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電池風雲|固態電池,“寧王”終結者?

由 零碳風雲 發表于 攝影2022-12-06
簡介隨著電池技術的進步,在固態電池領域或許也會誕生另一個“寧德時代”,或許是日本的豐田汽車,或許是在國內堅持固態電池研發的輝能科技、清陶能源、贛鋒鋰電等企業

氧化銅具有還原性嗎

撰文|大蔚

編輯|華鋒

一篇論文價值3500萬?

哈佛大學華人教授李鑫指導來自中國的學生葉露涵研發了一種新型固態電池,震驚之處在於這種電池可重複使用高達1萬次,充電速度最快三分鐘。要知道,目前的固態電池迴圈次數大多仍在2000多次,這樣的成果直接讓固態電池的壽命和充電速度完成了歷史性飛躍。該論文在科學雜誌《Nature》上發表後,一度引起轟動。而葉露涵所在的團隊成立的初創公司,今年獲得了515萬美元(約合人民幣3570萬)融資,投資方包含春華資本。

其實,火的不是論文,而是固態電池。中科院院士歐陽明高教授曾在公開場合表示:“在現有的各種探索中,最有可能成為下一代動力電池的就是固態鋰電池。”資本追逐的,也是下一個電池風口。

在鋰電池兩大痛點——能量密度和安全性上,固態電池以其顛覆型的特性被寄予了厚望,可以說是“全村人的希望”。

10月11日,美國宇航局NASA宣佈了研發的新型固態電池,能量密度位元斯拉電池高一倍,獲得媒體廣泛關注。其能量密度高達500Wh/kg,而目前特斯拉的4680電池的單體能量密度約300Wh/千克,電池組能量密度為217Wh/千克。

據瞭解,目前,全球範圍內約有50多家制造企業、初創公司和高校科研院所在致力於固態電池技術的推進。在如此密集的研發態勢下,鋰離子電池是否很快就要被新型固態電池替代?

“雖然現在固態電池很熱,但是離真正的產業化和大規模商業應用,還有比較遠的距離。”厚紀資本合夥人賈鳳賀說,固態電池對材料創新以及整個產業鏈配合度都提出了很高的要求,所以從實驗室到大規模商業應用,還有很長的路要走。

儘管如此,業界已形成的共識是,一旦固態電池前沿技術真正產業化,以寧德時代為代表的國內鋰電池廠商可能將面臨降維打擊,在固態電池領域很有可能會誕生另一個“寧德時代”。

“必由之路”

新能源汽車已經步入高速發展期,但目前提到電動汽車,大部分人還是覺得“續航短”,“充電麻煩”。這源於鋰電池的兩大致命短板:第一能量密度提升困難,有天花板;第二安全性堪憂,起火事故頻發。

當前液態鋰離子電池的能量密度極限是特斯拉的260Wh/kg,目前很多電池廠商正在向350Wh/kg發起衝擊。而要實現800-1000公里續航,電池能量密度必須達到500Wh/kg以上。

中科院院士歐陽明高曾公開表示,要實現2030年500Wh/kg的能量密度目標,固體電解質層面的突破是不得不走的必由之路。

傳統的液態鋰電池被科學家們形象地稱為“搖椅式電池”,搖椅的兩端為電池的正負兩極,中間為電解質(液態)。而鋰離子就像優秀的運動員,在搖椅的兩端來回奔跑,在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中,電池的充放電過程便完成了。

固態電池的原理與之相同,只不過其電解質為固態,具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端,傳導更大的電流,進而提升電池容量。因此,同樣的電量,固態電池體積將變得更小。不僅如此,固態電池中由於沒有電解液,封存將會變得更加容易,在汽車等大型裝置上使用時,也不需要再額外增加冷卻管、電子控制元件等,不僅節約了成本,還能有效減輕重量。

電池風雲|固態電池,“寧王”終結者?

相比鋰離子電池,固態電池優勢非常明顯:

第一,不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液、耐高溫的固態電解質,取代電解液、電解質鹽與隔膜,徹底解決可燃性液態有機電解液導致的自燃風險;

第二,固態電池能量密度高,有很大希望突破500Wh/kg關口,此舉可將電動汽車續航里程拉高至800公里到1000公里。加之固態電池工作溫度範圍寬、支援超級快充,是實現“加電比加油方便”的最短鍵程。

第三,固態電池可大幅為系統減重。傳統鋰離子電池中,需要使用隔膜和電解液,它們加起來佔據了電池中近40%的體積和25%的質量。而如果把它們用固態電解質取代,正負極之間的距離可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米,這樣電池的厚度就能大大地降低。

因此可以說,固態電池是下一代動力電池的最佳路徑。

然而,歷史上曾經不斷有人揚言要量產固態電池,最終都失敗了。

2017年,總部設在加州安納海姆的美國電動汽車公司Fisker釋出了一項剛完成申請的固態鋰電池專利:充電1分鐘,續航800公里,簡直轟動世界。創始人Henrik Fisker信誓旦旦地表示,固態鋰電池會在2023年量產,價格只有鋰電池的三分之一。

電池風雲|固態電池,“寧王”終結者?

2018年,Henrik Fisker表示,公司攻克了固態電池難題,最終設計將在數月內公佈。但直到2019年,搭載固態電池的Fisker跑車都遲遲無法下線。2021年,Henrik Fisker表示,他已徹底放棄固態電池計劃,因為真的無法落地。

法國博洛雷集團是第一家成功將固態電池規模商業化運作的公司,但這塊固態電池包的容量只有30度,能量密度僅有100Wh/kg,只有液態鋰離子電池的一半。2011年10月,搭載這種固態電池的2900輛電動汽車開始在法國巴黎及郊外以共享方式服務,但到了2019年這個專案就關閉了。

這又是為什麼呢?

折戟量產

如果僅僅在實驗室中,固態電池是絕對的王者,但它明顯不夠“接地氣”。

所謂接地氣,就是在商業化的規模和成本方面都能達到完美的平衡點。首先,使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次,要在各個行業和領域都有實現大規模應用的可能。

事實上,固態電池由於不需要液體的浸潤,僅需要固態電解質將正負極片隔開,那麼金屬物質材料的選擇就變得非常關鍵。而目前這項技術最大的挑戰也就在於,由於固態電解質電導率總體低於液態電解液,這導致了目前固態電池的倍率效能整體偏低,內阻較大,所以固態電池暫時無法滿足快充要求。

這需要整個產業鏈的配合和生產工藝的創新。一方面,正負極材料供應商要能量產新材料;另一方面需要裝置商同步研發新裝置。材料企業不參與,對下游製造企業的挑戰就會很大,需要自己建設完整的產業鏈,既耗時又費力,而且成本上很不划算。目前,液態鋰電池的成本大約在每千瓦時200~300美元,而固態電池的成本卻高達1。5萬美元。

“所以要整個供應鏈上的企業都參與其中,固態鋰電才算離大規模應用不遠。”厚紀資本合夥人賈鳳賀說,相比而言,他認為“半固態電池”的路徑更具備可行性。

今年7月,蔚來汽車官方公佈,計劃在2022年第四季度開始交付150kWh固態電池,單體能量密度可達到360Wh/kg。屆時,全新的蔚來ES8續航可達到850km,ES6續航可達到900km,而ET7更是突破1000km。

電池風雲|固態電池,“寧王”終結者?

(圖源:蔚來官方)

但該電池內部仍留有一部分液態電解質,嚴格上講應該叫“半固態電池”,屬於液態電池到固態電池演進的一種過渡性產品。而嘗試半固態電池的,很多是出於快速商業應用的考慮。

蔚來半固態電池的供應商是北京衛藍新能源科技有限公司。衛藍新能源成立於2016年,主要產品包括混合固液電解質鋰離子電池與全固態鋰電池,應用於新能源車船、規模儲能、3C消費等領域。該公司是中國科學院物理研究所清潔能源實驗室固態電池技術的唯一產業化平臺,在北京房山、江蘇溧陽和浙江湖州擁有3大生產基地,並已經建設了一條2GWh的規模化固液混合固態動力電池生產線,主要生產350-360Wh/kg的新能源車用動力電池。

正因為如此,衛藍新能源迅速從行業“新兵”變成了資本寵兒,截至目前共獲得了七輪融資,投資方包括小米長江產業基金、哈勃投資、蔚來資本、中科院創投、天齊鋰業、吉利控股、順為資本、IDG資本等。

相關統計資料顯示,全球已有40多家固態電池生產商,除了衛藍新能源外,我國的輝能科技、清陶能源、贛鋒鋰業在固態電池領域的研發佈局均比較早,目前已建成至少中試規模實驗線,並有產品應用於無人機。但綜合來看,他們中多數都是半固態電池,只是固態電池的過渡形式,即使如此,從這些廠商的進度來看,距離大規模商業化應用還有相當長的一段路要走。

曾經被認為最接近固態電池量產的豐田汽車也表示,固態電池至少在2030年才能實現量產,目前豐田的固態電池還是停留在實驗室階段。

“寧王”慌不慌?

雖然固態電池量產困難,但日韓、歐美已經有意轉換技術賽道,搶佔先機。

在今年上半年的全球動力電池裝機量排行榜中,寧德時代、LG新能源、比亞迪位列全球動力電池裝機排行榜前三甲。中創新航、國軒高科、欣旺達、蜂巢能源位於7-10位,前十位中有6家企業屬於中國,億緯鋰能、孚能科技、遠景能源、多氟多、鵬輝新能源、力神等排位11-20名。可以說,在鋰電池方面中國公司的競爭優勢十分明顯。

也正是由於液態鋰離子電池戰場的失勢,使得美國和日本企業跳過現有階段,直接在固態電池賽道擲下重金。

日本為了應對中國和韓國電池產業的崛起,自2017年起舉全國之力研發下一代固態電池,並投入了大量的研發經費。日本豐田汽車是目前固態電池技術最先進的汽車公司,擁有數量最多的專利。一旦固態電池進入商業量產階段,這些專利將成為打壓對手的“利器”。

因此,雖然中國電池產業取得暫時優勢,但國際競爭壓力巨大。隨著電池技術的進步,在固態電池領域或許也會誕生另一個“寧德時代”,或許是日本的豐田汽車,或許是在國內堅持固態電池研發的輝能科技、清陶能源、贛鋒鋰電等企業。

電池風雲|固態電池,“寧王”終結者?

不過,從固態電池量產時間來說,寧德時代有足夠的時間和投入去保持住自己的地位。

據中科院院士歐陽明高預測,“全固態電池要實現產業化、並對市場格局產生重要影響,仍需十年左右。”2025年是液態電池向固態電池過渡的關鍵期,而2030年應該是轉向全固態電池發展的一個關鍵節點。所以,在2030年前,液態電池及半固態電池等現有的鋰電技術仍將佔據絕對主導地位。也就是說,寧德時代至少有7年多的時間來改變結果。

作為市佔率最高的動力電池企業,寧德時代從未在技術上固步自封,其在固態電池上也有大量專利和佈局。2021年5月,寧德時代表示已經可以做出固態電池樣品,並曾在1月公開了兩份關於固態電池的專利,分別為“一種固態電解質的製備方法”以及“一種硫化物固態電解質片及其製備方法”,同時聲稱固態電池產業化程序在逐漸加快。

電池風雲|固態電池,“寧王”終結者?

“寧德時代可以利用自己在產業鏈中的地位和資金實力,主導上下游投入到對固態鋰電相關材料的研發生產,從無到有搭建一套完整產業鏈,實現低成本量產,這是其他企業無可比擬的。”賈鳳賀說。

每年研發投入超18%以上的寧德時代,在固態電池上不會遠遠觀望,因為那是下一個未來。