專題
[摘要]毋庸置疑，固態(tài)電池取代液態(tài)電池將是大勢所趨，按照液態(tài)到半固態(tài)，再到準(zhǔn)固態(tài)最終實現(xiàn)全固態(tài)的技術(shù)演化路徑，全固態(tài)電池將是最終形態(tài)。蔚來汽車ET7的高調(diào)發(fā)布，算是在推動固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用方面，邁出了重要的一步。
眾所周知，當(dāng)前電動汽車主要搭載的是鋰離子電池，它需要用到液態(tài)電解質(zhì)溶液，但是鋰離子電池本身具有能量密度瓶頸，且安全問題始終懸而未決。相比之下，固態(tài)電池的核心是固態(tài)電解質(zhì)，在安全性大幅提高的同時，能量密度可實現(xiàn)成倍的增長，并且不易受到極限溫度的影響，還具有重量更輕、壽命更長的優(yōu)勢。
固態(tài)電池的概念已經(jīng)提出超過半個世紀(jì)，但是由于技術(shù)難度太大，時至今日仍然沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，大多還停留在炒概念或是實驗室階段。不過近日，國內(nèi)造車新勢力龍頭蔚來汽車突然宣布，將在兩年內(nèi)上市360wh/kg超高能量密度，150kWh的固態(tài)電池，并聲稱搭載該電池的新款車型ET7續(xù)航里程可達(dá)1000公里。
消息傳出后，在新能源車行業(yè)內(nèi)引起巨大反響，但更多的是質(zhì)疑的聲音。合肥國軒高科工程研究總院常務(wù)副院長徐興無就表示，固態(tài)電池大規(guī)模應(yīng)用至少要到2025年，短時間內(nèi)其只適用于部分場景；國聯(lián)汽車動力電池研究院董事長熊柏青也表示，全固態(tài)電池現(xiàn)在距商業(yè)化還很遠(yuǎn)，現(xiàn)在做個演示都難，至少5年內(nèi)沒戲。
面對巨大的輿論熱情，蔚來汽車董事長李斌不得不對其發(fā)布的固態(tài)電池進(jìn)行解釋。他表示蔚來汽車采用的是半固態(tài)電池，內(nèi)部仍帶有少量液態(tài)電解液。蔚來所做的是將這塊半固態(tài)電池進(jìn)行創(chuàng)新，比如在正極上采用納米級包裹工藝，減少包裹材料厚度；在負(fù)極上采用預(yù)鋰化工藝，提高電池容量，并摻入無機(jī)材料粉末等。
固態(tài)電池吼一吼 股價都得抖三抖
根據(jù)此前發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2025年動力電池單體能量密度需要達(dá)到350Wh/kg。但是依靠當(dāng)前主流的液態(tài)電解液的鋰離子電池技術(shù)，不管是以比亞迪為首的磷酸鐵鋰電池，還是以寧德時代為代表的三元鋰電池，單體能量密度理論上最高就350wh/kg且系統(tǒng)密度基本上限不超過300wh/kg，都難以實現(xiàn)。
而固態(tài)電池中由于是電解質(zhì)取代了隔膜和電解質(zhì)，意味著正負(fù)極間僅剩固態(tài)電解質(zhì)。因此兩極間的距離可縮短至十幾微米，電池整體體積空間可增加近40%左右容量，重量則減少近25%。同體積下，容量更大，質(zhì)量更低，能量密度也更高。根據(jù)試驗結(jié)果，固態(tài)電池能量密度可達(dá)400wh/kg，理論能量密度可達(dá)700Wh/kg。
正因如此，大家把突破能量密度瓶頸的重任，寄托在固態(tài)電池身上，企業(yè)趨之若鶩。國內(nèi)方面，包括輝能科技、清陶能源、珈瑋股份、衛(wèi)藍(lán)新能源等企業(yè)，都在積極投建固態(tài)電池產(chǎn)線甚至部分已宣布投產(chǎn)；國外方面，包括三星SDI、SKI、LG化學(xué)、麻省固能、Quantum Scape等電池企業(yè)，在固態(tài)電池領(lǐng)域不斷取得突破。
早在2016年底，珈偉股份就在上海舉辦“全球首例固態(tài)鋰電池與快充電池發(fā)布會”。在發(fā)布會上，公司詳細(xì)介紹了固態(tài)鋰電池技術(shù)并進(jìn)行安全性能演示。珈偉股份表示，公司全固態(tài)電池，在電池密度上可達(dá)到400wh/kg至600wh/kg。當(dāng)時，公司固態(tài)電池已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，預(yù)計2017年底或2018年初實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
專業(yè)從事固態(tài)電池設(shè)計開發(fā)的衛(wèi)藍(lán)新能源，宣稱其開發(fā)的固態(tài)電池能量密度在2018年便已達(dá)到300wh/kg。近幾年來，衛(wèi)藍(lán)新能源固態(tài)電池在安全性方面均已通過測試，一直在進(jìn)行樣車的試驗。2019年衛(wèi)藍(lán)新能源固態(tài)電池產(chǎn)品已供給無人機(jī)使用，同時固態(tài)電池原材料包括硅碳負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)隔膜材料已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
而在固態(tài)電池領(lǐng)域走的比較快的輝能科技，此前也宣布其鋰金屬固態(tài)電池的原型電池已經(jīng)制造出來，能量密度達(dá)到383Wh/kg，體積能量密度為1025Wh/L，循環(huán)做到500次。而且其固態(tài)電池已克服鋰枝晶和鋰苔的問題，負(fù)極完全采用鋰金屬。輝能科技計劃今年內(nèi)完成2GWh示范線，2022年起完成固態(tài)電池量產(chǎn)車投放。
除了上述企業(yè)，還有不少企業(yè)也公布了有關(guān)固態(tài)電池的量產(chǎn)計劃，但是大都不達(dá)預(yù)期或是沒有了下文。相比于上述企業(yè)的高調(diào)，傳統(tǒng)動力電池廠家如比亞迪、寧德時代等則顯得較為低調(diào)，雖早有固態(tài)電池的布局但鮮有消息放出，更從未提及量產(chǎn)時間。不過近期，一向低調(diào)的寧德時代，也在固態(tài)電池方面有了新的動作。
今年1月19日，寧德時代也公開了兩種與固態(tài)電池相關(guān)的專利，其中就包括《一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法》和《一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法》。寧德時代表示，第一款專利可通過提高固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率，從而提升全固態(tài)電池能量密度；第二款專利可提高固態(tài)電解質(zhì)片的電導(dǎo)率及電池的能量密度和循環(huán)性能。
在這個時間點上，寧德時代公開固態(tài)電池專利信息，很容易讓人聯(lián)想到此前蔚來汽車發(fā)布的固態(tài)電池消息。此前蔚來汽車雖然發(fā)布了150kWh固態(tài)電池包，并定于2022年第四季度對外交付，但是蔚來汽車并未對外公布供應(yīng)商信息，此前業(yè)界紛紛猜測該固態(tài)電池很有可能是由蔚來汽車現(xiàn)在的電池供應(yīng)伙伴寧德時代提供。
但是后來李斌承認(rèn)，蔚來汽車采用的是半固態(tài)電池，內(nèi)部仍帶有少量液態(tài)電解液。從寧德時代公布的專利信息來看，這兩款專利都是固態(tài)電解質(zhì)，而非固液混合電解質(zhì)，因此蔚來汽車的半固態(tài)電池供應(yīng)商是誰，仍然是個謎。而且寧德時代此前也表示，固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化至少需要5年，寧德時代的舉動似乎別有用意。
筆者注意到，就在蔚來固態(tài)電池消息公布不久，涉及鋰電池隔膜和電解液的概念股短期內(nèi)紛紛大跌。接下來三個交易日，恩捷股份股價下跌21.47%，該千億市值的鋰電隔膜龍頭市值便蒸發(fā)300多億元。除了恩捷，市值600億的天賜材料也同樣遭遇跌停。此外受到波及的還有星源材質(zhì)、新宙邦，星云股份、奧克股份等。
業(yè)內(nèi)人士不禁調(diào)侃道，固態(tài)電池吼一吼，資本都得抖三抖。隨后天賜材料表示，公司目前已開展全固態(tài)電池用固態(tài)電解質(zhì)的研究，且已有專利布局，但距離真正的商用化還有很長的路要走；恩捷股份也表示，公司研究院有固態(tài)電池技術(shù)專業(yè)研究團(tuán)隊，已在全固態(tài)及半固態(tài)電池方面持續(xù)進(jìn)行了多項深入細(xì)致的研究工作。
雖然固態(tài)電池尚未完全實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，更不用談商業(yè)化問題，但蔚來汽車對固態(tài)電池的激進(jìn)布局，就像我們熟知的斗地主，我蔚來手里有好牌，所以我掌握著搶地主和加倍的主動權(quán)，你們只能跟。而寧德時代祭出固態(tài)電池專利，恩捷股份、天賜材料公布固態(tài)電池材料進(jìn)展，也是在告訴對手，我有準(zhǔn)備所以根本不虛。
技術(shù)成本待突破 商業(yè)化為時尚早
通常，行業(yè)內(nèi)依據(jù)液體電解液的用量比例來作為固態(tài)電池的劃分標(biāo)準(zhǔn)：整塊電池中液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%為半固態(tài)；液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%為準(zhǔn)固態(tài)；不含有任何液體電解質(zhì)為全固態(tài)，因此蔚來發(fā)布的半固態(tài)電池只是固態(tài)電池技術(shù)路線上的初級段落。有激進(jìn)者認(rèn)為，將固液電解質(zhì)稱為固態(tài)電池實際是偷換概念。
業(yè)內(nèi)人士稱，在現(xiàn)有的高鎳電池的基礎(chǔ)上，往負(fù)極材料上摻加硅碳元素，就能生產(chǎn)出半固態(tài)電池，從技術(shù)上來看完全可行，早在幾年前這項技術(shù)就已出現(xiàn)。而且這樣做出來的半固態(tài)電池能量密度更高，單體能量密度可做到300Wh/kg以上。但是這樣做的缺點是，材料成本會比較高，比傳統(tǒng)鋰電池高出數(shù)倍甚至是數(shù)十倍。
如果是全固態(tài)電池，生產(chǎn)成本還會更高。在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有超過1000項專利，位居全球前列的豐田汽車就提到，目前固態(tài)電池面臨的最大問題就在于解決成本問題，未來成本需要低于100美元/kWh才能與燃油機(jī)相抗衡。據(jù)了解，豐田將在今年內(nèi)推出首款搭載固態(tài)電池的原型車，而直到2025年才會推出首款量產(chǎn)車型。
而在國內(nèi)，電動車的補(bǔ)貼政策比較明確，電池企業(yè)也在這個政策下指導(dǎo)性進(jìn)行生產(chǎn)，可以說政府對補(bǔ)貼要求是什么，電池企業(yè)就生產(chǎn)什么樣的電池，這也導(dǎo)致固態(tài)電池短期內(nèi)沒有實際的剛需。就在發(fā)布固態(tài)電池的消息后不久，李斌也承認(rèn)，全固態(tài)電池的量產(chǎn)還是很遙遠(yuǎn)的事情，原因是目前固態(tài)電池的市場需求還很低。
選擇從半固態(tài)電池入手，通過蔚來汽車獨有的電池租用服務(wù)模式（BAAS）降低用戶的購買和使用成本。具體的做法是，將電池的產(chǎn)權(quán)剝離出來，用戶購買車輛后可租用電池。而這種車電分離的模式有效解決了新能源車殘值率大幅下跌的用戶困擾，不僅讓蔚來汽車擁有了更大的競爭優(yōu)勢，也使得汽車電池可以獨立迭代。
李斌表示：“固態(tài)電池如果沒有量產(chǎn)的機(jī)會，那么價格就會居高不下。蔚來的商業(yè)模式讓我們可以保證固態(tài)電池啟動量產(chǎn)所必須的量，所以我們推動固態(tài)電池技術(shù)量產(chǎn)的動力比別人大得多。固態(tài)電池車用級規(guī)模的量產(chǎn)需要有人去啟動它，我們經(jīng)過全面評估后認(rèn)為能夠做到量產(chǎn)，通過半固態(tài)電池打開市場是不錯的選擇”。
當(dāng)然除了成本的原因，固態(tài)電池還有很多技術(shù)難點待突破。據(jù)了解，當(dāng)前固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)摸索出了三條較為可行的技術(shù)路線，即聚合物電解質(zhì)、無機(jī)氧化物電解質(zhì)以及無機(jī)硫化物電解質(zhì)，三條路線也各有優(yōu)缺點。其中聚合物電解質(zhì)優(yōu)點在于柔韌性比較好，可以做凝膠狀態(tài)。缺點在于導(dǎo)電率過低，而且還會產(chǎn)生水份。
無機(jī)硫化物電解質(zhì)方面，當(dāng)前最好的硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率已經(jīng)可以達(dá)到跟液態(tài)電池持平的水準(zhǔn)。但這種材料耐高壓方面比較差，跟水分接觸，容易發(fā)生負(fù)反應(yīng)，生成有毒的、易燃易爆的硫化氫氣體；在無機(jī)氧化物電解質(zhì)跟液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率差距不大，且對環(huán)境的要求比較低。缺點是柔韌性差，界面接觸會比較差。
而即使是解決了固態(tài)電池材料問題，在量產(chǎn)方面也面臨著很多問題。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，目前電池企業(yè)在生產(chǎn)液態(tài)電池的時候，都需要追求產(chǎn)品的一致性。而固態(tài)電池由于是固定的不能流動，做不均勻，一致性會差于液態(tài)電池。現(xiàn)階段的電池生產(chǎn)工藝在固態(tài)電池領(lǐng)域完全不適用，要大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池還需創(chuàng)新生產(chǎn)工藝。
清華大學(xué)南策文院士認(rèn)為，任何新技術(shù)、新產(chǎn)品剛一開始出來，成本都較高，一旦生產(chǎn)技術(shù)成熟、產(chǎn)量上去，成本自然而然就能下來。固態(tài)電池一定要走向?qū)嵱没⒁?guī)模化。如果一直在紙上談，何來進(jìn)步。一個新技術(shù)出來，在熱了一段時間后，一定要慢慢往產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向走，哪怕邁出一小步也可以，但不邁出去不行。
毋庸置疑，固態(tài)電池取代液態(tài)電池將是大勢所趨，按照液態(tài)到半固態(tài)，再到準(zhǔn)固態(tài)最終實現(xiàn)全固態(tài)的技術(shù)演化路徑，全固態(tài)電池將是最終形態(tài)。蔚來汽車ET7的高調(diào)發(fā)布，也算是在推動固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用方面邁出重要一步。可預(yù)見的是，在解決技術(shù)和成本的問題后固態(tài)電池終將商業(yè)化，實現(xiàn)對液態(tài)鋰電池的替代。
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