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电池安全标准升级,加速电池安全防护材料与固态电池产业化

来源:九方智投 2025-04-21 10:29
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简要

一、电池安全标准升级概述

事件‌:工业和信息化部制定的强制性国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(GB38031-2025)获批准发布,将于2026年7月1日起实施。

新国标内容‌:新国标主要在热扩散、底部撞击、快充循环后安全三大方面进行了新增或重要修订,旨在提升电池安全性。

热扩散测试‌:要求“不起火、不爆炸”,提高了热事件报警信号的技术要求。

底部撞击测试‌:考查电池底部受到撞击后的防护能力,确保无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象。

快充循环后安全测试‌:考查动力电池在长期快充循环后的安全性,要求在300次快充循环后进行外部短路测试时不起火不爆炸。

实施时间节点‌:新申请型式批准的车型于2026年7月1日实施,已获得型式批准的车型于2027年7月1日实施。

二、电池安全防护材料的发展

重要性‌:通过在电芯或模组PACK内加入隔热材料切断/延缓热失控传播是解决电池热失控的重要手段。

主要材料‌:

阻燃泡棉‌:具有低硬度高回弹特性,但不耐高温,部分材料燃烧时会释放有毒气体。

云母材料‌:具备良好的电绝缘、热绝缘、阻燃性能和抗冲击性能,是目前主流应用。

气凝胶毡材料‌:隔热性能好,被认为是应用于新能源汽车动力电池最薄、最高效的保温隔热材料。

其他材料‌:包括阻燃灌封胶、陶瓷化硅橡胶复合材料、陶瓷化硅胶泡棉等,各有优缺点,应用比例较小但具有发展潜力。

材料发展趋势‌:随着汽车轻量化和耐高温要求的提升,新型材料如陶瓷化硅胶泡棉等将逐步替代传统材料,提高电池包热失控防护水平。

三、固态电池产业化加速

背景‌:电池安全新国标对电池安全标准进行了关键性升级,有望提升固态电池需求,加速其产业化进程。

技术路线‌:氧化物体系固态电池发展速度快,技术较为成熟;硫化物体系固态电池发展上限高,具备较大发展空间。

产业化节奏‌:

2027年‌:半固态电池装车验证。

2030年‌:硫化物全固态电池量产(400Wh/kg)。

2035年‌:锂金属负极电池突破(500Wh/kg)。

挑战与机遇‌:固态电池研发面临固态电解质自身性能、界面相容性、电极材料适配性等问题,但固态电解质能提高电池的电压窗口,为锂电池能量密度的提升提供可能。锂电池领先企业积极布局固态电池,推动其向产业化迈进。

四、行业参与者与动态

材料企业‌:如浙江荣泰(云母)、祥源新材(阻燃泡棉)、赛特新材(VIP板)、鲁阳节能(陶瓷纤维纸)等积极布局电池安全防护材料市场。

锂电池企业‌:宁德时代国轩高科比亚迪等积极布局固态电池技术,推动其产业化进程。

五、电池安全标准的升级将加速电池安全防护材料与固态电池的产业化进程。随着新能源汽车市场的快速发展和电池技术的不断进步,电池安全防护材料和固态电池将成为行业关注的重点。企业需紧跟市场趋势,加大研发投入,提升产品性能和质量,以满足市场需求并推动行业发展。


【正文】

事件:工业和信息化部组织制定的强制性国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(GB38031-2025)由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布,将于2026年7月1日起开始实施。

1.新国标安全要求升级,热扩散、底部撞击以及快充循环后安全为重要新增或修订项目。新国标2021年开始标准预研,2023年立项,2024年完成标准起草、审查和报批稿编制,2025年3月正式发布。与当前国标相比,新国标主要在热扩散、底部撞击、快充循环后安全三大方面进行了新增或重要修订,在过放电、加热、挤压测试等方面进行了一般性修改。

1)热扩散测试要求“不起火、不爆炸”。新国标重点修订了热扩散的测试方法和技术要求,在测试方法上,增加了内部加热测试,在技术要求上,从现国标的“着火、爆炸前5分钟提供热事件报警信号”标准提高到“不起火、不爆炸(仍需报警),烟气不对乘员造成伤害”标准;

2)新增底部撞击测试。考查电池底部受到撞击后的防护能力,要求底部撞击后无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象,且满足绝缘电阻要求;

3)新增快充循环后安全测试。考查动力电池在长期快充循环后的安全性,电池在300次快充循环后进行外部短路测试,要求不起火不爆炸。

新车型2026年实施,已获批车型2027年实施。在实施时间节点上,对于新申请型式批准的车型,新国标将于2026年7月1日实施,而对于已获得型式批准的车型,新国标将于2027年7月1日实施。

2.通过在电芯或模组PACK内加入隔热材料切断/延缓热失控传播是解决电池热失控的重要手段。

新能源汽车预防电池热失控有主动和被动两方面措施。

1)主动管理是热泵系统中冷却水回路对三电系统进行冷却/加热,通过系统主动控制进行调节。

2)被动管理主要是依靠隔热材料切断热失控传播,原理简单、门槛较低,防止热失控传播扩散是解决热失控的一个重要手段。电池热失控被动管理主要采取热防护技术,在电池组内增加隔热层,具有延长电池热失控蔓延时间、降低模组中电池热失控最高温度和防止电池失控喷阀时着火的作用,进而提高电池组运行安全性能。电池组间的隔热材料是置于单体电芯之间,能有效延缓或阻断单体电芯热失控向整个电池系统传播的一种热防护装备,需具备阻燃、耐高温、导热系数低、不产生有毒气体、质轻厚度薄等性能。

锂电池阻燃隔热材料需具备阻燃耐高温、导热系数低、质轻厚度薄等性能。由于锂离子电池的使用寿命为5~8年,因此在选择单体电芯间的隔热材料时,其使用时间必须大于电池的使用寿命。

主要锂电池阻燃隔热材料发展趋势:新能源汽车电池包保温绝热材料主要包括阻燃泡棉、云母、气凝胶等。目前常用的动力电池保温隔热材料有泡棉、塑料泡沫、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板、二氧化硅气凝胶等,电池组内隔热板是置于单体电芯之间,能够有效延缓或阻断单体电芯热失控向整个电池系统的传播的一种热防护装备。

2021年起热失控防火材料成为新能源电池包中的刚需标配,锂电池阻燃隔热材料需求进入快速增长期。2020年以来,随着GB18384-2020《电动汽车安全要求》、GB38032-2020《电动客车安全要求》、GB38032-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(均为2020/05/12发布,2021/01/01开始实施)三项强制性国家标准正式实施,阻燃隔热材料应用成为锂电池系统标配,并以组合协同形式升级。2021年国标实施后热失控防火材料方案加装到每一辆新能源车的电池包中成为刚需标配,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。

隔热泡棉具有低硬度高回弹特性,但不耐高温,120℃左右就会发生软化或较大形变,部分材料燃烧时会释放有毒气体。

云母材板具有优异的耐高温绝缘性能(500℃-1000℃)、良好的抗弯强度和硬度,且在高温下不产生有毒气体。其应用于电池热失控防护具有较长的历史,方案成熟已被行业内较多企业使用。

气凝胶具有优异的绝热性能,但高温下绝热性能会下降,温度不超过650℃。2022年云母/阻燃泡棉等材料在动力电池上盖板阻燃绝热材料使用比例分别为83%/11%;2022年云母/阻燃泡棉/气凝胶毡等材料在动力电池模组间阻燃绝热材料使用比例分别为30%/40%/10%。

隔热材料需要具备以下性能:

①阻燃、耐高温;②导热系数低;③不产生有毒气体;④防水防潮防震;⑤质轻价低厚度薄。

目前储能锂电池热管理系统以风冷为主,正快速向液冷形式发展。随着储能系统热管理及安全要求提升,动力电池领域主流阻燃隔热材料例如云母材料、气凝胶毡材料,在储能锂电池领域渗透有望加快,从而带动锂电池阻燃隔热材料的整体需求。

(1)阻燃泡棉:阻燃泡棉材料类型多样,产品回弹性好,可定制化程度高,在锂电池PACK方案中设计灵活性高,但由于防火阻燃、抗冲击、隔热性能与气凝胶毡、云母材料存在不足,应用占比逐渐减少,目前主要应用在模组间、电池包四周作为缓冲密封材料,未来可能被云母复合材料、陶瓷化硅胶泡棉等新型材料部分替代。

阻燃泡棉:祥源新材斯迪克美盈森冠石科技

祥源新材:公司已能够批量化生产IXPP材料,该材料使聚丙烯发泡产品具备优良的隔热、耐温、绝缘、耐腐蚀、耐候、防尘、防水等性能。公司IXPP材料已成功应用到福特、长安、长城等著名品牌的汽车中,成为国内少数能够批量化供应IXPP的企业之一。在新能源汽车方面,公司的薄型聚氨酯发泡材料、超低密度聚氨酯发泡材料、有机硅发泡材料、陶瓷化有机硅发泡材料等产品,可满足电力电池在高能量密度、缓冲、隔热等方面的技术需求。

公司超薄IXPE材料取得技术突破,在消费电子领域成为重要手机品牌的合作伙伴。公司已能批量生产0.06mm厚度的IXPE材料,成为OPPO、vivo、小米、HUAWEI等智能手机的重要合作伙伴。公司打破了低于0.2mm厚度IXPE材料由境外企业垄断的局面,成为国际上少数能够大规模生产0.06mmIXPE材料的企业之一。同时公司新增PU类新产品进入消费电子客户群,持续开发ODM渠道、支持部分贸易商分销。

(2)气凝胶毡材料:隔热性能好,目前动力电池无热蔓延技术成为高端车型热失控防护要求,未来有望从三元车型向更多中高端磷酸铁锂车型普及。气凝胶材料保温隔热性能优异,防火防水且寿命长达15~20年。

气凝胶复合材料兼具阻燃隔热性能好及用量少的特点,被认为是应用于新能源汽车动力电池最薄、最高效的保温隔热材料,成为锂电池电芯隔热材料的最佳选择。与其他材料相比,气凝胶复合材料具有超疏水、V0级阻燃、使用温度范围广、导热系数低、寿命长、质轻、无毒等优点。在同等隔热效果下,气凝胶材料的厚度只有传统保温隔热材料的1/5-1/2。

气凝胶:

(3)云母材料及云母复合材料:云母材料具备良好的电绝缘、热绝缘、阻燃性能和抗冲击性能,是目前模组与上盖板间、模组间主流应用,同时随着云母复合材料产品技术升级和成本下降,未来在电芯之间应用占比也有望逐步提升。

不足:随着汽车轻量化和耐高温的要求进一步提升,云母板隔热效果不佳且重量较大的局限性凸显。

云母:浙江荣泰平安电工

(4)阻燃灌封胶:阻燃灌封胶是圆柱电池防火阻燃隔热材料主要选择,随着车型往轻量化发展,未来低密度高强度阻燃灌封胶是技术升级方向。

(5)陶瓷化硅橡胶复合材料:目前应用比例较小,主要应用于模组与上盖板间作为“防火置”应用由于应用成本较高,目前仅部分中高端车型有少量应用,随着产品升级和降本,未来应用范围有望扩大。

(6)陶瓷化硅胶泡棉:与常规阻燃泡棉相比,陶瓷化硅胶泡棉具有优异防火性能,可进一步提升电池包热失控防护水平,并有望对气凝胶毡材料和常规阻燃泡棉形成部分替代。

鲁阳节能:锂电阻燃隔热材料业务积极前景。2022/06奇耐亚太完成对鲁阳节能的主动要约收购,新阶段奇耐-鲁阳合作思路有较多变化,包括未来将鲁阳定位为奇耐在中国开展业务(包括新增投资)的唯一主体。奇耐-鲁阳协同稳步推进,2023/08公司收购奇耐上海(主要业务为汽车排放控制系统封装衬垫及锂电池陶瓷纤维纸业务,直接供应新能源车企)。公司现有陶瓷纤维纸作为加工基材,与奇耐上海的电池防火纤维纸产品系上下游关系,或形成产业链协同。

赛特新材:VIP板(英文全称:VacuumInsulationPanel)又称为真空绝热板,是真空保温材料中的一种,目前世界上最好的保温材料之一,由填充芯材与真空保护表层复合而成,有效地避免空气对流引起的热传递,因此导热系数可大幅度降低。以二氧化硅芯材的VIP板,导热系数可以到达0.004W/mk以下,可广泛应用于航天、建筑保温、冷链物流等领域。VIP2.0时代伊始,天高海阔再起航。VIP板绝热性能优越、可省空间,替代品(如气凝胶)价格较高且应用场景不同,短期无法替代VIP。新产品引领VIP2.0时代,真空玻璃从0到1可期:公司自研新VIP产品如超薄VIP、壳式VIP,下游拓展至新能源车、储能、LNG保温等领域。新产品能够改善新能源车低温条件下的动力续航,若超薄VIP及壳式VIP对传统聚酯泡棉及气凝胶的替代率分别为50%/100%,有望实现4.06/8.12亿元规模。公司成立维爱吉研发真空玻璃,2024年底投建3条新产线,产能约50万方,正推进产线优化和产品送样,拓宽冰柜和建筑领域应用,从0到1可期。

3.电池安全新国标对电池安全标准进行了关键性升级,有望提升固态电池需求,加速其产业化进程。当前固态电池正在进入从研发到量产的关键性阶段,随着各项政策催化以及企业加速布局,产业化转折点即将到来,有望带动锂电材料体系的升级。

(1)电池及电解质:氧化物体系固态电池发展速度快,技术较为成熟,硫化物体系固态电池发展上限高,具备较大发展空间。

在氧化物路线及硫化物路线布局完善,研发进展领先的电池、电解质厂商,以及具备固态电解质关键原材料(例如氧化锆、硫化锂等)生产能力的上游企业;

(2)正负极材料:随着固态电解质的应用,锂电池有望兼容高比容量正负极材料,正负极材料路线预计实现转化和升级,高镍正极及硅基负极环节布局领先的正负极材料个股。

现状与突破:中国新能源汽车销量从2020年的130万辆跃升至2024年的1300万辆,渗透率超50%。核心驱动为磷酸铁锂电池(占比70%)和插混技术的爆发,填补了主流燃油车市场空白。

深化方向:全固态电池成为下一代技术焦点。预计2027年实现半固态电池装车,2030年硫化物全固态电池规模化量产,能量密度达400Wh/kg,体积能量密度800Wh/L,安全性显著提升。

全固态电池技术路线与挑战

1.技术选择共识:

硫化物电解质:成为主流路线,国内聚焦高硅碳负极(比能量400Wh/kg)与锂金属负极(目标500Wh/kg),2035年实现量产。

2.产业化节奏:

-2027年:半固态电池装车验证;

-2030年:硫化物全固态电池量产(400Wh/kg);

-2035年:锂金属负极电池突破(500Wh/kg)

固态电池安全性:固态电解质的热稳定性好,降低热失控风险;化学稳定性整体优于电解液;全固态体系可减缓锂枝晶形成,并避免刺破隔膜带来的短路风险。

当前的研发阶段,半/全固态电池多种技术路线并行,不同锂电厂商的电池性能优势各有侧重,技术成熟度整体不高,各参与者仍需继续探索,推动电池综合性能提升。

现阶段,固态电池研发的技术难点主要集中在以下三个方面:固态电解质自身性能问题;界面相容性问题;电极材料适配性问题。此外,研发阶段完成后,量产阶段生产工艺的实现、质量控制和成本控制等也存在较大挑战。

锂电池领先企业积极布局固态电池,引领固态电池向产业化迈进。国内锂电池企业实力出色,积极布局下一代电池技术,推动固态电池迈向产业化。技术路线方面,硫化物路线成为领先企业主攻方向(宁德、国轩、比亚迪),氧化物因工艺成熟成为初创型企业首选(清陶、卫蓝)。量产节奏方面,半固态电池有望在2025年前后规模化装车,而全固态电池的量产或将集中于2027-2030年。产品参数方面,已公布的电池样品能量密度通常在350Wh/kg上下,未来计划实现量产和装车的电池能量密度在400Wh/kg。

国内材料企业积极布局固态电解质,硫化物路线居多。固态电解质是固态电池材料体系革新的起点,可以提高电池的电压窗口,为锂电池能量密度的提升提供可能。当前固态电解质面临的技术难点包括改善界面接触问题、提升材料自身的离子电导率和稳定性等。国内材料企业积极布局固态电解质,产品包括硫化物或氧化物固态电解质及其前驱体。硫化物电解质离子电导率较高,理论能量密度和倍率较优,成为多家领先材料企业的选择;氧化物电解质稳定性和安全性优良,也有若干企业布局。

硅基负极作为下一代负极材料,理论性能优异,但研发和产业化面临一些挑战。石墨负极是现阶段锂电池采用的主流负极材料,其比容量的发挥已接近理论值(372mAh/g),需要开发新的负极材料。硅基负极理论比容量高,Si完全锂化至Li4.4Si时理论比容量可达到4200mAh/g,且天然资源丰富、成本低廉,被视为下一代锂电池的重要材料。与此同时,硅基负极充放电时体积膨胀问题严重,导致较为严重的能量衰减问题,限制了其产业化应用。

硅基负极有望在液态电池和固态电池中逐步渗透。硅基负极这一概念并非固态电池专属,作为新一代负极材料,硅基负极在液态和固态电池中均有渗透潜力。除了材料自身体积膨胀和导电性问题外,硅基负极在液态电池中主要面临SEI膜不稳定导致的活性材料消耗问题,固态电池中则需解决界面接触问题和电解质机械性能等问题。业内通过纳米化、与碳材料复合等方式解决硅基负极应用问题,逐步推动其走向产业化,在液态和固态电池中应用。

硅基负极:多家厂商已有千吨级以上产能布局。材料环节参与者积极推动硅基负极的研发和产业化。根据我们整理公司公告,多家企业已布局千吨级以上硅基负极产能,并在客户处测试和验证,有望逐步走向产业化,在液态和固态电池中得到应用。

锂金属负极:性能潜力优良的新型负极材料。电池能量密度由材料比容量和正负极电位差共同决定。锂金属负极理论比容量高(3860mAh/g),电化学电位低(-3.04V),同时自身密度低(0.59g/cm³),有望成为下一代高能量密度电池的理想负极材料。同时,锂金属负极允许锂直接沉积在负极上,有望大幅提升充电速度。理论高能量密度和快充性能下,锂金属负极具有优良的开发前景。电解液电压窗口较窄,高电压窗口的固态电解质对锂金属负极的兼容性更好,为其应用提供了基础。

锂金属负极的研发仍面临挑战,固态电池或将成为适配场景。现阶段,锂金属负极的应用面临以下难点:

1)锂枝晶问题:锂在充放电过程中易形成枝晶,导致电池短路和安全风险。

2)界面稳定性:锂金属与电解质之间的界面反应性强,需开发稳定的SEI膜或固态电解质。

3)体积变化:锂金属在充放电时体积变化大,需设计三维多孔支架或合金化以缓解。固态电解质有望抑制锂枝晶和界面反应问题,固态电池体系的发展有望为锂金属负极带来新机遇。现阶段,锂金属负极发展阶段较早,处于从实验室向产业化过渡的阶段,部分企业如赣锋锂业宁德时代已发布基于锂金属负极的固态电池样品。未来,随着技术进步和成本降低,锂金属负极有望在全固态电池中逐步得到应用。

正极环节:国内材料企业积极布局下一代技术。我们整理了国内材料企业在新型正极材料领域的布局。多数企业已有超高镍三元产品布局,进入客户验证阶段或小批量出货,部分企业正在推动超高镍产品在固态电池中的应用。富锂锰基和高压镍锰酸锂属于下一代材料,国内企业积极推动研发和认证,后续有望逐步实现产业化。

导电剂是锂电池正负极材料中使用的添加剂。导电剂是锂电池常用的添加剂,添加在正负极材料中,提高电极导电性。正极材料(磷酸铁锂、钴酸锂、高镍三元等)中,导电剂可填充活性物质空隙,降低内阻;负极材料(石墨、硅基)中,导电剂可缓解体积膨胀问题,改善电池循环性能。导电剂材料包括炭黑类、碳纳米管、导电石墨类、VGCF(气相生长碳纤维)和石墨烯等。

碳纳米管(CNT)导电剂前景可期。与炭黑等传统导电剂相比,碳纳米管材料具有优异的导电性、机械强度和柔韧性。作为导电剂中相对高端的选择,碳纳米管或将受益于下游应用端快充性能提升趋势、高镍三元正极和硅碳负极的渗透,以及固态电池产业的发展。在固态电池中,碳纳米管或将成为其导电剂的重要选择。一方面,固态电解质离子电导率较差,需要提高电极导电性作为弥补,而碳纳米管材料可以形成三维导电网络,高效提升电极导电性;另一方面,碳纳米管导电剂可以增强电极机械性能,缓冲充放电过程中的体积变化,抑制锂枝晶或硅基负极膨胀问题。

国内参与者中,天奈科技在碳纳米管环节市场份额领先,道氏技术捷邦科技亦有该产品布局。


参考资料:

20250416-万联证券-电池安全标准升级,固态电池产业化有望加速

20250225-浙商证券-云母材料成本机械性能耐热性领先在耐温绝缘领域广泛应用

20250410-财通证券-赛特新材:VIP2.0时代伊始,天高海阔再起航

20241029-民生证券-祥源新材:业绩环比改善明显,新产品开发推广稳步推进

20250311-平安证券-电力设备及新能源-固态电池全景图:方兴未艾,技术竞逐



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(来源:
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