Examen mondial et chinois de l’industrie des batteries à semi-conducteurs 2023

Recherche sur les batteries à l’état solide: La batterie semi-solide est épuisée, la batterie entièrement solide est-elle encore loin ?

Ces dernières années, le marché des véhicules à énergies nouvelles a explosé et la pénétration des véhicules à énergies nouvelles a continué de croître régulièrement. De janvier à avril 2023, la production et les ventes de NEV en Chine étaient respectivement de 2,291 millions d’unités et de 2,222 millions d’unités, toutes deux bondissant de 42,8 % sur une base similaire, avec une part de marché de 27 %. À mesure que les ventes augmentent, les véhicules à énergie nouvelle exigent des batteries plus puissantes. On estime que l’utilisation mondiale des véhicules électriques à batterie devrait atteindre environ 749 GWh en 2023.

À l’ère où l’installation de batteries d’énergie dans les véhicules approche TWh, les fournisseurs augmentent la production de batteries à semi-conducteurs avec une densité d’énergie plus élevée, poussés par des politiques favorables et la demande du marché.

En Chine, le “Plan de développement de l’industrie des véhicules à énergie nouvelle (2021-2035)” publié par le Bureau général du Conseil d’État le 2 novembre 2020 précise que la recherche et le développement et la fabrication de technologies de batteries à semi-conducteurs doivent être accélérés, et la recherche et le développement de batteries à semi-conducteurs devraient être élevés au niveau national de la première fois. L’objectif de l’industrie chinoise de fabrication de batteries énergétiques est qu’en 2025, la densité énergétique des cellules de batteries liquides atteigne 350 W/kg ; En 2030, la densité énergétique des cellules de batterie hybride solide-liquide sera de 400Wh/kg ; En 2035, la densité d’énergie des cellules de batteries semi-rigides/solides atteindra 500 W/kg.

Parallèlement, le Japon, la Corée du Sud, l’Europe et les États-Unis ont également mis en place des politiques incitatives pour le développement des batteries à semi-conducteurs. Par exemple, les États-Unis ont publié le tableau national des batteries au lithium 2021-2030 en 2021 ; L’Europe a publié Battery 2030+ et Battery Innovation Roadmap 2030 ; La plupart des entreprises japonaises et coréennes coopèrent pour le développement, et les constructeurs automobiles, les instituts de recherche scientifique, les fabricants de batteries et de matériaux ont une division du travail claire et sont désireux de développer en coopération la technologie des batteries à semi-conducteurs.

1. Par rapport aux batteries liquides grand public actuelles, les batteries à semi-conducteurs commencent à prendre pied grâce auxquelles elles apportent très peu d’avantages.

Par rapport aux batteries au lithium liquide, les batteries à semi-conducteurs utilisent des électrodes solides et des électrolytes solides. Théoriquement, sa densité énergétique peut atteindre 400-500Wh/kg, soit 2 à 3 fois celle des batteries au lithium liquide. Les batteries à semi-conducteurs offrent les avantages d’une autonomie accrue, d’un risque d’emballement thermique beaucoup plus faible, d’un temps de charge plus court, d’une durée de vie plus longue et d’une taille plus petite. Il faut surtout noter que les anodes en lithium métal peuvent augmenter la densité énergétique des batteries de plus de 70%.

Sur cette base, de plus en plus d’entreprises doublent constamment la R&D et la production de batteries à l’état solide. Parmi les sociétés de batteries de puissance, CATL, Gotion Hi-Tech, Ganfeng Lithium, EVE Energy et Sunwoda travaillent dur sur la conception de la technologie des batteries à semi-conducteurs. Mais pour l’instant, le volume de production des batteries semi-solides commencera plus tôt.

2. À mesure que la densité énergétique des batteries augmente, des prototypes de batteries semi-solides commencent à être utilisés dans les véhicules.

En tant que voie de transition, les batteries semi-solides peuvent améliorer les performances de sécurité, car la réduction d’électrolyte réduit le risque d’emballement thermique causé par un échauffement externe, un choc et des courts-circuits internes. La teneur en électrolyte des batteries semi-solides est d’environ 10 % ou moins (la masse d’électrolyte des batteries au lithium conventionnelles est d’environ 20 %), et le processus d’emballage souple + emballage laminé est couramment utilisé. En termes de système, les batteries semi-solides peuvent suivre le système 811 ou s’adapter à des systèmes chimiques plus radicaux tels que le groupe 9, offrant des améliorations à la fois en termes de densité d’énergie et de coût global.

Le 22 janvier 2022, le E70, le véhicule expérimental à batterie solide à haute énergie Dongfeng-Ganfeng développé conjointement par Dongfeng Motor et Ganfeng Lithium, a fait ses débuts mondiaux dans la ville de Xinyu, province du Jiangxi. Depuis lors, l’utilisation expérimentale de modèles de batteries à semi-conducteurs dans les véhicules a commencé.

À l’heure actuelle, les entreprises qui peuvent produire des batteries semi-solides en grande quantité comprennent Beijing WeLion New Energy Technology, QingTao (KunShan) Energy Development, Talent New Energy, ProLogium Technology, Ganfeng Lithium, Gotion Hi-Tech et EVE Energy.

Parmi elles, la première batterie semi-solide de WeLion New Energy est sortie de la chaîne de production en novembre 2022, avec une densité énergétique de 360 ​​Wh/kg ; Talent New Energy a mis en production la première ligne de production de batteries semi-rigides de Chine en octobre 2022, et l’installation devrait entrer en service en juillet 2023, avec une capacité annuelle prévue de 10 GWh en 2023-2024 et de 26 GWh en 2024- 2026. ; En avril 2023, la première ligne de production de QingTao (KunShan) Energy Development d’une capacité nominale de 1 GWh est entrée en service, le premier lot de batteries semi-solides sortant de la ligne de l’usine de Pidu.

3. Les batteries à semi-conducteurs devraient être entièrement produites vers 2024.

La production de masse de batteries à semi-conducteurs devrait commencer pleinement vers 2024. Les principales entreprises sont Nissan, Samsung SDI et Montavista Energy Technologies.

D’après la disposition de la chaîne de production de batteries à semi-conducteurs, on peut voir que les entreprises étrangères commencent tôt, par exemple :

Solid Power a lancé une ligne de production pilote en processus continu à Louisville, Colorado en 2019 ; Batteries lithium métal 320Wh/kg 20Ah produites en 2020 ; annoncé l’ajout d’une deuxième usine de production dans la région de Denver à Thornton, Colorado en 2021 ; Le 6 juin 2022, elle a annoncé avoir achevé l’installation de la ligne de production pilote destinée à la production électrique Batteries automobiles, dans le but d’accélérer la production de batteries automobiles à l’état solide.

En janvier 2023, BMW et Solid Power ont entamé la prochaine étape de la recherche et du développement conjoints de batteries entièrement à l’état solide. Solid Power concède sous licence les processus de conception et de fabrication des cellules au groupe BMW pour l’aider à construire une ligne pilote à Munich. Le premier prototype de véhicule sera lancé avant 2025 et des batteries entièrement à semi-conducteurs seront produites en série en 2030.

En mars 2022, Samsung SDI a annoncé qu’il avait lancé la fabrication de la ligne pilote (ligne S) batteries à l’état solide Au centre de R&D SDI situé à Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do. L’usine commencera la production d’essai en 2023 et atteindra une production à grande échelle en 2027.

Parmi les équipementiers étrangers, Nissan lancera en 2024 une usine pilote à Yokohama, au Japon, et mettra en place une chaîne de production complète de batteries à semi-conducteurs ; Elle produira des batteries entièrement solides en 2025 et les verra installées dans des véhicules en 2028. Toyota produira des batteries entièrement solides à petite échelle et les utilisera pour la première fois dans des modèles HEV avant 2025 ; Il atteindra une production continue et stable de toutes les batteries à semi-conducteurs avant 2030.

La plupart des entreprises chinoises adoptent une voie de production progressive des batteries semi-solides aux batteries entièrement à l’état solide. Les entreprises qui réalisent rapidement la production de batteries à semi-conducteurs sont dirigées par GTC-Power, Beijing WeLion New Energy Technology, QingTao (KunShan) Energy Development, ProLogium Technology, Gotion Hi-Tech et EVE Energy.

Par exemple, EVE Energy reproduira entièrement la technologie des batteries à semi-conducteurs en trois phases et se concentrera sur les méthodes de recherche et de développement sur les oxydes, les sulfures et les halogénures. La société prévoit d’achever la recherche et le développement de la technologie de batterie tout solide 1.0 en 2024, avec une densité d’énergie de 350 W/kg et une durée de vie de plus de 300 fois ; Répète entièrement la technologie des batteries à semi-conducteurs à 3,0 en 2028, qui offre une sécurité élevée, une grande flexibilité et une résistance élevée aux températures pour répondre aux exigences des batteries de puissance, avec une densité d’énergie augmentée à 550 Wh/kg et une durée de vie de plus de 1000 fois .
Le 21 décembre 2021, le laboratoire japonais de GTC-Power a développé avec succès un échantillon de batterie lithium-ion tout solide de 1,5 Ah, qui annonce l’entrée de GTC-Power dans la voie rapide de la recherche et du développement de batteries au lithium tout solide. La batterie d’alimentation à semi-conducteurs a passé des tests d’acupuncture et des tests d’emballement thermique à 350 ° C, avec une densité d’énergie supérieure à 400 Wh / kg et une durée de vie de plus de 1200 fois, et elle peut toujours fonctionner à -40 ° C- 150°C.

4. Quelles sont les limites de fabrication des batteries à semi-conducteurs ?

À l’heure actuelle, les batteries à semi-conducteurs ont encore de gros problèmes Résistance interfaciale Entre l’électrolyte à l’état solide et l’électrode, la masse est relativement faible conductivité ionique à partir d’un électrolyte à l’état solide. Les solutions à haute impédance interfaciale et à faible conductivité sont essentielles à la fabrication de batteries au lithium à l’état solide.

Solution:
① L’électrolyte ultra-mince est l’un des moyens efficaces de réduire l’impédance interfaciale dans l’industrie. Par exemple, le Talent New Energy Research Institute et sa base de fabrication à Chongqing ont développé une technologie de préparation d’électrolyte à couche ultra-mince et une technologie de recuit d’interface en utilisant des processus innovants et de nouveaux équipements personnalisés, et le système de processus compatible avec les batteries liquides existantes peut rapidement être mis en production. .

② La technologie d’adoucissement de l’interface de batterie à semi-conducteurs est également une solution efficace pour réduire l’impédance interfaciale. Par exemple, la technologie de batterie mince à base d’halogénures à l’état solide d’EVE Energy peut s’adapter à des conditions spéciales de haute température et d’arc, et permet une décharge stable dans la région de haute température de 150 ° C en combinant des anodes à haute teneur en nickel. La technologie de recuit permet à la batterie d’être chargée et déchargée normalement même si elle est pliée de 120 degrés.

③ Parmi les trois principaux systèmes électrolytiques (polymère, oxyde et sulfure), les sulfures sont mous et élastiques et ont la conductivité ionique la plus élevée, jusqu’au niveau de l’électrolyte liquide (10-2 S/cm), brisant le goulot d’étranglement de la conductivité solide. cas d’électrolytes. Cependant, les sulfures à haute résistivité peuvent facilement avoir des réactions secondaires avec l’air, l’eau, etc., ce qui pose de nombreux défis pratiques. Les entreprises typiques qui empruntent la voie du sulfure comprennent GTC-Power, Enpower Greentech, CATL, Toyota, Honda, Samsung et Solid Power.

Cependant, l’électrolyte à l’état solide oxyde ouvre actuellement la voie en termes d’applications industrielles et de nœuds de production. Avec à la fois conductivité électrique et stabilité, les oxydes sont relativement faciles à multiplier et donc évoluent rapidement. Les entreprises typiques qui choisissent le système d’oxyde comprennent WeLion New Energy, QingTao (KunShan) Energy, ProLogium Technology, Gotion Hi-Tech, Farasis Energy et Ganfeng Lithium.

En plus de ce qui précède, la modification des processus de production et l’achat de nouveaux équipements ont ralenti la production dans une certaine mesure. De nos jours, les batteries semi-solides peuvent être essentiellement compatibles avec les lignes de production de batteries liquides, à un coût presque constant. Au milieu d’une transition progressive vers la production de batteries entièrement à l’état solide, en raison de processus et de procédures de production très différents, un grand nombre de nouveaux équipements de traitement tels que des équipements isostatiques à pression doivent être achetés.

L’équipement de pressage équilibré est difficile à produire, à déboguer et à utiliser, et il nécessite beaucoup de connaissances et d’expérience pour atteindre l’efficacité et la productivité des processus d’enroulement et de pressage à chaud des batteries au lithium, ce qui exerce sans aucun doute une certaine pression sur la fabrication des batteries à semi-conducteurs.

Enfin, les fabricants concernés doivent également améliorer en permanence leurs équipements de ligne de production et leurs processus de production pour améliorer le rendement de l’emballage des cellules de batterie et augmenter les ventes. C’est également l’un des facteurs clés pour atteindre le cercle vertueux de l’industrie des batteries à semi-conducteurs.