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固态电池来了，但又没来

时间:2022-07-31 11:18来源:晚点AUTO 作者:李梓楠
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       美国橡树岭国家实验室1990年就造出了固态电池，充放电上万次不衰竭，充满电只要几分钟，且能量密度超过700Wh/kg，是现在液态锂电池的2.5倍。但在此后的30多年间，可以大规模量产的固态电池都没有出现。
 
       研发了30多年固态电池的丰田汽车，给出的量产时间线是2025年。中国的创业公司们在这一极难突破的技术路线上普遍选择折中方案——做半固态电池。
 
       蔚来2021年初就宣布要在其新车ET7中搭载150kWh半固态电池，实现1000公里续航里程。《晚点Auto》了解到，蔚来预计将于今年9月收到供应商提供的小批量半固态电池，四季度量产这款车。
 
       为其提供半固态电池的是有中科院物理所背景的“北京卫蓝”，成立于2016年。早期这家公司并未受到资本的广泛青睐，其投资方多为国资背景的能源公司。但与蔚来合作后，其估值一路增长至160亿元。在今年3月的一轮融资中，小米、吉利汽车和华为哈勃也进来了。一位接近北京卫蓝的人士透露，该轮融资有超过40家机构发出邀约，但最终只有10家机构投资成功。
 
       除北京卫蓝外，清陶能源、太蓝新能源、高能时代、恩力动力等数十家初创固态电池公司也先后获得融资，这些公司多数都只有量产计划，没有产品，没有客户也没有订单，但估值可以超过20个亿。
 
       车企的选择搅动了巨头独揽的动力电池产业。投资人渴望投出下一个宁德时代，创业者也梦想成为下一个宁德时代。在他们口中，宁德时代被称为“传统锂电公司”，是需要被颠覆的旧势力。
 
       一个技术路线不会凭空出现，成为主流，它需要资本与市场持续支持。除蔚来汽车外，动力电池公司国轩高科、孚能科技及锂电池材料供应商赣锋锂业都宣布在2022年实现半固态电池装车。
 
       始终有人认为，半固态电池是过渡路线。既不具备全固态电池的安全性，又面临与液态电池的成本和性能竞争。近几年液态电池的结构创新不可忽视，搭载150kWh电池包的蔚来ET7可以达到1000公里续航里程，而宁德时代上个月刚刚发布的麒麟电池，也计划做到1000公里。
 
       截至目前，宁德时代、比亚迪、松下等电池巨头均未发布半固态电池计划。对于这些液态电池巨头而言，采用过渡性方案既会颠覆现有的基本盘，也无法满足长远发展的需要。
 
       但技术路线的站队已经开始。
 
液态电池快到极限
 
       过去几年，车企和动力电池厂商提高能量密度主要是靠改进电池结构实现的。
 
       比如特斯拉的圆柱电池，单体圆柱电芯越做越大，直径从18毫米扩到46毫米，高度从65毫米增加到80毫米。相应的，一块电池中所需电芯的个数，则从7000节缩减到1000节。通过提高成组效率，减少了空间浪费，整车续航里程提升了16%。
 
       比亚迪的刀片电池、宁德时代的CTP（Cell To Pack）电池的演化路径与之类似，都是拿掉模组，把容量更大的电芯直接集成到电池包里。通过结构改进，把能量密度从160Wh/kg提升到200Wh/kg。
 
       宁德时代上个月发布的麒麟电池是这一路线的最新成果。宁德时代首席科学家吴凯表示，麒麟电池将电池包的体积利用率从56%左右提升至72%，搭载麒麟电池的新能源汽车，续航里程可以超过1000公里。
 
       电池结构改进的下一代形态，是把电芯直接集成到电动车的底盘上，特斯拉和宁德称之为CTC技术（Cell To Chassis，电池集成到底盘），比亚迪称之为CTB（Cell to Body）。
 
       特斯拉Model Y是全世界第一款应用CTC技术的车型，其新款Model Y把1000多颗4680电池集成到底盘上，续航里程达到600公里。比亚迪的第三代电动车平台（e3.0平台）也采用了类似技术，把刀片电池集成在底盘的上盖中。
 
       宁德时代早在2019年就宣布要做CTC电池，且比特斯拉、比亚迪更进一步，把电机、电池、电控等系统全部集成到底盘。今年4月，华为智能汽车解决方案BU智能车控领域总经理蔡建永离职加入宁德时代，为这一项目的负责人。
 
       相比于结构上的创新，电池材料上的改进相对缓慢。
 
       上一次电池材料体系的阶梯式更替，是锂电池出现并替代铅酸电池。也正因为锂电池应用，我们才得以告别“大哥大”，用上体积更小的手机。
 
       特斯拉2008年把松下的18650电池从笔记本电脑中挪到汽车上，比亚迪也在同期把磷酸铁锂电池装进汽车。这奠定了今天电动车的主流材料技术路线，此后的材料改良都是渐进式的。
 
       2020年以前，宁德时代、LG新能源等电池公司都习惯提高三元锂正极中活性材料的占比以增加能量密度。宁德时代在2019年将三元锂正极中的镍含量从33%提升至80%，造出NCM811（镍钴锰三种材料的配比为8:1:1）电池，能量密度较NCM111电池提升17%。
 
       但增加高活性材料，会在一定程度上牺牲电池安全性。高镍电池在正极镍含量超过90%后，电池的热稳定性和容量保持率会迅速下降，更容易热失控和衰减。
 
       2020年下半年，搭载宁德时代811电池的广汽埃安S车型多次自燃。另一家选择高镍三元锂路线的LG化学因自燃事件在2021年召回近7万辆汽车，被通用汽车索赔10亿美元。
 
       前述工程师告诉《晚点Auto》，目前市场上绝大部分高镍电池都无法通过针刺实验（模拟汽车碰撞电池包受损的情景），“一扎就爆”，高镍三元电池安全性问题暴露后，多数新能源车企开始回归保守，转而使用中镍523及622电池。
 
       通过调整配比改进正极材料的路线已经快走到尽头。三元锂电池的理论比容量上限是275mA·h/g，目前实验室环境中的NCM 90.0.5（镍钴锰三种材料的配比为9:0.5:0.5）电池的比容量是230mA·h/g。磷酸铁锂材料早在2018年时比容量已达到150mA·h/g，接近理论极限170mA·h/g。
 
       2022年7月，宁德时代发布磷酸锰铁锂电池，在磷酸铁锂正极中加入锰材料，比容量达到165mA·h/g，几乎把磷酸铁锂电池的性能推向极限，只存在理论上的优化空间。
 
固态电池30年没有量产
 
       电池行业一直知道更好的材料是什么——锂金属。但与液态电池中的锂化合物不同，锂以金属形态存在时极其活泼，易与电解液中的锂盐发生化学反应，引发热失控，需要与固态电解质搭配，也就是我们常说的固态电池。
 
       在固态电池发展早期，学界认为这是电池的终极方案。它不易燃、且能量密度能达到700Wh/kg，是现在锂离子电池的2.5倍。
 
       1970年，松下造出了锂金属一次电池，但无法循环充电。1988年，加拿大的Moli Energy量产了锂金属的可充电电池，比锂离子电池量产早了三年。但Moli Energy的电池量产后出现多次起火爆炸事故，不得不大规模召回。彼时日本的电池巨头索尼、三洋和松下相继决定终止锂金属固态电池的开发，三井集团决定永远放弃锂金属固态电池路线。
 
       这之后的十多年里，除丰田汽车外，只有高校的实验室仍在研发固态电池。电动车市场的爆发，也推动了电池行业的发展。中国企业在六、七年前开始研发固态电池。中科院的科学家们下海创业，在海外深造的华人科学家回到中国加入龙头公司。
 
       清华大学的南策文在2014年创立清陶能源。2015年，在美国橡树岭国家实验室深造十多年的梁成都加入宁德时代。同年，赣锋锂业开始入局动力电池业务，将固态电池视作核心目标，并在两年后挖来了中科院宁波材料所的研究员许晓雄。中科院物理所研究员李泓和院士陈立泉在2016年成立北京卫蓝。
 
       固态电池研发是一个基于已知配方解决制备、制造难题的事情，技术壁垒依靠不断的试错积累。
 
       日本的丰田、日立造船等公司在过去30年尝试了数万种电解质配方，挑选出几十种材料应用到电池中，其他公司解决的是，如何将这几十种材料更好地应用在电池中。
 
       按照材料体系划分，目前固态电池可以分为三种技术路线。日韩押宝硫化物体系，欧洲主要为聚合物路线，中国则以氧化物为主。
 
       这三种技术路线都存在相应的基础缺点。聚合物电解质需要加热到60℃才可以获得足够的导电率；氧化物电解质中锂离子的电导率比液态要低很多；硫化物电解质中的锂离子导电率跟液态相近但是易氧化产生有毒气体。
 
       法国的Bollore在2012年就把聚合物电池做到城市巴士中。因为聚合物需要加热到60摄氏度才能正常运作，Bollore还在电池包中加入了特有的加热元器件。
 
       因高昂的成本和与液态电池不相上下的能量密度（聚合物电池能量密度在150Wh/kg，当时的磷酸铁锂电池能量密度约为140Wh/kg），Bollore的方案最终没有大规模推广。
 
       2012年丰田发布硫化物固态电池前，全世界的公司都在做氧化物和聚合物的固态电池。彼时，困扰业界的主要问题是，聚合物和氧化物路线电池导电率都远低于液态电池。丰田的硫化物电解质，让固态电池电导率首次超过液态电池。
丰田的固态电池概念车
 
       在Alca Spring,Rising2,Solid EV等国家项目中，日本联合了38家研发机构，包括丰田、尼桑、本田等等汽车公司，大学一起做硫化物体系全固态电池研发。
 
       硫化物是上限最高也是最难的一条固态电池技术路线。即使是拥有全世界近三分之一硫化物电池专利的丰田，在装车这件事上也跳票过。
 
       早在2017年12月，丰田就表示将在2020年初开始生产固态电池。“2018年，丰田固态电池的样品装车只能充放电50次，当时液态电池的充放电寿命是2000次左右。”一位曾在丰田固态电池部门工作近十年的工程师对《晚点Auto》表示。
 
       因无法解决氧化物电池的离子导电率等问题，固态电池公司SES在2015年放弃全固态电池路线，开始研发半固态电池。“做科研的人说话不会太绝对，但全固态电池很难做出来，我们遇到的问题是基础性的化学问题，这类问题不是可以靠时间去解决的。”SES创始人胡启朝对《晚点Auto》说。
 
       可以肯定的是，未来5年全世界不会有固态电池大规模量产。“一个新的电池要在5年内量产，那现在就要有成型的产品配方，在2年内拥有千吨级的电池材料产能，然后拥有1GWh的产线，最终扩展到10GWh以上的年产能，目前连丰田都没确定电池材料的配方。”某固态电池公司的科研人员对《晚点Auto》表示。
 
       还有人怀疑，固态电池未来是否真的会大规模应用在汽车上。过去行业普遍认为，电动车的续航里程达到1000公里，必须要切换固态电池。而如今，宁德时代的麒麟电池已经做到1000公里，超过大部分燃油车（800公里）。
 
       未来全固态电池的价值可能主要体现在轻量化和安全性上。但推广这一技术，需要对现有电池产业进行颠覆性地改造，成本极高。这导致固态电池即便攻克了研发和工艺上的难题，也很难媲美液态电池的成本优势，而车企未必会愿意为了轻量化和提升安全性支付重金。
 
半固态，科研向产业妥协
 
       电池的研发与其他产品不同，用的是穷举法，不像写代码那样确定。科学家们无法无中生有，需要从现有的物理世界中选取最适合电池的元素及化合物放到电池里。
 
       成功是概率性事件，宁德时代等公司选择布局多种路线，用更大的基数去增加可能性。
 
       电池领域的初创公司无法像宁德时代这样押注多个路线，投资人不允许他们在基础化学难题上冒险，这些公司多数选择一个更容易商业化的路线——半固态电池，迎合了车企对电池安全性的追求，同时也更容易量产。
QuantumScape的电池样品
 
       从材料上说，目前半固态电池主要分为三种路线——石墨负极、硅基负极和锂金属负极。其中锂金属负极能量密度最高，但量产难度也最大。
 
       中国四家头部固态电池公司——北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、辉能科技，其量产产品都是以高镍三元为正极材料，氧化物半固态电解质、硅基负极的半固态电池。
 
       其中北京卫蓝和宁波锋锂（赣锋锂业关联公司）都宣布在2022年量产半固态电池；上汽投资的清陶能源还未披露时间线；拿到奔驰订单的辉能科技计划于2023年量产。
 
       当蔚来汽车2021年初宣布将在蔚来ET7上搭载150度半固态电池时，行业对半固态石墨/硅基电池的看法发生改变。电池公司要面对的终极问题是，车企愿不愿意买账，其他的都不重要。
 
       从性能上看，北京卫蓝等公司选择的硅基负极半固态电池较现有液态电池提升并不明显。硅基负极半固态电池的能量密度为360Wh/kg，现有的液态电池能量密度为300Wh/kg。与液态电池相比，半固态电池安全性提升有限，采用半固态电解质后电池内阻增加，会导致电池极化问题，最终影响电池循环寿命和安全性。
 
       在成本上，半固态电池也有很多挑战。“按照一年装车10万辆计算，石墨半固态电池成本是现有液态电池的3-4倍，硅基负极成本更高。”某初创电池公司董事长对《晚点Auto》说，依照目前液态锂电池10万元的单车成本计算，售价100万以上的车才能消化半固态电池的成本。
 
       高成本来自于更难的制造工艺及材料成本。电池的生产环节中有涂布环节，成熟的液态电池生产线涂布的速度为每分钟70-80米，而半固态电池的涂布效率约为每分钟60厘米。
 
       复杂的工艺带来的良品率问题也进一步推高半固态电池量产的成本，一位知情人士表示，北京卫蓝半固态电池的生产线良品率低于50%。此外，半固态氧化物所需的锂镧锆氧材料，目前还没有供应商大规模量产。
 
       对此，接近卫蓝的人士对《晚点Auto》表示，卫蓝所需的电池材料均有量产的供应商，预锂化涂布工艺的效率“有提升空间”。
 
       胡启朝认为，石墨负极和硅基负极的半固态电池只是过渡技术，锂金属负极半固态电池才有是长期稳定的方案。
 
       想要提高电池能量密度，关键在于用锂金属负极代替石墨负极，而不是电解质的材料。在半固态电池采用锂金属负极时，电池的能量密度可以突破450Wh/kg，对应的装车续航可突破1500公里。目前韩国的LG新能源、SK和SES都在探索这一路线。
 
       目前这一路线的难点是：采用金属锂负极的电池在充放电时会在电池内产生锂晶体，即“锂枝晶”，当晶体生长到一定程度时会刺穿电池，引发安全问题。
 
       此外，锂金属电池同样面临高昂的成本。锂金属材料因活性高易与空气中的水分发生反应，需要在真空或惰性气体中制造，成本极高。目前锂金属材料的市场价为300万元/吨，约为碳酸锂的7倍。
 
       目前中国四家固态电池公司，都选择做硅基负极的半固态电池。原材料成本上升有限，同时制造工艺也与现有液态电池贴近。前述接近蔚来的人士透露，蔚来汽车向卫蓝采购的半固态电池价格较现有液态电池没有明显增高。
 
       也有人认为，半固态电池既达不到全固态电池的能量密度、安全性，也没有锂离子电池的成本优势，是资本和电动车军备竞赛共同催生的投机品。
 
       一位接近宁德时代的人士对《晚点Auto》表示，宁德时代内部关注了除半固态电池外所有的技术路线，“其他公司折腾好几年做的半固态电池的效果，宁德时代认为他们改一下液态电池结构或者电控也能达到。”他说，蔚来汽车用150度半固态电池做1000公里续航，宁德时代的麒麟电池也可以。
 
下一代电池技术是什么
 
       宁德时代内部对动力电池性能考核有6个要素：能量密度、安全性、成本、充电速度、耐温性和良品率。这6个要素决定了一块电池能否被市场认可。
 
       “电池是否是固态以及用的什么电解质，对车企来说并不关键，他们只看电池的性能数据。”前述宇通客车人士说。
 
       汽车制造问题解决的难度不低于航天领域。航天领域可以不计成本研发，但汽车需要可控的成本，需要电池能在汽车上使用8年不衰竭。
 
       手机等3C产品对电池充放电寿命的要求约为600次，无人机则是200次，不考虑造价的情况下，现有的固态电池样品可在性能上满足使用要求。但在汽车领域，国标对动力电池的寿命要求是1000次以上。且仅达到国标的固态电池，是无法与充放电寿命超过3000次的锂电池竞争的。
 
       虽然多个公司官宣固态/半固态电池的量产装车时间线，但这些路线与液态电池相比都依然存在短板或技术难题。
 
       是否要选择更冒险的方案，是当下车企需要面对的问题。同样为了达到1000公里续航，蔚来汽车选择和扶持北京卫蓝走半固态电池路线，而理想汽车、哪吒汽车等车企则选择用宁德时代的麒麟电池。
 
       续航里程也不再是车企选择电池的首要考虑因素。特斯拉、小鹏和理想都在大力发展超快充技术，用800V的高压平台搭配4C电池，目标是做到10分钟充电80%。
 
       4C电池的关键是正负极材料和工艺。目前液态和固混电池都可以做成4C标准。
 
       一位电池公司的高级科研人员认为，未来5年市场上最有竞争力的电池是：600公里续航、可搭配800V高压平台的电池，和1000公里液态/混合固液电池。
 
       在电池的选择上，车企和电池厂都会承担相应的风险。动力电池量产装车需要经历ABC样品阶段，A样品是单个电芯的测试，B样品是电池成组后的电池包测试，C样品是装车测试，每个阶段都需要一年左右的时间。
 
       车企会负担电池测试的费用，每个环节都超过1亿元。更有野心的车企还会选择与电池公司合资建工厂，年产能1GWh的半固态电池产线建设成本是4-5亿元。如果选错技术路线，意味着这些投入都白费了。
 
       对于电池厂而言，代价更大。因为车企最终只会选择性价比最高的电池大规模量产，以增加产品的竞争力，与液态、固态、半固态技术路线无关。如果半固态电池无法超越液态电池的性能和成本优势，很难大规模普及。
 
       如果半固态真的是液态电池的下一代技术，那么今天电池行业的巨头也不会视而不见。这场竞赛没有先发优势可言。一位半固态电池从业者说，“如果宁德时代在半固态电池的方向上全力投入，3年就可以追上我们。”
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 固态电池
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