鉅大LARGE | 點擊量：359次 | 2023年03月08日
固態(tài)電池來了，但又沒來
美國橡樹嶺國家實驗室1990年就造出了固態(tài)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(xiàn)在液態(tài)鋰電池的2.5倍。但在此后的30多年間，可以大規(guī)模量產(chǎn)的固態(tài)電池都沒有出現(xiàn)。
研發(fā)了30多年固態(tài)電池的豐田汽車，給出的量產(chǎn)時間線是2025年。我國的創(chuàng)業(yè)公司們在這一極難突破的技術(shù)路線上普遍選擇折中方法做半固態(tài)電池。
蔚來2021年初就宣布要在其新車ET7中搭載150kWh半固態(tài)電池，實現(xiàn)1000公里續(xù)航里程?！锻睃cAuto》了解到，蔚來預(yù)計將于今年九月收到供應(yīng)商供應(yīng)的小批量半固態(tài)電池，四季度量產(chǎn)這款車。
為其供應(yīng)半固態(tài)電池的是有中科院物理所背景的北京衛(wèi)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。但和蔚來合作后，其估值一路上升至160億元。在今年三月的一輪融資中，小米、吉利汽車和華為哈勃也進來了。一位接近北京衛(wèi)藍的人士透露，該輪融資有超過40家機構(gòu)發(fā)出邀約，但最終只有10家機構(gòu)投資成功。
除北京衛(wèi)藍外，清陶能源、太藍新能源、高能時代、恩力動力等數(shù)十家初創(chuàng)固態(tài)電池公司也先后獲得融資，這些公司多數(shù)都只有量產(chǎn)計劃，沒有產(chǎn)品，沒有客戶也沒有訂單，但估值可以超過20個億。
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車企的選擇攪動了巨頭獨攬的動力鋰電池產(chǎn)業(yè)。投資人渴望投出下一個CATL，創(chuàng)業(yè)者也夢想成為下一個CATL。在他們口中，CATL被稱為傳統(tǒng)鋰電公司，是要被顛覆的舊勢力。
一個技術(shù)路線不會憑空出現(xiàn)，成為主流，它要資本和市場持續(xù)支持。除蔚來汽車外，動力鋰電池公司國軒高科、孚能科技及鋰電池材料供應(yīng)商贛鋒鋰業(yè)都宣布在2022年實現(xiàn)半固態(tài)電池裝車。
始終有人認為，半固態(tài)電池是過渡路線。既不具備全固態(tài)電池的安全性，又面對和液態(tài)電池的成本和性能競爭。近幾年液態(tài)電池的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新不可忽視，搭載150kWh電池包的蔚來ET7可以達到1000公里續(xù)航里程，而CATL上個月剛剛公布的麒麟電池，也計劃做到1000公里。
截至目前，CATL、比亞迪、松下等電池巨頭均未公布半固態(tài)電池計劃。關(guān)于這些液態(tài)電池巨頭而言，采用過渡性方法既會顛覆現(xiàn)有的基本盤，也無法滿足長遠發(fā)展的要。
但技術(shù)路線的站隊已經(jīng)開始。
液態(tài)電池快到極限
過去幾年，車企和動力鋰電池廠商提高能量密度重要是靠改進電池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。
比如TSLA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毫米新增到80毫米。相應(yīng)的，一塊電池中所需電芯的個數(shù)，則從7000節(jié)縮減到1000節(jié)。通過提高成組效率，減少了空間浪費，整車續(xù)航里程提升了16%。
比亞迪的刀片電池、CATL的CTP（CellToPack）電池的演化路徑和之類似，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(jié)構(gòu)改進，把能量密度從160Wh/kg提升到200Wh/kg。
CATL上個月公布的麒麟電池是這一路線的最新成果。CATL首席科學(xué)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(xù)航里程可以超過1000公里。
電池結(jié)構(gòu)改進的下一代形態(tài)，是把電芯直接集成到電動汽車的底盤上，TSLA和寧德稱之為CTC技術(shù)（CellToChassis，電池集成到底盤），比亞迪稱之為CTB（CelltoBody）。
TSLAModelY是全世界第一款應(yīng)用CTC技術(shù)的車型，其新款ModelY把1000多顆4680電池集成到底盤上，續(xù)航里程達到600公里。比亞迪的第三代電動汽車平臺（e3.0平臺）也采用了類似技術(shù)，把刀片電池集成在底盤的上蓋中。
CATL早在2019年就宣布要做CTC電池，且比TSLA、比亞迪更進一步，把電機、電池、電控等系統(tǒng)全部集成到底盤。今年四月，華為智能汽車解決方法BU智能車控領(lǐng)域總經(jīng)理蔡建永離職加入CATL，為這一項目的負責(zé)人。
相比于結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)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(xiàn)并替代鉛酸電池。也正因為鋰電池應(yīng)用，我們才得以告別大哥大，用上體積更小的手機。
TSLA2008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。這奠定了今天電動汽車的主流材料技術(shù)路線，此后的材料改良都是漸進式的。
2020年以前，CATL、LG新能源等電池公司都習(xí)慣提高三元鋰正極中活性材料的占比以新增能量密度。CATL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%。
但新增高活性材料，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(wěn)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CATL811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(xué)因自燃事件在2021年召回近7萬輛汽車，被通用汽車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(shù)新能源車企開始回歸保守，轉(zhuǎn)而使用中鎳523及622電池。
通過調(diào)整配比改進正極材料的路線已經(jīng)快走到盡頭。三元鋰電池的理論比容量上限是275mAh/g，目前實驗室環(huán)境中的NCM90.0.5（鎳鈷錳三種材料的配比為9:0.5:0.5）電池的比容量是230mAh/g。磷酸鐵鋰材料早在2018年時比容量已達到150mAh/g，接近理論極限170mAh/g。
2022年七月，CATL公布磷酸錳鐵鋰電池，在磷酸鐵鋰正極中加入錳材料，比容量達到165mAh/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(yōu)化空間。
固態(tài)電池30年沒有量產(chǎn)
電池行業(yè)一直了解更好的材料是什么鋰金屬。但和液態(tài)電池中的鋰化合物不同，鋰以金屬形態(tài)存在時極其活潑，易和電解液中的鋰鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)熱失控，要和固態(tài)電解質(zhì)搭配，也就是我們常說的固態(tài)電池。
在固態(tài)電池發(fā)展早期，學(xué)界認為這是電池的終極方法。它不易燃、且能量密度能達到700Wh/kg，是現(xiàn)在鋰電池的2.5倍。
1970年，松下造出了鋰金屬一次電池，但無法循環(huán)充電。1988年，加拿大的MoliEnergy量產(chǎn)了鋰金屬的可充電電池，比鋰電池量產(chǎn)早了三年。但MoliEnergy的電池量產(chǎn)后出現(xiàn)多次起火爆炸事故，不得不大規(guī)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(tài)電池的開發(fā)，三井集團決定永遠放棄鋰金屬固態(tài)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(fā)固態(tài)電池。電動汽車市場的爆發(fā)，也推動了電池行業(yè)的發(fā)展。我國公司在六、七年前開始研發(fā)固態(tài)電池。中科院的科學(xué)家們下海創(chuàng)業(yè)，在海外深造的華人科學(xué)家回到我國加入龍頭公司。
清華大學(xué)的南策文在2014年創(chuàng)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CATL。同年，贛鋒鋰業(yè)開始入局動力鋰電池業(yè)務(wù)，將固態(tài)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(wèi)藍。
固態(tài)電池研發(fā)是一個基于已知配方解決制備、制造難題的事情，技術(shù)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(shù)萬種電解質(zhì)配方，選擇出幾十種材料應(yīng)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(yīng)用在電池中。
按照材料體系劃分，目前固態(tài)電池可以分為三種技術(shù)路線。日韓押寶硫化物體系，歐洲重要為聚合物路線，我國則以氧化物為主。
這三種技術(shù)路線都存在相應(yīng)的基礎(chǔ)缺點。聚合物電解質(zhì)要加熱到60℃才可以獲得足夠的導(dǎo)電率；氧化物電解質(zhì)中鋰離子的電導(dǎo)率比液態(tài)要低很多；硫化物電解質(zhì)中的鋰離子導(dǎo)電率跟液態(tài)相近但是易氧化出現(xiàn)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。
因高昂的成本和和液態(tài)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的方法最終沒有大規(guī)模推廣。
2012年豐田公布硫化物固態(tài)電池前，全世界的公司都在做氧化物和聚合物的固態(tài)電池。彼時，困擾業(yè)界的重要問題是，聚合物和氧化物路線電池導(dǎo)電率都遠低于液態(tài)電池。豐田的硫化物電解質(zhì)，讓固態(tài)電池電導(dǎo)率首次超過液態(tài)電池。
豐田的固態(tài)電池概念車
在AlcaSpring,Rising2,SolidEV等國家項目中，日本聯(lián)合了38家研發(fā)機構(gòu)，包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司，大學(xué)一起做硫化物體系全固態(tài)電池研發(fā)。
硫化物是上限最高也是最難的一條固態(tài)電池技術(shù)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年十二月，豐田就表示將在2020年初開始生產(chǎn)固態(tài)電池。2018年，豐田固態(tài)電池的樣品裝車只能充放電50次，當時液態(tài)電池的充放電壽命是2000次左右。一位曾在豐田固態(tài)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(dǎo)電率等問題，固態(tài)電池公司SES在2015年放棄全固態(tài)電池路線，開始研發(fā)半固態(tài)電池。做科研的人說話不會太絕對，但全固態(tài)電池很難做出來，我們遇到的問題是基礎(chǔ)性的化學(xué)問題，這類問題不是可以靠時間去解決的。SES創(chuàng)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(tài)電池大規(guī)模量產(chǎn)。一個新的電池要在5年內(nèi)量產(chǎn)，那現(xiàn)在就要有成型的產(chǎn)品配方，在2年內(nèi)擁有千噸級的電池材料產(chǎn)量，然后擁有1GWh的產(chǎn)線，最終擴展到10GWh以上的年產(chǎn)量，目前連豐田都沒確定電池材料的配方。某固態(tài)電池公司的科研人員對《晚點Auto》表示。
還有人懷疑，固態(tài)電池未來是否真的會大規(guī)模應(yīng)用在汽車上。過去行業(yè)普遍認為，電動汽車的續(xù)航里程達到1000公里，必須要切換固態(tài)電池。而如今，CATL的麒麟電池已經(jīng)做到1000公里，超過大部分燃油車（800公里）。
未來全固態(tài)電池的價值可能重要體現(xiàn)在輕量化和安全性上。但推廣這一技術(shù)，要對現(xiàn)有電池產(chǎn)業(yè)進行顛覆性地改造，成本極高。這導(dǎo)致固態(tài)電池即便攻克了研發(fā)和工藝上的難題，也很難媲美液態(tài)電池的成本優(yōu)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(tài)，科研向產(chǎn)業(yè)妥協(xié)
電池的研發(fā)和其他產(chǎn)品不同，用的是窮舉法，不像寫代碼那樣確定。科學(xué)家們無法無中生有，要從現(xiàn)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，CATL等公司選擇布局多種路線，用更大的基數(shù)去新增可能性。
電池領(lǐng)域的初創(chuàng)公司無法像CATL這樣押注多個路線，投資人不允許他們在基礎(chǔ)化學(xué)難題上冒險，這些公司多數(shù)選擇一個更容易商業(yè)化的路線半固態(tài)電池，迎合了車企對電池安全性的追求，同時也更容易量產(chǎn)。
QuantumScape的電池樣品
從材料上說，目前半固態(tài)電池重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(chǎn)難度也最大。
我國四家頭部固態(tài)電池公司北京衛(wèi)藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、輝能科技，其量產(chǎn)產(chǎn)品都是以高鎳三元為正極材料，氧化物半固態(tài)電解質(zhì)、硅基負極的半固態(tài)電池。
其中北京衛(wèi)藍和寧波鋒鋰（贛鋒鋰業(yè)關(guān)聯(lián)公司）都宣布在2022年量產(chǎn)半固態(tài)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(chǎn)。
當蔚來汽車2021年初宣布將在蔚來ET7上搭載150度半固態(tài)電池時，行業(yè)對半固態(tài)石墨/硅基電池的看法發(fā)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(wèi)藍等公司選擇的硅基負極半固態(tài)電池較現(xiàn)有液態(tài)電池提升并不明顯。硅基負極半固態(tài)電池的能量密度為360Wh/kg，現(xiàn)有的液態(tài)電池能量密度為300Wh/kg。和液態(tài)電池相比，半固態(tài)電池安全性提升有限，采用半固態(tài)電解質(zhì)后電池內(nèi)阻新增，會導(dǎo)致電池極化問題，最終影響電池循環(huán)壽命和安全性。
在成本上，半固態(tài)電池也有很多挑戰(zhàn)。按照一年裝車10萬輛計算，石墨半固態(tài)電池成本是現(xiàn)有液態(tài)電池的3-4倍，硅基負極成本更高。某初創(chuàng)電池公司董事長對《晚點Auto》說，依照目前液態(tài)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(tài)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(chǎn)環(huán)節(jié)中有涂布環(huán)節(jié)，成熟的液態(tài)電池生產(chǎn)線涂布的速度為每分鐘70-80米，而半固態(tài)電池的涂布效率約為每分鐘60厘米。
復(fù)雜的工藝帶來的良品率問題也進一步推高半固態(tài)電池量產(chǎn)的成本，一位知情人士表示，北京衛(wèi)藍半固態(tài)電池的生產(chǎn)線良品率低于50%。此外，半固態(tài)氧化物所需的鋰鑭鋯氧材料，目前還沒有供應(yīng)商大規(guī)模量產(chǎn)。
對此，接近衛(wèi)藍的人士對《晚點Auto》表示，衛(wèi)藍所需的電池材料均有量產(chǎn)的供應(yīng)商，預(yù)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(tài)電池只是過渡技術(shù)，鋰金屬負極半固態(tài)電池才有是長期穩(wěn)定的方法。
想要提高電池能量密度，關(guān)鍵在于用鋰金屬負極代替石墨負極，而不是電解質(zhì)的材料。在半固態(tài)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(yīng)的裝車續(xù)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(nèi)出現(xiàn)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(fā)安全問題。
此外，鋰金屬電池同樣面對高昂的成本。鋰金屬材料因活性高易和空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，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。
目前我國四家固態(tài)電池公司，都選擇做硅基負極的半固態(tài)電池。原材料成本上升有限，同時制造工藝也和現(xiàn)有液態(tài)電池貼近。前述接近蔚來的人士透露，蔚來汽車向衛(wèi)藍采購的半固態(tài)電池價格較現(xiàn)有液態(tài)電池沒有明顯增高。
也有人認為，半固態(tài)電池既達不到全固態(tài)電池的能量密度、安全性，也沒有鋰電池的成本優(yōu)勢，是資本和電動汽車軍備競賽共同催生的投機品。
一位接近CATL的人士對《晚點Auto》表示，CATL內(nèi)部關(guān)注了除半固態(tài)電池外所有的技術(shù)路線，其他公司折騰好幾年做的半固態(tài)電池的效果，CATL認為他們改一下液態(tài)電池結(jié)構(gòu)或者電控也能達到。他說，蔚來汽車用150度半固態(tài)電池做1000公里續(xù)航，CATL的麒麟電池也可以。
下一代電池技術(shù)是什么
CATL內(nèi)部對動力鋰電池性能考核有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(tài)以及用的什么電解質(zhì)，對車企來說并不關(guān)鍵，他們只看電池的性能數(shù)據(jù)。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(lǐng)域。航天領(lǐng)域可以不計成本研發(fā)，但汽車要可控的成本，要電池能在汽車上使用8年不衰竭。
手機等3C產(chǎn)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(xiàn)有的固態(tài)電池樣品可在性能上滿足使用要求。但在汽車領(lǐng)域，國標對動力鋰電池的壽命要求是1000次以上。且僅達到國標的固態(tài)電池，是無法和充放電壽命超過3000次的鋰電池競爭的。
雖然多個公司官宣固態(tài)/半固態(tài)電池的量產(chǎn)裝車時間線，但這些路線和液態(tài)電池相比都依然存在短板或技術(shù)難題。
是否要選擇更冒險的方法，是當下車企要面對的問題。同樣為了達到1000公里續(xù)航，蔚來汽車選擇和扶持北京衛(wèi)藍走半固態(tài)電池路線，而理想汽車、哪吒汽車等車企則選擇用CATL的麒麟電池。
續(xù)航里程也不再是車企選擇電池的首要考慮因素。TSLA、小鵬和理想都在大力發(fā)展超快充技術(shù)，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(guān)鍵是正負極材料和工藝。目前液態(tài)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(xù)航、可搭配800V高壓平臺的電池，和1000公里液態(tài)/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(yīng)的風(fēng)險。動力鋰電池量產(chǎn)裝車要經(jīng)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，每個階段都要一年左右的時間。
車企會負擔電池測試的費用，每個環(huán)節(jié)都超過1億元。更加有野心的車企還會選擇和電池公司合資建廠，年產(chǎn)量1GWh的半固態(tài)電池產(chǎn)線建設(shè)成本是4-5億元。假如選錯技術(shù)路線，意味著這些投入都白費了。
關(guān)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(guī)模量產(chǎn)，以新增產(chǎn)品的競爭力，和液態(tài)、固態(tài)、半固態(tài)技術(shù)路線無關(guān)。假如半固態(tài)電池?zé)o法超越液態(tài)電池的性能和成本優(yōu)勢，很難大規(guī)模普及。
假如半固態(tài)真的是液態(tài)電池的下一代技術(shù)，那么今天電池行業(yè)的巨頭也不會視而不見。這場競賽沒有先發(fā)優(yōu)勢可言。一位半固態(tài)電池從業(yè)者說，假如CATL在半固態(tài)電池的方向上全力投入，3年就可以追上我們。
