固態(tài)電池升溫 整車廠能否扳回一局

5月10日，福特與寶馬表示，雙方正聯(lián)合一家風(fēng)投公司共同投資固態(tài)電池新創(chuàng)公司Solid Power，金額為1.3億美元(約合人民幣8.4億元)。近期，本田、現(xiàn)代等車企也在大力投資開發(fā)固態(tài)電池，加速推動固態(tài)電池走向商業(yè)化。

來自企業(yè)方面的行動，匯聚成一股新的潮流。“這表明，電動汽車市場對性能更強、更安全的動力電池需求的激增，給固態(tài)電池技術(shù)突破帶來了更強勁的驅(qū)動力，車企作為需求者和受益者，必然是固態(tài)電池商業(yè)化提速的主要推動者之一。”北京大學(xué)新能源材料與技術(shù)實驗室主任其魯對《中國汽車報》記者表示。

固態(tài)電池?zé)岫润E增

近兩年來，在政策推動下，智能電動汽車進入快速發(fā)展期，而全球?qū)掖伟l(fā)生的電動汽車自燃事件，使業(yè)界對目前電動汽車廣泛使用的三元鋰電池提出了質(zhì)疑，正因如此，安全性更好，續(xù)駛里程更長的固態(tài)電池技術(shù)正在成為國內(nèi)外企業(yè)技術(shù)競爭的新高地。

4月9日，贛鋒鋰業(yè)宣布將投資22億元，建設(shè)包括高比能固態(tài)電池超薄鋰負極材料在內(nèi)的項目;4月14日，蜂巢能源與中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所共建的固態(tài)電池技術(shù)研究中心正式成立;4月22日，現(xiàn)代汽車宣布固態(tài)電池開發(fā)計劃，并宣稱將在2030年大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池汽車;4月23日，本田公司透露正獨立展開全固態(tài)電池研究，今年內(nèi)將開始生產(chǎn)技術(shù)驗證;豐田也計劃在2021年東京奧運會上推出搭載固態(tài)電池的純電動示范車。

而在此次福特與寶馬的合作之前，福特曾參與Solid Power在2018年的A輪投資并出資2600萬美元(約合人民幣1.7億元)，當(dāng)時現(xiàn)代汽車與三星電子也參與其中。寶馬集團早在2017年就與Solid Power合作開發(fā)固態(tài)電池。2020年10月，Solid Power宣布生產(chǎn)和交付第一代全固態(tài)電池(ASSB)，能量密度達到每千克320瓦時。此輪融資之后，Solid Power將加快推動其固態(tài)電池產(chǎn)品的量產(chǎn)落地。

之所以越來越多的企業(yè)盯上固態(tài)電池，更多是企業(yè)出于自身發(fā)展，追求更安全、性能更好的電池的需要。“固態(tài)電池電化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性都比較好，所以其安全性等指標(biāo)，相比液態(tài)電池更有優(yōu)勢，這是企業(yè)看重的原因，但問題是目前還沒有在市場上看到進一步的應(yīng)用。”中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長馬小利表示。

事實上，固態(tài)電池作為下一代動力電池技術(shù)的制高點，吸引著眾多企業(yè)布局。包括大眾、現(xiàn)代、寶馬、豐田、通用等國際車企，蔚來、寧德時代、蜂巢、輝能、贛鋒鋰業(yè)、清陶、衛(wèi)藍等國內(nèi)企業(yè)，也在加快推進固態(tài)電池的研發(fā)及商業(yè)化。

其中，大眾投資入股的固態(tài)電池企業(yè)Quantum Scape于去年在紐交所上市。其固態(tài)電池體積能量密度超過1千瓦時/千克，并支持15分鐘充滿80%電量。此外，現(xiàn)代汽車正在與三星SDI、SKI和LG新能源在內(nèi)的電池企業(yè)進行合作，以推進固態(tài)電池的開發(fā)和量產(chǎn);通用汽車與麻省固能(SES)達成合作，計劃在2023年之前推出原型固態(tài)電池。

仿佛一夜之間，固態(tài)電池成為2021年動力電池領(lǐng)域最熱的“網(wǎng)紅”。“這是因為，目前液態(tài)三元鋰電池產(chǎn)品工藝已達到極限，且安全隱患是液態(tài)電池自身難以解決的問題，所以，加速固態(tài)電池的商業(yè)化落地，成為汽車企業(yè)、動力電池企業(yè)及研發(fā)機構(gòu)共同致力的目標(biāo)。”清華大學(xué)材料學(xué)院教授南策文認為。

車企爭取主動權(quán)

據(jù)了解，有的車企已經(jīng)急不可待開始推出產(chǎn)品。

今年1月，國內(nèi)造車新勢力蔚來汽車推出了150千瓦時固態(tài)電池包，能量密度達360瓦時/千克。雖然蔚來汽車表示，這是半固態(tài)電池，但已經(jīng)提升了安全系數(shù)和續(xù)駛里程，并定于2022年四季度批量交付。

同時，比亞迪等企業(yè)也公布了固態(tài)電池相關(guān)產(chǎn)品計劃。比亞迪采用鋰氧化物作為全固態(tài)電池的電解質(zhì)，這類電解質(zhì)本身的電導(dǎo)率極低，但比亞迪通過自主開發(fā)的專利技術(shù)，提高了鋰氧化物的電導(dǎo)率和力學(xué)強度，使得固態(tài)電池具有更加優(yōu)異的電池循環(huán)性能和高倍率充放電性能。

此外，豐田也表示，將成為第一家銷售配備固態(tài)電池電動汽車的制造商，承諾一次充電可實現(xiàn)續(xù)駛500公里，充電時間大大縮短，該公司還表示，將在2021年實現(xiàn)原型車測試，但目前該車沒有進入市場的明確時間。

“應(yīng)該說，是多方面的壓力倒逼車企主動研發(fā)及布局固態(tài)電池先進技術(shù)。”山東省電池工業(yè)協(xié)會顧問謝瑜忠向《中國汽車報》記者表示，一是全球?qū)覍页霈F(xiàn)的三元鋰電池燃燒事故，使現(xiàn)有的三元鋰電池安全性存疑，而固態(tài)電池或能有效解決這一問題;二是車企更清楚自己主動做固態(tài)電池，可以積累技術(shù)研發(fā)力量與電池制造經(jīng)驗，有利于節(jié)約研發(fā)時間與采購成本，而不必等待和依賴電池企業(yè);三是車企如果掌握了較為成熟的技術(shù)和工藝，固態(tài)電池很有可能成為車企新的盈利增長點，正如手機企業(yè)跨界造車一樣，都是在轉(zhuǎn)型中尋找新的利潤增長點。

眼下，隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，車企對于動力電池的要求越來越高，無論是安全性、續(xù)駛里程、能量密度等方面，鋰電池已經(jīng)不太適應(yīng)電動化時代的要求。而且，電芯企業(yè)壓力更大。“作為‘三電’重要的組成部分之一，固態(tài)電池將催生電動汽車產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)革命性變化。”其魯認為，由于固態(tài)電池特有的性能，將來如果形成產(chǎn)品，可以很容易使純電動汽車續(xù)駛里程突破1000公里。

此外，電動汽車的“三電”也要實現(xiàn)智能化、域控制化，要與整車的軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)實現(xiàn)高度融合，只有車企有更好的基礎(chǔ)和條件來實現(xiàn)這一融合。所以，車企主動擁抱固態(tài)電池，內(nèi)在的邏輯并不難理解。

理論上看，一旦固態(tài)電池技術(shù)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，成本有望迅速降低。華東新材料技術(shù)研究院研究員林澍文向《中國汽車報》記者談到，目前越來越多的車企自研或與研究機構(gòu)合作開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)，表明車企不僅希望把智能化、電動化、數(shù)字化更好地結(jié)合起來，而且在商業(yè)模式上有所探索、有所創(chuàng)新，從而加速推動固態(tài)電池商業(yè)化的落地。與電池企業(yè)只賣產(chǎn)品不同，車企還會更多地考慮固態(tài)電池在售后服務(wù)體系中的定位。

研究機構(gòu)預(yù)測，2028至2035年，采用固態(tài)電池的電動汽車將增長37倍，而固態(tài)電池的成本將下降至每千瓦時40美元(約合人民幣258元)，甚至低于液態(tài)電池。技術(shù)突破與成本下降即意味著為固態(tài)電池商業(yè)化掃清了障礙。業(yè)界認為，眾多車企主動出擊，無非是想在固態(tài)電池領(lǐng)域搶占先機，推動固態(tài)電池早日實現(xiàn)商業(yè)化。

技術(shù)瓶頸多 量產(chǎn)還需5～10年

數(shù)據(jù)顯示，在電動汽車自燃事故中，充電過程中自燃的占29%，靜置和行駛中自燃的占39%，而涉水、碰撞、擠壓等因素造成自燃的占比不到20%。“近年來的電動汽車電池自燃事故，大多與三元鋰電池有關(guān)。這與其自身燃點低的特性相關(guān)，除非有革命性的技術(shù)突破，目前這類事故無法完全避免。而伴隨著三元鋰電池能量密度的提高，安全問題愈發(fā)凸顯。”中國電池工業(yè)協(xié)會專職副理事長王敬忠向記者表示，固態(tài)電池技術(shù)或許是電動汽車兩全其美的“最佳搭檔”。

其實，從安全性、能量密度等方面來看，固態(tài)電池已經(jīng)成為業(yè)界公認的發(fā)展方向。但是，除了成本較高之外，固態(tài)電池走向商業(yè)化的核心技術(shù)難點在于技術(shù)難關(guān)。“當(dāng)前，固態(tài)電池可根據(jù)電解質(zhì)的不同細分為四大技術(shù)路線，即聚合物、薄膜、硫化物和氧化物。”其魯介紹，其中，日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，中國企業(yè)多以氧化物路線為主，歐美企業(yè)發(fā)展則較為均衡，如寶馬福特押注的Solid Power，主要研發(fā)基于硫化物的全固體電池，Quantum Scape固態(tài)電池走的是氧化物路線。不過，無論采用哪種電解質(zhì)材料，想要實現(xiàn)量產(chǎn)，都存在巨大的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)在于核心技術(shù)尚未突破。“薄膜固態(tài)電池和氧化物固態(tài)電池難以開發(fā)大容量動力電池或儲能電池;聚合物固態(tài)電池受限于現(xiàn)有PEO(聚氧化乙烯)材料體系，無法在室溫下工作且難以兼容高電壓正極;硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)不成熟等問題。”在林澍文看來，受當(dāng)前技術(shù)水平的限制，距離真正的全固態(tài)電池規(guī)?；慨a(chǎn)預(yù)計還需要5至10年時間。而目前，從液態(tài)到全固態(tài)，中間還有一個固液混合的半固態(tài)電池過渡階段。

據(jù)介紹，走聚合物路線的主要有以寧德時代、Solid Power等為代表的企業(yè)。目前雖然技術(shù)趨于成熟，但技術(shù)瓶頸是性能上限較低，高溫條件下才具備高離子電導(dǎo)率，室溫條件下離子電導(dǎo)率極低。這些條件限制了聚合物固態(tài)電池的能量密度上限很難超過300瓦時/千克。

QuantumScape、TDK等企業(yè)走的是無機氧化物電解質(zhì)路線，無機氧化物電解質(zhì)對比上述聚合物電解質(zhì)，在室溫下?lián)碛懈叩碾x子電導(dǎo)率，但界面阻抗也更高。其一，薄膜型固態(tài)電池的優(yōu)點突出，但量產(chǎn)需要串聯(lián)大量薄膜電池來實現(xiàn)，這會使得固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝難度增加，造價直線飆升;其二，對比之下，非薄膜型固態(tài)電池的實用性能要高得多，輝能科技、清陶能源也選擇了這條路線。

寧德時代、三星、松下等電池企業(yè)選擇的是無機硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池路線，這是開發(fā)難度最大、性能潛力也最大的一條路線。開發(fā)難度大主要由于該電解質(zhì)材料還處于研發(fā)的早期階段，電池產(chǎn)品對環(huán)境十分敏感，也存在安全問題。其內(nèi)部的硫化物電解質(zhì)對空氣敏感，容易氧化，遇水易產(chǎn)生硫化氫等有害氣體。

此外，目前高昂的成本也是制約全固態(tài)電池商業(yè)化的一大障礙。“未來隨著固態(tài)電池技術(shù)的突破，以及產(chǎn)量的擴大，固態(tài)電池的成本也將大幅下降。”其魯表示，2010年，鋰離子電池每千瓦時的成本超過了1000美元，但如今已經(jīng)下降近10倍。從目前的情況看，固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)，成本的下降是必然趨勢。

2030年市場規(guī)模或超3000億元

技術(shù)革新從來都不會一蹴而就。“固態(tài)電池全面商業(yè)化，將給行業(yè)帶來一系列影響和變革，也將對現(xiàn)有的動力電池材料、生產(chǎn)工藝等方面形成不小的沖擊。”其魯表示，全固態(tài)電池的正負極及活性材料可以在很大程度上保持原有材料體系，但電解液和隔膜將被完全取代。

目前，固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)進入“軍備競賽”階段，相關(guān)企業(yè)都希望搶占先機，以贏得市場份額。車企、電池企業(yè)、投資機構(gòu)、科研機構(gòu)等在資本、技術(shù)、人才等方面進行博弈。“隨著越來越多的企業(yè)涌入，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進程不斷提速，商業(yè)化落地也會加快，按照目前的發(fā)展情況，2021年至2025年固態(tài)電池將有望實現(xiàn)初步應(yīng)用。”謝瑜忠認為，全固態(tài)電池的商業(yè)化還需要很長時間，從目前技術(shù)進步速度來看，可能要到2030年以后，半固態(tài)電池將是必要的過渡。

而半固態(tài)電池方面，國內(nèi)的衛(wèi)藍新能源已經(jīng)于去年實現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)，并實現(xiàn)了批量銷售。蜂巢能源在半固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)方面已有突破，率先推出了首款基于無鈷材料體系的“不起火、自愈合”的新電芯“果凍電池”。衛(wèi)藍新能源之所以能盡快實現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)，是因為大規(guī)模地沿用了現(xiàn)有的液態(tài)電池的裝備和工藝，其80%～90%的工藝和設(shè)備都是沿用原有液態(tài)電池的，只有10%～20%的工藝和設(shè)備進行了改造，這部分中，包括了固態(tài)電解質(zhì)膜的引入、負極一體化的新工藝等，而寧德時代也采取這樣的方式生產(chǎn)半固態(tài)電池。“3～5年內(nèi)能搭載到新能源汽車上的，都不是全固態(tài)電池。”寧德時代董事長曾毓群近日直言不諱地表示。

固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展為更多企業(yè)提供了機會。“技術(shù)變革、產(chǎn)業(yè)變革的背后是市場變革。”東方證券分析師覃筱鵬向《中國汽車報》記者表示，在液態(tài)鋰電池時代，市場份額主要集中在中日韓等少數(shù)動力電池巨頭手里，這些企業(yè)憑借著多年的積累，建立的技術(shù)壁壘十分堅固，后來者幾乎再沒有入局的機會。但是，固態(tài)電池新技術(shù)的突破，則為更多的企業(yè)提供了新賽道，如輝能科技、衛(wèi)藍新能源等科技企業(yè)將有機會與傳統(tǒng)電池巨頭站在同一起跑線上展開競爭，而車企也迎來了重新掌握電池技術(shù)主動權(quán)的機會。

車企中，如豐田、本田等車企已經(jīng)在直接進行固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)與布局。與此同時，福特、寶馬等車企也通過支持初創(chuàng)科技企業(yè)，共同開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。還有一些傳統(tǒng)電池企業(yè)則是“兩手抓”，一手布局固態(tài)電池，一手繼續(xù)挖掘液態(tài)電池的技術(shù)改進空間。比亞迪的刀片電池使用磷酸鐵鋰材料，空間節(jié)省近一半，已經(jīng)開始大量裝車使用;蜂巢能源推出了疊片電池等。在電池正負極材料改良方面，則出現(xiàn)了為提高安全性、降低成本的摻硅補鋰、超高鎳電池等新技術(shù)。

在市場需求方面，據(jù)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，到2030年，全球固態(tài)電池需求有望達到500吉瓦時，將形成3000億元以上的市場規(guī)模。“由此可見，固態(tài)電池不只是一場技術(shù)上的創(chuàng)新與突破，也將成為整個動力電池行業(yè)變革的新引擎。”王敬忠表示，不管是汽車企業(yè)，還是傳統(tǒng)電池企業(yè)，以及新創(chuàng)科技企業(yè)，誰能在固態(tài)電池新技術(shù)競爭中率先突破技術(shù)瓶頸，誰就能在這場爭奪戰(zhàn)中獲得主動權(quán)，贏得未來發(fā)展的巨大空間。