下一代動(dòng)力電池的“風(fēng)口”在哪？

【資料圖】

圍繞這個(gè)問題，不斷有新的爭(zhēng)論出現(xiàn)。在眾多的爭(zhēng)論中，呼聲最高的莫過于“固態(tài)電池”。

前不久，據(jù)媒體報(bào)道稱，到2030年，韓國將投資20萬億韓元（約1062億人民幣）生產(chǎn)世界上首批固態(tài)電池。

除此之外，上汽、寶馬、日產(chǎn)、豐田等車企也紛紛透露固態(tài)電池的最新研發(fā)進(jìn)度。

年初，寶馬集團(tuán)宣布將與美國初創(chuàng)公司Solid Power合作，在自己的電池制造中心采用全固態(tài)電池中試生產(chǎn)線；日本汽車制造商日產(chǎn)（Nissan）宣布，正在全力推出一款裝載全固態(tài)電池的電動(dòng)車。

最近，上汽集團(tuán)擬通過嘉興創(chuàng)頎創(chuàng)業(yè)投資合伙企業(yè)（有限合伙）與嘉興頎駿一號(hào)股權(quán)投資合伙企業(yè)（有限合伙）向清陶能源追加投資不超過27億元。 在此以前，上汽集團(tuán)分別于2020年和2022年通過基金方式參與投資清陶能源。

“夢(mèng)想電池”

不斷有玩家加入到這場(chǎng)固態(tài)電池領(lǐng)域的“軍備競(jìng)賽”當(dāng)中，其中一個(gè)重要原因之一便是：液態(tài)電池在安全性和能量密度方面存在不可忽視的劣勢(shì)。

液態(tài)電池的電解液溶劑具有易揮發(fā)、低閃點(diǎn)的特點(diǎn)，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性。此外，液態(tài)電池的負(fù)極表面容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負(fù)極短路，導(dǎo)致電池起火。

并且，在能量密度方面，受重量、體積、安全性等因素限制，液態(tài)鋰電池已接近能量密度天花板。

2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、“鋰電池之父”Stanly Whittingham就曾說過，已經(jīng)商業(yè)化的電池，其能量密度僅為理論上能量密度的一小部分。從體積能量密度來看，僅實(shí)現(xiàn)了理論密度的11%到25%。從重力能量密度來看，也僅為理論的25%。

反觀固態(tài)電池，鋰枝晶在固態(tài)電解質(zhì)中生長緩慢且難刺透，極大降低了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)，電池自燃或者爆炸的概率顯著減小。

而從能量密度來看，固態(tài)電池允許適配高能正極與鋰金屬負(fù)極，目前固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已超過400Wh/kg，突破傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的能量密度天花板。因此，也被成為“夢(mèng)想電池”。

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，根據(jù)所用固態(tài)電解質(zhì)不同，目前業(yè)界對(duì)固態(tài)電池的研究主要集中在陶瓷（硫化物和氧化物）和聚合物類型上，而有些則結(jié)合了這兩種材料。

歐美傾向選擇開發(fā)難度相對(duì)較低、更易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的聚合物電解質(zhì)，這也是最早實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池裝車測(cè)試的技術(shù)路線。

2011年法國公司 Bolloré 率先實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池電動(dòng)車的商業(yè)化應(yīng)用，批量應(yīng)用于自主開發(fā)的電動(dòng)汽車 Bluecar 和 Bluebus。

中國則以氧化物為主。比如寧德時(shí)代NEO電池采用了氧化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)；衛(wèi)藍(lán)新能源則聚焦氧化物與聚合物電解質(zhì)復(fù)合的混合固液和全固態(tài)鋰電池；脫胎于清華大學(xué)南策文院士團(tuán)隊(duì)的清陶能源也主要聚焦在氧化物固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池的開發(fā)。

硫化物作為理論上最適用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域的技術(shù)路線，開發(fā)難度最大，日韓企業(yè)更多研發(fā)這一體系。

根據(jù)從事專利調(diào)查和分析的調(diào)查機(jī)構(gòu)Patent Result的數(shù)據(jù)顯示，全固態(tài)電池相關(guān)專利排名前十的企業(yè)中，日本企業(yè)有6家，韓國企業(yè)占4家。其中，手握專利數(shù)最多的豐田自1990年便著手固態(tài)電池的研究，采用的技術(shù)路線就是具備高離子傳導(dǎo)性的基于硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。據(jù)了解，三星SDI目前正在研發(fā)的也是陶瓷硫化物固態(tài)電池。

不斷跳票的量產(chǎn)時(shí)間

雖然這些年，大眾、QuantumScape、Solid Power、豐田、日產(chǎn)、松下等日系巨頭，以及中國電池方面的很多企業(yè)，都紛紛加入了固態(tài)電池的戰(zhàn)局。

但一個(gè)尷尬的現(xiàn)實(shí)是：固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間不斷在推后就連手握固態(tài)電池最多專利數(shù)的豐田也不得不推遲其量產(chǎn)時(shí)間表。

2012年， 豐田在世界范圍首發(fā)硫化物固態(tài)電池，隨后又在2017年表示，將在 2020 年初開始生產(chǎn)固態(tài)電池，并給出了量產(chǎn)時(shí)間——2025年。但在2021年豐田改變了“2025年量產(chǎn)”的口風(fēng)，并在當(dāng)年的“2030年電池戰(zhàn)略會(huì)”上表示，在全固態(tài)電池方面“進(jìn)展不樂觀”。

目前，豐田的計(jì)劃是在2025 年正式推出配備固態(tài)電池的混合動(dòng)力車。

去年年底，另一家固態(tài)電池廠商QuantumScape雖然將首批原型固態(tài)電池交付給汽車客戶，但其創(chuàng)始人、CEO兼董事長Jagdeep Singh也坦言，“這批電池產(chǎn)品的可靠性方面仍有很大提升空間”。

寧德時(shí)代董事長曾毓群也曾表示：“固態(tài)電池有很多科學(xué)及技術(shù)的基礎(chǔ)問題尚未解決，我們公司深耕十多年，仍然認(rèn)為難以形成有技術(shù)可行性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品?！?/p>

固態(tài)電池之所以在全球遲遲無法推進(jìn)，其中一大原因在于“固態(tài)電池的成本非常高”。

有市場(chǎng)機(jī)構(gòu)預(yù)估，到2028年全固態(tài)電池的單價(jià)將降至160美元/kwh，但同期鋰離子電池的生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)是80美元/kwh。

不過，最近日產(chǎn)表示， 2028 年其全固態(tài)電池可以將電池組的價(jià)格降至每千瓦時(shí) 75 美元（約 477 元人民幣），最終降至每千瓦時(shí) 65 美元（約 413.4 元人民幣）。

另一個(gè)原因在于，固態(tài)電池在技術(shù)上仍然需要突破，比如固態(tài)電解質(zhì)材料的鋰離子電導(dǎo)率偏低、鋰枝晶折斷導(dǎo)致“死鋰”情況等問題。

從企業(yè)的角度來說，發(fā)展固態(tài)電池則意味著要投巨資重建一整套的全新生產(chǎn)線，如果沒有確定性發(fā)展前景的驅(qū)動(dòng)，企業(yè)很難下決心推倒重來。

因此，在全固態(tài)技術(shù)未成熟之前，國內(nèi)廠商選擇了一個(gè)折中方案：半固態(tài)電池。

根據(jù)工信部公告顯示，蔚來將有三款車開始使用半固態(tài)電池。

2月7日，贛鋒鋰業(yè)控股子公司贛鋒鋰電在其官方微信公眾號(hào)上宣布，搭載贛鋒鋰電三元固液混合鋰離子電池的純電動(dòng)SUV賽力斯-SERES-5規(guī)劃于2023年上市。

嵐圖汽車在旗下首款轎車追光的發(fā)布會(huì)上也宣布，追光搭載82kWh電池包，將成為行業(yè)首個(gè)量產(chǎn)裝車的半固態(tài)電池。

此外，清陶能源、國軒高科、孚能科技生產(chǎn)的半固態(tài)電池也于2022-2023年已經(jīng)或計(jì)劃上車。

不過，需要注意的是，半固態(tài)雖然名字上跟固態(tài)電池很相似，可實(shí)際上與液態(tài)鋰離子電池關(guān)系更近，它仍需要電解液和隔膜。因此，外界也有評(píng)論認(rèn)為，模糊“半固態(tài)”和“固態(tài)”之間的差別，是在炒概念，并不利于行業(yè)發(fā)展。

韓國想做“固態(tài)電池商業(yè)化第一國”

現(xiàn)在業(yè)界普遍認(rèn)為，全固態(tài)電池至少需要5-10年才有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。根據(jù)EVTank的預(yù)測(cè)，至2030年全球固態(tài)電池滲透率為10%，需求達(dá)到276.8GWh。

為了搶下固態(tài)電池量產(chǎn)“第一棒”，不少國家開始針對(duì)固態(tài)電池提供專門的資金投資。

之前，歐洲就推出了《電池2030規(guī)劃》及《2030電池創(chuàng)新路線圖》，由歐盟多國共同出資32億歐元用于發(fā)展固態(tài)電池。

前不久，據(jù)彭博社報(bào)道，到2030年，韓國將投資20萬億韓元（約1062億人民幣）生產(chǎn)世界上首批固態(tài)電池，計(jì)劃使韓國成為世界上第一個(gè)將固態(tài)電池商業(yè)化的國家。

事實(shí)上，韓國一直期冀將動(dòng)力電池打造成第二個(gè)“半導(dǎo)體奇跡”。

早在2021年就公布了“K-電池發(fā)展戰(zhàn)略（K-Battery Development Strategy）”，旨在使韓國成為下一個(gè)二次電池產(chǎn)業(yè)的世界領(lǐng)先者。為配合“K-電池發(fā)展戰(zhàn)略”，韓國三大電池生產(chǎn)企業(yè)宣布計(jì)劃到2030年，對(duì)該產(chǎn)業(yè)投資40萬億韓元（約合2144億元人民幣）。

LG新能源、三星SDI和SK On，被稱為韓國電池行業(yè)三巨頭，分別是韓國三家知名集團(tuán)（LG化學(xué)、三星集團(tuán)、SK Innovaton）創(chuàng)立的新能源子公司。

根據(jù)研究機(jī)構(gòu)SNE報(bào)告，2022年寧德時(shí)代動(dòng)力電池市場(chǎng)銷售額排名第一，占市場(chǎng)份額的28%，按出貨量計(jì)算則占39%。韓國的三家公司緊隨其后，LG新能源以12%排名第二，三星SDI以6%排名第四，SK On以5%排名第五。

在韓國國內(nèi)三家電池公司中，三星SDI對(duì)固態(tài)電池的開發(fā)最為積極。 2020年3月，三星SDI推出了固態(tài)電池原型。根據(jù)當(dāng)時(shí)的說法，這種電池預(yù)計(jì)可以行駛800公里，在電動(dòng)汽車中可以循環(huán)使用1000次。

2022年3月，三星SDI宣布在位于京畿道水原市靈通區(qū)的SDI研究所內(nèi)，開始建設(shè)了全固態(tài)電池試驗(yàn)線（S-line產(chǎn)線），并計(jì)劃在2023年開始試生產(chǎn)，2027年開展大規(guī)模生產(chǎn)。

除三星外，SK On早在從母公司SK Innovation剝離之初便開始了在固態(tài)電池領(lǐng)域的布局。

2021年10月1日，SK Innovation 以 SK On 的名義剝離了其電池業(yè)務(wù)，同時(shí)其表示，將投資 3000 萬美元收購美國固態(tài)電池公司 Solid Power 的股份。

緊接著，2022年1月，SK On又宣布與美國佐治亞理工學(xué)院的Seung-woo Lee教授合作開發(fā)下一代全固態(tài)電池。

今年年初SK on還表示，計(jì)劃到2025年向其在大田廣域市的電池研究所投資4700億韓元，以擴(kuò)大研究設(shè)施規(guī)模、建設(shè)新一代電池工廠以及建立全球質(zhì)量控制中心。SK On稱，新電池試驗(yàn)廠計(jì)劃于明年上半年建成，屆時(shí)將啟動(dòng)全固態(tài)電池材料的開發(fā)。目標(biāo)是在2024年下半年開發(fā)出全固態(tài)原型電池，并在2028年實(shí)現(xiàn)商用化。

LG新能源則相對(duì)低調(diào)，不過在2020年12月份從LG化學(xué)分拆成立新公司的當(dāng)日也曾表示，將加速全固態(tài)電池和鋰硫電池等新一代電池技術(shù)的開發(fā)。

作為下一代鋰電池的理想形態(tài)，固態(tài)電池的高人氣可以理解。但是，一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)過程，絕不會(huì)是一路坦途。

就像中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高在第二屆世界動(dòng)力電池大會(huì)云上宜賓高端論壇中所說的那樣，“全固態(tài)電池技術(shù)雖然目前仍然面臨著很多挑戰(zhàn)，但仍然是我們值得去追求的目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)不是短期的，可以看作是面向2030年，值得創(chuàng)新的目標(biāo)?！?/p>

（本文首發(fā)鈦媒體App， 作者｜韓敬嫻，編輯｜張敏）

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