固態電池來了，但又沒來

時間:2022-07-31 11:18來源:晚點AUTO 作者:李梓楠
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       美國橡樹嶺國家實驗室1990年就造出了固態電池，充放電上萬次不衰竭，充滿電只要幾分鐘，且能量密度超過700Wh/kg，是現在液態鋰電池的2.5倍。但在此后的30多年間，可以大規模量產的固態電池都沒有出現。
 
       研發了30多年固態電池的豐田汽車，給出的量產時間線是2025年。中國的創業公司們在這一極難突破的技術路線上普遍選擇折中方案——做半固態電池。
 
       蔚來2021年初就宣布要在其新車ET7中搭載150kWh半固態電池，實現1000公里續航里程。《晚點Auto》了解到，蔚來預計將于今年9月收到供應商提供的小批量半固態電池，四季度量產這款車。
 
       為其提供半固態電池的是有中科院物理所背景的“北京衛藍”，成立于2016年。早期這家公司并未受到資本的廣泛青睞，其投資方多為國資背景的能源公司。但與蔚來合作后，其估值一路增長至160億元。在今年3月的一輪融資中，小米、吉利汽車和華為哈勃也進來了。一位接近北京衛藍的人士透露，該輪融資有超過40家機構發出邀約，但最終只有10家機構投資成功。
 
       除北京衛藍外，清陶能源、太藍新能源、高能時代、恩力動力等數十家初創固態電池公司也先后獲得融資，這些公司多數都只有量產計劃，沒有產品，沒有客戶也沒有訂單，但估值可以超過20個億。
 
       車企的選擇攪動了巨頭獨攬的動力電池產業。投資人渴望投出下一個寧德時代，創業者也夢想成為下一個寧德時代。在他們口中，寧德時代被稱為“傳統鋰電公司”，是需要被顛覆的舊勢力。
 
       一個技術路線不會憑空出現，成為主流，它需要資本與市場持續支持。除蔚來汽車外，動力電池公司國軒高科、孚能科技及鋰電池材料供應商贛鋒鋰業都宣布在2022年實現半固態電池裝車。
 
       始終有人認為，半固態電池是過渡路線。既不具備全固態電池的安全性，又面臨與液態電池的成本和性能競爭。近幾年液態電池的結構創新不可忽視，搭載150kWh電池包的蔚來ET7可以達到1000公里續航里程，而寧德時代上個月剛剛發布的麒麟電池，也計劃做到1000公里。
 
       截至目前，寧德時代、比亞迪、松下等電池巨頭均未發布半固態電池計劃。對于這些液態電池巨頭而言，采用過渡性方案既會顛覆現有的基本盤，也無法滿足長遠發展的需要。
 
       但技術路線的站隊已經開始。
 
液態電池快到極限
 
       過去幾年，車企和動力電池廠商提高能量密度主要是靠改進電池結構實現的。
 
       比如特斯拉的圓柱電池，單體圓柱電芯越做越大，直徑從18毫米擴到46毫米，高度從65毫米增加到80毫米。相應的，一塊電池中所需電芯的個數，則從7000節縮減到1000節。通過提高成組效率，減少了空間浪費，整車續航里程提升了16%。
 
       比亞迪的刀片電池、寧德時代的CTP（Cell To Pack）電池的演化路徑與之類似，都是拿掉模組，把容量更大的電芯直接集成到電池包里。通過結構改進，把能量密度從160Wh/kg提升到200Wh/kg。
 
       寧德時代上個月發布的麒麟電池是這一路線的最新成果。寧德時代首席科學家吳凱表示，麒麟電池將電池包的體積利用率從56%左右提升至72%，搭載麒麟電池的新能源汽車，續航里程可以超過1000公里。
 
       電池結構改進的下一代形態，是把電芯直接集成到電動車的底盤上，特斯拉和寧德稱之為CTC技術（Cell To Chassis，電池集成到底盤），比亞迪稱之為CTB（Cell to Body）。
 
       特斯拉Model Y是全世界第一款應用CTC技術的車型，其新款Model Y把1000多顆4680電池集成到底盤上，續航里程達到600公里。比亞迪的第三代電動車平臺（e3.0平臺）也采用了類似技術，把刀片電池集成在底盤的上蓋中。
 
       寧德時代早在2019年就宣布要做CTC電池，且比特斯拉、比亞迪更進一步，把電機、電池、電控等系統全部集成到底盤。今年4月，華為智能汽車解決方案BU智能車控領域總經理蔡建永離職加入寧德時代，為這一項目的負責人。
 
       相比于結構上的創新，電池材料上的改進相對緩慢。
 
       上一次電池材料體系的階梯式更替，是鋰電池出現并替代鉛酸電池。也正因為鋰電池應用，我們才得以告別“大哥大”，用上體積更小的手機。
 
       特斯拉2008年把松下的18650電池從筆記本電腦中挪到汽車上，比亞迪也在同期把磷酸鐵鋰電池裝進汽車。這奠定了今天電動車的主流材料技術路線，此后的材料改良都是漸進式的。
 
       2020年以前，寧德時代、LG新能源等電池公司都習慣提高三元鋰正極中活性材料的占比以增加能量密度。寧德時代在2019年將三元鋰正極中的鎳含量從33%提升至80%，造出NCM811（鎳鈷錳三種材料的配比為8:1:1）電池，能量密度較NCM111電池提升17%。
 
       但增加高活性材料，會在一定程度上犧牲電池安全性。高鎳電池在正極鎳含量超過90%后，電池的熱穩定性和容量保持率會迅速下降，更容易熱失控和衰減。
 
       2020年下半年，搭載寧德時代811電池的廣汽埃安S車型多次自燃。另一家選擇高鎳三元鋰路線的LG化學因自燃事件在2021年召回近7萬輛汽車，被通用汽車索賠10億美元。
 
       前述工程師告訴《晚點Auto》，目前市場上絕大部分高鎳電池都無法通過針刺實驗（模擬汽車碰撞電池包受損的情景），“一扎就爆”，高鎳三元電池安全性問題暴露后，多數新能源車企開始回歸保守，轉而使用中鎳523及622電池。
 
       通過調整配比改進正極材料的路線已經快走到盡頭。三元鋰電池的理論比容量上限是275mA·h/g，目前實驗室環境中的NCM 90.0.5（鎳鈷錳三種材料的配比為9:0.5:0.5）電池的比容量是230mA·h/g。磷酸鐵鋰材料早在2018年時比容量已達到150mA·h/g，接近理論極限170mA·h/g。
 
       2022年7月，寧德時代發布磷酸錳鐵鋰電池，在磷酸鐵鋰正極中加入錳材料，比容量達到165mA·h/g，幾乎把磷酸鐵鋰電池的性能推向極限，只存在理論上的優化空間。
 
固態電池30年沒有量產
 
       電池行業一直知道更好的材料是什么——鋰金屬。但與液態電池中的鋰化合物不同，鋰以金屬形態存在時極其活潑，易與電解液中的鋰鹽發生化學反應，引發熱失控，需要與固態電解質搭配，也就是我們常說的固態電池。
 
       在固態電池發展早期，學界認為這是電池的終極方案。它不易燃、且能量密度能達到700Wh/kg，是現在鋰離子電池的2.5倍。
 
       1970年，松下造出了鋰金屬一次電池，但無法循環充電。1988年，加拿大的Moli Energy量產了鋰金屬的可充電電池，比鋰離子電池量產早了三年。但Moli Energy的電池量產后出現多次起火爆炸事故，不得不大規模召回。彼時日本的電池巨頭索尼、三洋和松下相繼決定終止鋰金屬固態電池的開發，三井集團決定永遠放棄鋰金屬固態電池路線。
 
       這之后的十多年里，除豐田汽車外，只有高校的實驗室仍在研發固態電池。電動車市場的爆發，也推動了電池行業的發展。中國企業在六、七年前開始研發固態電池。中科院的科學家們下海創業，在海外深造的華人科學家回到中國加入龍頭公司。
 
       清華大學的南策文在2014年創立清陶能源。2015年，在美國橡樹嶺國家實驗室深造十多年的梁成都加入寧德時代。同年，贛鋒鋰業開始入局動力電池業務，將固態電池視作核心目標，并在兩年后挖來了中科院寧波材料所的研究員許曉雄。中科院物理所研究員李泓和院士陳立泉在2016年成立北京衛藍。
 
       固態電池研發是一個基于已知配方解決制備、制造難題的事情，技術壁壘依靠不斷的試錯積累。
 
       日本的豐田、日立造船等公司在過去30年嘗試了數萬種電解質配方，挑選出幾十種材料應用到電池中，其他公司解決的是，如何將這幾十種材料更好地應用在電池中。
 
       按照材料體系劃分，目前固態電池可以分為三種技術路線。日韓押寶硫化物體系，歐洲主要為聚合物路線，中國則以氧化物為主。
 
       這三種技術路線都存在相應的基礎缺點。聚合物電解質需要加熱到60℃才可以獲得足夠的導電率；氧化物電解質中鋰離子的電導率比液態要低很多；硫化物電解質中的鋰離子導電率跟液態相近但是易氧化產生有毒氣體。
 
       法國的Bollore在2012年就把聚合物電池做到城市巴士中。因為聚合物需要加熱到60攝氏度才能正常運作，Bollore還在電池包中加入了特有的加熱元器件。
 
       因高昂的成本和與液態電池不相上下的能量密度（聚合物電池能量密度在150Wh/kg，當時的磷酸鐵鋰電池能量密度約為140Wh/kg），Bollore的方案最終沒有大規模推廣。
 
       2012年豐田發布硫化物固態電池前，全世界的公司都在做氧化物和聚合物的固態電池。彼時，困擾業界的主要問題是，聚合物和氧化物路線電池導電率都遠低于液態電池。豐田的硫化物電解質，讓固態電池電導率首次超過液態電池。
豐田的固態電池概念車
 
       在Alca Spring,Rising2,Solid EV等國家項目中，日本聯合了38家研發機構，包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司，大學一起做硫化物體系全固態電池研發。
 
       硫化物是上限最高也是最難的一條固態電池技術路線。即使是擁有全世界近三分之一硫化物電池專利的豐田，在裝車這件事上也跳票過。
 
       早在2017年12月，豐田就表示將在2020年初開始生產固態電池。“2018年，豐田固態電池的樣品裝車只能充放電50次，當時液態電池的充放電壽命是2000次左右。”一位曾在豐田固態電池部門工作近十年的工程師對《晚點Auto》表示。
 
       因無法解決氧化物電池的離子導電率等問題，固態電池公司SES在2015年放棄全固態電池路線，開始研發半固態電池。“做科研的人說話不會太絕對，但全固態電池很難做出來，我們遇到的問題是基礎性的化學問題，這類問題不是可以靠時間去解決的。”SES創始人胡啟朝對《晚點Auto》說。
 
       可以肯定的是，未來5年全世界不會有固態電池大規模量產。“一個新的電池要在5年內量產，那現在就要有成型的產品配方，在2年內擁有千噸級的電池材料產能，然后擁有1GWh的產線，最終擴展到10GWh以上的年產能，目前連豐田都沒確定電池材料的配方。”某固態電池公司的科研人員對《晚點Auto》表示。
 
       還有人懷疑，固態電池未來是否真的會大規模應用在汽車上。過去行業普遍認為，電動車的續航里程達到1000公里，必須要切換固態電池。而如今，寧德時代的麒麟電池已經做到1000公里，超過大部分燃油車（800公里）。
 
       未來全固態電池的價值可能主要體現在輕量化和安全性上。但推廣這一技術，需要對現有電池產業進行顛覆性地改造，成本極高。這導致固態電池即便攻克了研發和工藝上的難題，也很難媲美液態電池的成本優勢，而車企未必會愿意為了輕量化和提升安全性支付重金。
 
半固態，科研向產業妥協
 
       電池的研發與其他產品不同，用的是窮舉法，不像寫代碼那樣確定。科學家們無法無中生有，需要從現有的物理世界中選取最適合電池的元素及化合物放到電池里。
 
       成功是概率性事件，寧德時代等公司選擇布局多種路線，用更大的基數去增加可能性。
 
       電池領域的初創公司無法像寧德時代這樣押注多個路線，投資人不允許他們在基礎化學難題上冒險，這些公司多數選擇一個更容易商業化的路線——半固態電池，迎合了車企對電池安全性的追求，同時也更容易量產。
QuantumScape的電池樣品
 
       從材料上說，目前半固態電池主要分為三種路線——石墨負極、硅基負極和鋰金屬負極。其中鋰金屬負極能量密度最高，但量產難度也最大。
 
       中國四家頭部固態電池公司——北京衛藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、輝能科技，其量產產品都是以高鎳三元為正極材料，氧化物半固態電解質、硅基負極的半固態電池。
 
       其中北京衛藍和寧波鋒鋰（贛鋒鋰業關聯公司）都宣布在2022年量產半固態電池；上汽投資的清陶能源還未披露時間線；拿到奔馳訂單的輝能科技計劃于2023年量產。
 
       當蔚來汽車2021年初宣布將在蔚來ET7上搭載150度半固態電池時，行業對半固態石墨/硅基電池的看法發生改變。電池公司要面對的終極問題是，車企愿不愿意買賬，其他的都不重要。
 
       從性能上看，北京衛藍等公司選擇的硅基負極半固態電池較現有液態電池提升并不明顯。硅基負極半固態電池的能量密度為360Wh/kg，現有的液態電池能量密度為300Wh/kg。與液態電池相比，半固態電池安全性提升有限，采用半固態電解質后電池內阻增加，會導致電池極化問題，最終影響電池循環壽命和安全性。
 
       在成本上，半固態電池也有很多挑戰。“按照一年裝車10萬輛計算，石墨半固態電池成本是現有液態電池的3-4倍，硅基負極成本更高。”某初創電池公司董事長對《晚點Auto》說，依照目前液態鋰電池10萬元的單車成本計算，售價100萬以上的車才能消化半固態電池的成本。
 
       高成本來自于更難的制造工藝及材料成本。電池的生產環節中有涂布環節，成熟的液態電池生產線涂布的速度為每分鐘70-80米，而半固態電池的涂布效率約為每分鐘60厘米。
 
       復雜的工藝帶來的良品率問題也進一步推高半固態電池量產的成本，一位知情人士表示，北京衛藍半固態電池的生產線良品率低于50%。此外，半固態氧化物所需的鋰鑭鋯氧材料，目前還沒有供應商大規模量產。
 
       對此，接近衛藍的人士對《晚點Auto》表示，衛藍所需的電池材料均有量產的供應商，預鋰化涂布工藝的效率“有提升空間”。
 
       胡啟朝認為，石墨負極和硅基負極的半固態電池只是過渡技術，鋰金屬負極半固態電池才有是長期穩定的方案。
 
       想要提高電池能量密度，關鍵在于用鋰金屬負極代替石墨負極，而不是電解質的材料。在半固態電池采用鋰金屬負極時，電池的能量密度可以突破450Wh/kg，對應的裝車續航可突破1500公里。目前韓國的LG新能源、SK和SES都在探索這一路線。
 
       目前這一路線的難點是：采用金屬鋰負極的電池在充放電時會在電池內產生鋰晶體，即“鋰枝晶”，當晶體生長到一定程度時會刺穿電池，引發安全問題。
 
       此外，鋰金屬電池同樣面臨高昂的成本。鋰金屬材料因活性高易與空氣中的水分發生反應，需要在真空或惰性氣體中制造，成本極高。目前鋰金屬材料的市場價為300萬元/噸，約為碳酸鋰的7倍。
 
       目前中國四家固態電池公司，都選擇做硅基負極的半固態電池。原材料成本上升有限，同時制造工藝也與現有液態電池貼近。前述接近蔚來的人士透露，蔚來汽車向衛藍采購的半固態電池價格較現有液態電池沒有明顯增高。
 
       也有人認為，半固態電池既達不到全固態電池的能量密度、安全性，也沒有鋰離子電池的成本優勢，是資本和電動車軍備競賽共同催生的投機品。
 
       一位接近寧德時代的人士對《晚點Auto》表示，寧德時代內部關注了除半固態電池外所有的技術路線，“其他公司折騰好幾年做的半固態電池的效果，寧德時代認為他們改一下液態電池結構或者電控也能達到。”他說，蔚來汽車用150度半固態電池做1000公里續航，寧德時代的麒麟電池也可以。
 
下一代電池技術是什么
 
       寧德時代內部對動力電池性能考核有6個要素：能量密度、安全性、成本、充電速度、耐溫性和良品率。這6個要素決定了一塊電池能否被市場認可。
 
       “電池是否是固態以及用的什么電解質，對車企來說并不關鍵，他們只看電池的性能數據。”前述宇通客車人士說。
 
       汽車制造問題解決的難度不低于航天領域。航天領域可以不計成本研發，但汽車需要可控的成本，需要電池能在汽車上使用8年不衰竭。
 
       手機等3C產品對電池充放電壽命的要求約為600次，無人機則是200次，不考慮造價的情況下，現有的固態電池樣品可在性能上滿足使用要求。但在汽車領域，國標對動力電池的壽命要求是1000次以上。且僅達到國標的固態電池，是無法與充放電壽命超過3000次的鋰電池競爭的。
 
       雖然多個公司官宣固態/半固態電池的量產裝車時間線，但這些路線與液態電池相比都依然存在短板或技術難題。
 
       是否要選擇更冒險的方案，是當下車企需要面對的問題。同樣為了達到1000公里續航，蔚來汽車選擇和扶持北京衛藍走半固態電池路線，而理想汽車、哪吒汽車等車企則選擇用寧德時代的麒麟電池。
 
       續航里程也不再是車企選擇電池的首要考慮因素。特斯拉、小鵬和理想都在大力發展超快充技術，用800V的高壓平臺搭配4C電池，目標是做到10分鐘充電80%。
 
       4C電池的關鍵是正負極材料和工藝。目前液態和固混電池都可以做成4C標準。
 
       一位電池公司的高級科研人員認為，未來5年市場上最有競爭力的電池是：600公里續航、可搭配800V高壓平臺的電池，和1000公里液態/混合固液電池。
 
       在電池的選擇上，車企和電池廠都會承擔相應的風險。動力電池量產裝車需要經歷ABC樣品階段，A樣品是單個電芯的測試，B樣品是電池成組后的電池包測試，C樣品是裝車測試，每個階段都需要一年左右的時間。
 
       車企會負擔電池測試的費用，每個環節都超過1億元。更有野心的車企還會選擇與電池公司合資建工廠，年產能1GWh的半固態電池產線建設成本是4-5億元。如果選錯技術路線，意味著這些投入都白費了。
 
       對于電池廠而言，代價更大。因為車企最終只會選擇性價比最高的電池大規模量產，以增加產品的競爭力，與液態、固態、半固態技術路線無關。如果半固態電池無法超越液態電池的性能和成本優勢，很難大規模普及。
 
       如果半固態真的是液態電池的下一代技術，那么今天電池行業的巨頭也不會視而不見。這場競賽沒有先發優勢可言。一位半固態電池從業者說，“如果寧德時代在半固態電池的方向上全力投入，3年就可以追上我們。”
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 固態電池
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