué le premier rapport sur les piles à l'état solide.
État du développement de l'industrie des piles à l'état solide
L'industrie en est encore au stade de la recherche et du développement
Actuellement, plus de 50 fabricants, start-ups et instituts de recherche universitaires dans le monde travaillent sur la technologie des batteries à l'état solide, qui n'a pas encore été commercialisée à grande échelle.
Les batteries au lithium quasi-solides devraient être industrialisées en 2020, et les batteries au lithium entièrement solides en 2025. L'une d'entre elles. Les entreprises européennes et américaines préfèrent les systèmes à base d'oxyde et de polymère, tandis que les entreprises japonaises et coréennes se concentrent davantage sur les systèmes à base de sulfure.
Europe et Amérique
Les constructeurs automobiles européens et américains accordent une grande attention aux start-ups spécialisées dans les batteries à l'état solide. Les entreprises ont acquis des réserves technologiques en rachetant des start-ups issues des universités américaines qui ont investi dans les batteries à semi-conducteurs, telles que Solid Power, SolidEnergy Systems, Ionic Materials, Quantum Scape.
Japon et Corée du Sud
Les constructeurs automobiles japonais sont relativement précoces dans la recherche et le développement des batteries à l'état solide. Toyota, la première entreprise à entrer sur le marché, a lancé une coopération avec Ilika en 2008, et a annoncé sa coopération avec Panasonic au début de l'année 2019. Mitsubishi, Nissan, Panasonic et d'autres entreprises ont accéléré la mise en place de l'industrie des batteries à l'état solide, afin de parvenir à une production de masse dès que possible.
Chine
Dans le domaine de la recherche sur les batteries à l'état solide, les entreprises chinoises ne sont pas aussi précoces que le Japon, l'Allemagne et les États-Unis, mais elles sont de plus en plus nombreuses à s'y associer. Les principaux participants sont l'Institut de chimie de l'Académie chinoise des sciences, l'Institut de l'énergie de Qingdao de l'Académie chinoise des sciences, l'Institut des matériaux de Ningbo de l'Académie chinoise des sciences et d'autres institutions de recherche, Ganfeng Lithium, CATL et d'autres entreprises de batteries ;
D'autres entreprises dans d'autres domaines sont optimistes quant à l'investissement transfrontalier dans les batteries solides, comme le groupe Wanxiang, qui se concentre sur les pièces automobiles, et BYD, un véhicule à énergie nouvelle. Les constructeurs automobiles chinois, ainsi que les fabricants de batteries et les constructeurs de véhicules électriques émergents, avancent plus rapidement, les batteries à l'état solide devant être installées dans les véhicules électriques d'ici 2025.
Les constructeurs automobiles traditionnels BAIC et BYD devraient déployer des batteries à l'état solide. Les nouveaux constructeurs automobiles sont plus réceptifs aux batteries à l'état solide. Nio et Tianji ont respectivement conclu une coopération avec Taiwan Huineng Technology pour développer conjointement des batteries d'énergie. Nezha Cars a également annoncé plus tôt son intention de coopérer avec Qingtao Energy.
Tendance du développement de l'industrie des piles à l'état solide
Orientation de la planification du développement de l'industrie des piles à l'état solide
Avec l'amélioration continue des exigences relatives aux piles au lithium dans les domaines d'application en aval, les pays cherchent à développer des piles à l'état solide, et les plans correspondants se mettent progressivement en place.
Parmi eux, les États-Unis, le Japon et l'Allemagne ont un meilleur plan de développement. Parmi eux, le Japon et l'Allemagne visent à développer des batteries à l'état solide, tout en cherchant à développer d'autres nouveaux concepts de batteries, tandis que les États-Unis s'engagent à réduire les coûts et à appliquer de nouveaux matériaux cathodiques.
En décembre 2019, la Chine a publié le plan de développement de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle (2021-2035), qui appelle à renforcer la recherche et le développement ainsi que le processus d'industrialisation de la batterie à l'état solide, amenant pour la première fois la batterie à l'état solide au niveau national.
D'après la planification actuelle, les objectifs de développement des piles à l'état solide en Chine sont principalement l'amélioration de la densité énergétique et le progrès du système de matériaux.
Prévisions de l'espace du marché de l'industrie des batteries à l'état solide
À l'heure actuelle, les entreprises mondiales commencent à développer la recherche sur les batteries à l'état solide, notamment les géants Volkswagen, BMW, Toyota, etc., ainsi que les géants chinois CATL et Ganfeng Lithium, ce qui devrait accélérer le processus d'industrialisation des batteries au lithium à l'état solide.
Selon les estimations, la demande mondiale de batteries à l'état solide devrait atteindre 44,2 GWh et 494,9 GWh en 2025 et 2030 respectivement, et le marché mondial des batteries à l'état solide devrait atteindre plus de 150 milliards de yuans en 2030.
La demande de piles à l'état solide provient principalement des piles électriques, des piles grand public et des piles de stockage d'énergie. Les livraisons de piles à l'état solide en Chine sont étroitement liées à la demande de piles au lithium dans ces trois domaines et au taux de pénétration des piles à l'état solide dans ces trois domaines.
Selon la logique de calcul, la livraison de batteries à l'état solide en Chine entre 2020 et 2030 est prévue, et on estime que la livraison de batteries à l'état solide en Chine en 2030 pourrait dépasser les 250 GWh.
Avec les progrès continus de la technologie des piles à l'état solide, le coût et le prix des piles à l'état solide continueront également à diminuer. D'ici 2030, le marché chinois des batteries solides pourrait atteindre 20 milliards de yuans, soit cent fois plus qu'en 2020.
Prévision des tendances de développement de l'industrie des piles à l'état solide
Compte tenu de la trajectoire de développement de la technologie des piles au lithium, de divers plans, ainsi que de la croissance de la demande de piles électriques en aval et de piles de stockage d'énergie, le développement de l'industrie des piles à l'état solide deviendra une tendance inévitable.
À l'avenir, les technologies pertinentes de l'industrie chinoise des piles à l'état solide continueront à s'améliorer, et les piles à l'état solide présenteront également une densité énergétique plus élevée, une meilleure sécurité et un coût plus faible. Le temps de la production à grande échelle et du développement commercial des piles à l'état solide n'est plus très loin.
