“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)航里程將達到730公里，最高續(xù)航里程達到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，即無法達到國家要求。
 
       另外，磷酸鐵鋰轉向高鎳三元過程中，許多車企出現(xiàn)電池自燃事故，引發(fā)消費者安全擔憂。
       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。
 
       固態(tài)電池則是使用固體電解質，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極材料、電解液和隔膜組成。正負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。
       固態(tài)電池有什么優(yōu)點
 
       對比液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池具備以下優(yōu)點：
 
       1）固態(tài)電池將液態(tài)電解質替換為固態(tài)電解質，大大降低熱失控風險；
 
       2）固態(tài)電池電化學窗口可達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)，在有限空間進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態(tài)鋰電池（石墨負極）提升70%以上，達到500Wh/kg。
 
       此外，固態(tài)電池在經(jīng)濟性上也具優(yōu)勢。
 
       目前固體電池仍處于相當實驗室-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（輝能雙極電池包架構），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
 
       當然，固態(tài)電池現(xiàn)階段也面臨許多技術障礙，包括：
 
       1）大部分固態(tài)電解質電導率比電解液小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)，以期搶占技術高點。即使實現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化尚需時間，但過程中的技術創(chuàng)新已經(jīng)能被持續(xù)應用，提升產(chǎn)品力。
       固態(tài)電池的技術路徑
 
       從電介質材料來看，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。
       天風證券在今年8月的一份報告中表示，氧化物電解質的優(yōu)勢是穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長（可達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)展目標和產(chǎn)業(yè)技術規(guī)劃：2020-2025年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉變，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，日本企業(yè)的固態(tài)電池技術較為領先，許多日韓企業(yè)選擇抱團研發(fā)。
 
       歐洲則謀求在固態(tài)電池領域翻盤，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)電池領域已經(jīng)進入“軍備競賽”階段，市場參與者眾多，車企、電池企業(yè)、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才三方面進行博弈。
 
       多數(shù)機構預期，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)。從演進角度，固態(tài)電池技術發(fā)展預計采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。
       天風證券指出，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）將在埼玉縣建設一座試驗廠房，為這種電池生產(chǎn)固態(tài)電解質；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)電解質生產(chǎn)設備。
 
       國內方面，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，眾多的專業(yè)詞匯，進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，結構配合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，超高鎳帶動結構不穩(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、無機預鋰化硅碳負極
 
       也需要把這個詞拆開來看，“硅碳負極”指的是負極材料，石墨負極有較高的穩(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），在負極加入硅后，能夠讓負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，結構就會坍塌。
       硅碳負極也是當前行業(yè)的主流路線，大多數(shù)電池企業(yè)的負極材料都早已經(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前一種新的思路。
 
       另外需要指出的是，負極采用硅碳體系，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。
 
       “預鋰化”指的是工藝，在電池化成時，額外尋找一個鋰源，讓負極形成的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，常見的預鋰化方式是在負極（金屬Li粉和Li箔）或者正極補鋰。
 
       預鋰化業(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“無機預鋰化”，汽車人參考認為應該指的是將無機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
 
       這個詞比較繞口，核心在“固液電解質”，所謂原位固化，就是逐步把當前的液態(tài)電解質轉換為固體，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，本質上是同時含有固態(tài)電解質和液態(tài)電解質的鋰電池。
       按照2022年底量產(chǎn)計劃，再結合國內相關企業(yè)研發(fā)進展，汽車人參考認為，蔚來半固態(tài)電池，具體應該是一端電極是全固態(tài)，另一端電極是液態(tài)，固態(tài)電解質接近或超過一半質量比/體積比。
 
       綜上，蔚來汽車的“固態(tài)電池”，包括了正極高鎳、負極硅碳、電解質半固態(tài)三個關鍵點，分別在材料和工藝兩個層面進行了技術創(chuàng)新。
 
       因此，蔚來的“固態(tài)電池”本質上沒有顛覆性技術，更多的是，沿著行業(yè)公認主流技術路線的推進和落地，并不是真正意義上的固態(tài)電池。
 
       “高鎳”下電解質半固態(tài)或是當下最優(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)有技術上提高能量密度的突破口。
 
       中金公司認為，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以上的標稱里程有進一步普及的需求（對應嚴酷工況下的可用里程約300-350km），而高鎳鋰電是驅動新能源車里程普遍提升至600km以上的重要技術路徑。
       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。
 
       鐵鋰當前市場價格已低于700元/kWh，較三元低20%以上，在當前時點具備一定里程范圍內的強競爭力。
       中長期來看，中金預計：
 
       高鎳三元與鐵鋰的kWh價格差將縮小。預期至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一步拉大。我們預期至2025年，乘用車領域高鎳三元與鐵鋰的系統(tǒng)能量密度可達到220Wh/kg與160Wh/kg。其中高鎳三元若使用CTP，則能量密度有進一步提升的空間，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)。
 
       當前時點，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用于500km以上車型中。
 
       2025E，能量密度帶來的能耗優(yōu)勢將驅動高鎳三元在單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一步的強化。
       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、碳硅負極環(huán)節(jié)，它們有效提升能量，但跟是不是半固態(tài)沒關系，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。對標高鎳正極【當升科技】、硅碳負極【璞泰來】。
 
       ②鋰的用量增加。固態(tài)電池負極將從石墨/硅負極過渡到預鋰化負極、富鋰復合負極、金屬鋰負極。對標【贛鋒鋰業(yè)、天齊鋰業(yè)】。
 
       ③固態(tài)電池導電性能差，因此需要更好的導電劑，CNT使用比例將大幅提升。對標【天奈科技】。
 
       2、布局固態(tài)電池的企業(yè)
 
       國內臺灣輝能、江蘇清陶、北京衛(wèi)藍、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)電池供應商市場猜測是它。
 
       天齊鋰業(yè)持有衛(wèi)藍新能源5%股權；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)電池供應商。針對“成為蔚來固態(tài)電池提供方”的消息，寧德時代回應稱，寧德時代的高強度研發(fā)投入和技術儲備，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)領先。
       固態(tài)電解質是固態(tài)電池的核心，按電解質材料選擇，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，而硫化物離子導電率最高，是后期最可能技術路線，難度當前還比較大。
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 固態(tài)電池
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