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“一夜爆紅”的固態(tài)電池，究竟是什么？

時間:2021-01-13 10:55來源:華爾街見聞 作者:綜合報道
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       在1月9日于成都舉行的NIO Day2020上，蔚來宣布正式推出150kWh電池包，使用固態(tài)電池。
 
       搭載該電池包的蔚來ES8續(xù)航里程將達(dá)到730公里，最高續(xù)航里程達(dá)到910公里，媒體報道這是首款搭載于量產(chǎn)車的固態(tài)電池。
 
       什么是固態(tài)電池？蔚來的“固態(tài)電池”采用了哪種技術(shù)路徑？固態(tài)電池能給行業(yè)帶來怎樣的影響？盡在下文。
 
       為什么蔚來轉(zhuǎn)向固態(tài)電池？
 
       我國新能源車制造商主要采用液態(tài)電池。然而，未來五年，依靠現(xiàn)有的三元電池，能量密難以實現(xiàn)高于350Wh/kg的目標(biāo)，即無法達(dá)到國家要求。
 
       另外，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)向高鎳三元過程中，許多車企出現(xiàn)電池自燃事故，引發(fā)消費(fèi)者安全擔(dān)憂。
       什么是固態(tài)電池？
 
       固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì)。
 
       固態(tài)電池則是使用固體電解質(zhì)，替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。
 
       而傳統(tǒng)鋰離子電池主要由正負(fù)極材料、電解液和隔膜組成。正負(fù)極材料決定了電池的容量，電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質(zhì)。
       固態(tài)電池有什么優(yōu)點(diǎn)
 
       對比液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池具備以下優(yōu)點(diǎn)：
 
       1）固態(tài)電池將液態(tài)電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)，大大降低熱失控風(fēng)險；
 
       2）固態(tài)電池電化學(xué)窗口可達(dá)5V以上，高于液態(tài)鋰電池（4.2V），允許匹配高能正極和金屬鋰負(fù)極，大幅提升理論能量密度；
 
       3）固態(tài)電池可簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，在有限空間進(jìn)一步縮減電池重量，體積能量密度較液態(tài)鋰電池（石墨負(fù)極）提升70%以上，達(dá)到500Wh/kg。
 
       此外，固態(tài)電池在經(jīng)濟(jì)性上也具優(yōu)勢。
 
       目前固體電池仍處于相當(dāng)實驗室-中試階段，其成本相較于液態(tài)電池仍不具備可比性。但伴隨后續(xù)規(guī)�；a(chǎn)以及工藝改進(jìn)（輝能雙極電池包架構(gòu)），其成本有望迅速降低，根據(jù)輝能公布的數(shù)據(jù)顯示在電芯產(chǎn)能達(dá)到 20GWh的時候，雖然電芯成本依然是相同能量密度的液態(tài)電芯的1.1 倍，但電池包成本只有98%；而如果采用MAB，電池包成本僅有同類別液態(tài)電池的7成。
       固態(tài)電池有什么劣勢
 
       當(dāng)然，固態(tài)電池現(xiàn)階段也面臨許多技術(shù)障礙，包括：
 
       1）大部分固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率比電解液小10倍以上，快充性能并不佳；
 
       2）循環(huán)過程中物理接觸變差，影響使用壽命；
 
       3）制備工藝復(fù)雜。
 
       綜合而言，由于對更高能量密度、更高安全性的追求，目前各國都在加緊固態(tài)電池研發(fā)，以期搶占技術(shù)高點(diǎn)。即使實現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化尚需時間，但過程中的技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)能被持續(xù)應(yīng)用，提升產(chǎn)品力。
       固態(tài)電池的技術(shù)路徑
 
       從電介質(zhì)材料來看，目前已經(jīng)在使用或接近商用的固態(tài)電池的電解質(zhì)有聚合物、硫化物和氧化物三種，氧化物固態(tài)電池是綜合前景最好的。
       天風(fēng)證券在今年8月的一份報告中表示，氧化物電解質(zhì)的優(yōu)勢是穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長（可達(dá)1000次以上），能量密度較高，倍率性能較好，同時成本較低；主要缺陷是界面接觸問題尚未完美解決。
 
       相比之下，硫化物電解質(zhì)工業(yè)化較難，與電極接觸時的界面阻抗普遍較高；聚合物電池在移動電源市場上已經(jīng)做到了量產(chǎn)，但是充電倍率較差，能量密度較低。
       市場格局
 
       各國政府近年陸續(xù)出臺政策扶持新能源汽車行業(yè)，多個國家明確固態(tài)電池發(fā)展目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)劃：2020-2025年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉(zhuǎn)變，2030年研發(fā)出商業(yè)化全固態(tài)電池。
       中國方面，部分企業(yè)已進(jìn)入固態(tài)鋰離子電池（半固態(tài)電池）中試階段，2025年前或可實現(xiàn)量產(chǎn)，如寧德時代、輝能科技等。
       日韓方面，豐田計劃2022年實現(xiàn)搭載固態(tài)電池的電動車量產(chǎn)。目前全球范圍內(nèi)，日本企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)較為領(lǐng)先，許多日韓企業(yè)選擇抱團(tuán)研發(fā)。
 
       歐洲則謀求在固態(tài)電池領(lǐng)域翻盤，歐美各大車企紛紛投資固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)。例如美國高校衍生的初創(chuàng)企業(yè)Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。
       很明顯，固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入“軍備競賽”階段，市場參與者眾多，車企、電池企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)等在資本、技術(shù)、人才三方面進(jìn)行博弈。
 
       多數(shù)機(jī)構(gòu)預(yù)期，按照目前發(fā)展情況，2025年固態(tài)電池將實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。從演進(jìn)角度，固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展預(yù)計采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。
       天風(fēng)證券指出，粗略來看，歐洲固態(tài)電池主要是聚合物體系，美國是固液混合，在亞洲中日韓主要是氧化物。
       法國的Bollore是聚合物固態(tài)電池。橫向比較來看，其循環(huán)性較好，但是能力密度較低，而且科研開支逐年遞減。
 
       日本的豐田汽車則是采用硫化物路線，上游就涉及到金屬和化學(xué)工業(yè)廠商。
 
       此次日經(jīng)的報道稱，三井金屬（Mitsui Kinzoku）將在埼玉縣建設(shè)一座試驗廠房，為這種電池生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)；日本石油公司出光興產(chǎn)（Idemitsu Kosan）也同樣在它位于千葉市的生產(chǎn)基地部署固態(tài)電解質(zhì)生產(chǎn)設(shè)備。
 
       國內(nèi)方面，贛鋒鋰業(yè)、清陶能源走的是氧化物路線，寧德時代是硫化物路線。
 
       其中，清陶能源的固態(tài)電池能量密度可達(dá)400Wh/kg以上，贛鋒鋰業(yè)固態(tài)電池的能量密度在240Wh/kg，寧德時代理論可達(dá)400Wh/kg。
 
       蔚來150kWh電池是真正的固態(tài)嗎？
 
       本部分對發(fā)布會提到的固態(tài)電池三大核心技術(shù)，眾多的專業(yè)詞匯，進(jìn)行深度的拆分和解讀。
       1、納米級包覆超高鎳正極
 
       我們需要把這個詞拆開來看，“超高鎳”指的是正極材料，提高鎳的含量，能提高正極材料的克容量，從而提高單體能量密度，這是行業(yè)主流路線，“超高”汽車人參考認(rèn)為至少是三元811，甚至是9系。
 
       需要指出的是，蔚來在100kWh電池包采用的是較安全的鎳55（Ni55）高電壓單晶材料，結(jié)構(gòu)配合CTP。而“超高鎳”，蔚來汽車又選擇了另外一條路。
 
       “納米級包覆”指的是工藝，超高鎳帶動結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，往往需要在材料表面包覆抗蝕層，防止釋氧，但包覆太厚又會影響鋰離子從正極材料的脫嵌，因此采用的是納米級的包覆，即把包覆做薄。
 
       2、無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極
 
       也需要把這個詞拆開來看，“硅碳負(fù)極”指的是負(fù)極材料，石墨負(fù)極有較高的穩(wěn)定性，但石墨的能量密度比較低（理論克容量約372mAh/g）；硅基材料具有很高的能量密度（理論克容量4200mAh/g），在負(fù)極加入硅后，能夠讓負(fù)極材料的理論克容量提升約10倍。
 
       但加入硅后，需要解決兩種材料在充放電過程中體積膨脹不同，硅的體積膨脹為320%，而碳僅為12%，膨脹不同，結(jié)構(gòu)就會坍塌。
       硅碳負(fù)極也是當(dāng)前行業(yè)的主流路線，大多數(shù)電池企業(yè)的負(fù)極材料都早已經(jīng)開始摻硅，并在逐漸提高硅的含量。
 
       而寬度在10納米左右、長度無限制的一維的硅納米線是當(dāng)前一種新的思路。
 
       另外需要指出的是，負(fù)極采用硅碳體系，單體能量密度會有一個天花板，大概在300Wh/kg的水平，而要繼續(xù)實現(xiàn)能量密度的突破，采用金屬負(fù)極是其中一種可能，也就是鋰金屬電池，能量密度可以做到500-600Wh/kg的水平。
       顯然，蔚來汽車目前也并沒有采用這種路線。
 
       “預(yù)鋰化”指的是工藝，在電池化成時，額外尋找一個鋰源，讓負(fù)極形成的SEI膜不消耗正極脫嵌的鋰離子（約有10%～35%的首次不可逆鋰損失），最終提高電池的容量，常見的預(yù)鋰化方式是在負(fù)極（金屬Li粉和Li箔）或者正極補(bǔ)鋰。
 
       預(yù)鋰化業(yè)界也開發(fā)了很多年，但是鋰很活躍，需要解決安全和高成本的問題。
 
       而蔚來汽車“無機(jī)預(yù)鋰化”，汽車人參考認(rèn)為應(yīng)該指的是將無機(jī)粉末添加到熔融鋰中形成混合物的方式。
 
       3、原位固化固液電解質(zhì)
 
       這個詞比較繞口，核心在“固液電解質(zhì)”，所謂原位固化，就是逐步把當(dāng)前的液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)換為固體，而不是一步到位全固態(tài)的方法。
 
       也就是蔚來汽車的固態(tài)電池，本質(zhì)上是同時含有固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池。
       按照2022年底量產(chǎn)計劃，再結(jié)合國內(nèi)相關(guān)企業(yè)研發(fā)進(jìn)展，汽車人參考認(rèn)為，蔚來半固態(tài)電池，具體應(yīng)該是一端電極是全固態(tài)，另一端電極是液態(tài)，固態(tài)電解質(zhì)接近或超過一半質(zhì)量比/體積比。
 
       綜上，蔚來汽車的“固態(tài)電池”，包括了正極高鎳、負(fù)極硅碳、電解質(zhì)半固態(tài)三個關(guān)鍵點(diǎn)，分別在材料和工藝兩個層面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。
 
       因此，蔚來的“固態(tài)電池”本質(zhì)上沒有顛覆性技術(shù)，更多的是，沿著行業(yè)公認(rèn)主流技術(shù)路線的推進(jìn)和落地，并不是真正意義上的固態(tài)電池。
 
       “高鎳”下電解質(zhì)半固態(tài)或是當(dāng)下最優(yōu)
 
       在蔚來的“半固態(tài)”電解液路徑下，高鎳正極便成為在現(xiàn)有技術(shù)上提高能量密度的突破口。
 
       中金公司認(rèn)為，高鎳鋰電是中長期推動無里程焦慮平價的重要路徑。
 
       1、真實里程需求驅(qū)動高鎳鋰電中長期發(fā)展
 
       目前，消除里程焦慮是建立在真實可用的里程之上，中長期600km以上的標(biāo)稱里程有進(jìn)一步普及的需求（對應(yīng)嚴(yán)酷工況下的可用里程約300-350km），而高鎳鋰電是驅(qū)動新能源車?yán)锍唐毡樘嵘?00km以上的重要技術(shù)路徑。
       2、中長期有望實現(xiàn)裝車成本接近鐵鋰，平價可期
 
       成本端，不能僵化的只看單kWh成本，而需要從車企的角度看待裝車成本。裝車成本受兩大因素影響：1）電池的單kWh成本，2）能量密度對整車能耗的影響。
 
       通過系統(tǒng)能量密度的進(jìn)一步提升，高鎳鋰電中長期有望從系統(tǒng)級成本上接近或低于鐵鋰。
 
       鐵鋰當(dāng)前市場價格已低于700元/kWh，較三元低20%以上，在當(dāng)前時點(diǎn)具備一定里程范圍內(nèi)的強(qiáng)競爭力。
       中長期來看，中金預(yù)計：
 
       高鎳三元與鐵鋰的kWh價格差將縮小。預(yù)期至2025年，高鎳三元與鐵鋰的單kWh價格可下降至650元/kWh與530元/kWh，價格差將由目前的近30%，縮小至20%左右。
 
       成本能量密度的絕對值差距將進(jìn)一步拉大。我們預(yù)期至2025年，乘用車領(lǐng)域高鎳三元與鐵鋰的系統(tǒng)能量密度可達(dá)到220Wh/kg與160Wh/kg。其中高鎳三元若使用CTP，則能量密度有進(jìn)一步提升的空間，鐵鋰提升的空間則已較有限。
       能量密度優(yōu)勢有望驅(qū)動高鎳三元在中低里程裝車成本上與鐵鋰相近，在長里程下實現(xiàn)成本更優(yōu)。
 
       當(dāng)前時點(diǎn)，鐵鋰在中低里程上具備顯著的成本優(yōu)勢，但體積能量密度限制其普及應(yīng)用于500km以上車型中。
 
       2025E，能量密度帶來的能耗優(yōu)勢將驅(qū)動高鎳三元在單kWh價格依舊高于鐵鋰的情景下，實現(xiàn)綜合系統(tǒng)成本接近鐵鋰，并在長里程上低于鐵鋰。

       并且，高鎳路徑通過減少材料用量，與核心金屬用量，規(guī)�；驴赏苿尤M(jìn)一步降本。高鎳材料的使用可以帶來四大材料各環(huán)節(jié)用量的進(jìn)一步下降（原理方面來說，由于正極克容量的提升，使得正極涂布面積下降，對應(yīng)使得極片面積、隔膜面積及電解液量下降），同時高鎳材料鈷含量較小，具備從正極本身進(jìn)一步較NCM523降本的潛力。此外，由于高鎳鋰電中鎳占比的快速提升，中長期硫酸鎳的資源重要性將得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。
       利好哪些環(huán)節(jié)和公司？
 
       1、利好哪些環(huán)節(jié)？
 
       ①都在說利好高鎳正極、碳硅負(fù)極環(huán)節(jié)，它們有效提升能量，但跟是不是半固態(tài)沒關(guān)系，液態(tài)鋰金屬也可用。但也意味無論哪種路線它們都是不可避免趨勢。對標(biāo)高鎳正極【當(dāng)升科技】、硅碳負(fù)極【璞泰來】。
 
       ②鋰的用量增加。固態(tài)電池負(fù)極將從石墨/硅負(fù)極過渡到預(yù)鋰化負(fù)極、富鋰復(fù)合負(fù)極、金屬鋰負(fù)極。對標(biāo)【贛鋒鋰業(yè)、天齊鋰業(yè)】。
 
       ③固態(tài)電池導(dǎo)電性能差，因此需要更好的導(dǎo)電劑，CNT使用比例將大幅提升。對標(biāo)【天奈科技】。
 
       2、布局固態(tài)電池的企業(yè)
 
       國內(nèi)臺灣輝能、江蘇清陶、北京衛(wèi)藍(lán)、贛鋒鋰業(yè)、寧德時代這四家離產(chǎn)業(yè)化比較接近。
 
       清陶相對最成熟，蔚來固態(tài)電池供應(yīng)商市場猜測是它。
 
       天齊鋰業(yè)持有衛(wèi)藍(lán)新能源5%股權(quán)；贛鋒第一代2億瓦時的固態(tài)電池中試線順利投產(chǎn)。
 
       新宙邦是最具預(yù)期差公司。
 
       有消息人士透露，寧德時代或為蔚來固態(tài)電池供應(yīng)商。針對“成為蔚來固態(tài)電池提供方”的消息，寧德時代回應(yīng)稱，寧德時代的高強(qiáng)度研發(fā)投入和技術(shù)儲備，以及量產(chǎn)制造能力，能夠支撐我們產(chǎn)品競爭力的持續(xù)領(lǐng)先。
       固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，按電解質(zhì)材料選擇，固態(tài)電池分氧化物、聚合物、硫化物三種路線。氧化物是現(xiàn)在相對成熟路線，而硫化物離子導(dǎo)電率最高，是后期最可能技術(shù)路線，難度當(dāng)前還比較大。
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 固態(tài)電池
作者：綜合報道 ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://kqcgw.com/wenshuo/sc/2021011335210.html
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