全球公司学习笔记 | 动力电池升维之战:全球固态电池企业盘点

36氪出海 · 2021-03-03
一个不可置否的事实是,当下谁能率先突破技术瓶颈,谁就能抢占高性能电动车的制高点。

「全球公司学习笔记」是36氪出海推出的新栏目。我们希望从全球公司的经验中,寻找商业灵感和解药。这个系列将包含全球公司解读和热门行业盘点,欢迎持续关注。

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尽管固态电池的原型在1970年已现端倪,但由于高昂的成本及技术门槛,兼具安全性和高能量密度的车用固态电池仍像希腊神话中被恶龙看守的金羊毛,可望不可得。半个世纪以来,车企抱守着液态锂电,老调重弹。

进入20世纪,环保意识抬头推动技术前行,新能源汽车产业逐渐成为主流,占整车成本的30%至40%的车载动力电池开始受到大量关注,这颗新能源汽车的“心脏”成为兵家必争之地,使得国内外主流车企纷纷加紧研发与产业化布局的脚步。

年初,蔚来创始人李斌投下一颗名为“2022年将搭载固态电池”的石子,一夕间激起平静水面下的暗潮汹涌,虽然后被证实是“半固态电池”,但却将“固态电池”这个陌生的词带入了世人眼中。

放眼当下,传统液态锂电受当前技术体系所限,起火事故频发,能量密度正在迫近极限。固态电池成为了突破电池能量密度限制、使安全性更上一层楼的关键。蔚来一石激起千堆浪的背后,是市场对下一代车载动力电池技术的期待。一个不可置否的事实是,当下谁能率先突破技术瓶颈,谁就能抢占高性能电动车的制高点。

固态电池解决了传统液态锂电池的哪些问题?

液态锂电池核心难题:热稳定性不足、充电速度慢、能量密度低及锂枝晶引发的安全问题。

跟皮蛋中的松花状结晶类似,锂枝晶是锂电池充电过程中,锂离子还原形成的树枝状金属锂,实验证明电流过大会加剧锂枝晶的形成,也使得快充技术无法真正的应用在现有电动车上。

另一方面,锂枝晶生长到一定程度会刺穿隔膜,导致内部短路,引发起火。就算折断了也会沉积而产生“死锂”现象,影响电池容量。同时隔膜的 PP/PE 材质耐热性较差,在160~180度就会融化,导致正负极直接接触、短路等潜在的安全隐患。

Source: 钜大锂电、安吉新能源、兴业证券经济与金融研究院

除外,锂电池理论能量密度与正负极材料和电压大小相关,但因液态锂离子电池的材料和使用安全性所限,使电压不能超过 4.2V,又因性能好的锂制正负极容易与液态电解质发生反应,造成更多的不稳定因素,故目前在正负极上只能继续使用性能只有锂十分之一的石墨材料。

业内电池供应商推测,未来五年锂离子动力电池的单体能量密度有望提高至 300Wh/kg以上,但依靠现有的动力电池体系,难以实现 350Wh/kg 的国家要求。

什么是固态电池?

顾名思义,固态电池指的是采用固态电解质的锂离子电池。

Source: Charged

相较液态电解质,固态电解质具有不可燃、耐高温(氧化物固态电池极限温度 1800°C)、无腐蚀、不挥发的特性,并能较好的适配高电压电极材料(可达 5V 以上),有利于提升能量密度。固态电解质的绝缘性取代了隔膜的功能,也使得锂枝晶生长缓慢、难刺透,同时缩短了正负极间距,不仅降低了电池厚度,也能更简易和安全的制备成薄膜电池和柔性电池。

辉能固态电池安全性测试(Source: 辉能科技)

按照电解质材料的选择,固态电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种体系。聚合物容易加工,但在室温中的离子电导率,即传输电流的能力较低且稳定性差;氧化物离子电导率较高、环境稳定性好,但在材料接触面上的加工较为困难;硫化物导电的能力最好,但容易与空气中的水、氧气反应产生有毒气体,加大了制备工艺难度。

三种体系皆有企业布局,而氧化物电解质因综合成本较低、稳定性高等优势,成为目前多数企业选择的主要技术路径。

Source: Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes, Arumugam Manthiram

依据电解质分类,锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类。严格意义上来说,蔚来发布会上提及的固态电池只是相对初级的半固态电池。随着液态电解质含量降低,电池负极逐步替换成金属锂片,电池能量密度有望提升至 500Wh/kg,且工作温度范围扩大三倍以上。

Source: 《全固态锂电池技术的研究现状与展望》,许晓雄

固态电池海内外玩家盘点

根据统计,全球范围内约有50多家大型企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术;多个国家已经明确了固态电池发展目标和产业技术规划,且各有偏重。

多国角力,固态电池推升至战略层面

在电解质材料研发路线上,欧美企业偏好氧化物与聚合物体系,日韩企业在硫化物体系上投入较多,中国则是以氧化物体系为主。

在技术发展规划上,美国着重于电池正负极材料及电芯的优化,为降低成本将逐渐脱离对重要材料如钴的依赖,并回收电池材料再加利用;作为内燃机时代领头羊的德国将加大资金扶持;作为产业链前端技术掌握者的日本倾向发展多元化电池技术;中国则着力于固态电解质的研发,并已在2020年底出台的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中将“加快固态动力电池技术研发及产业化”上升至国家战略层面。

Source: 各国信息披露

海内外车厂布局

欧美科研机构及固态电池初创企业是主力

欧洲以德国为首加大了投资及研发力度。2019年初,欧洲最大的应用科学研究机构——德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所(Fraunhofer InstituteISC)和瑞士联邦材料测试和研究实验室(Empa)合作开展固态电池量产的战略性项目“IE48”。

美国车企则是通过收购、投资由高校衍生的初创企业以获得技术储备,如 Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape 都是产学研合作较为成功的案例。

Source: 公司网站

日韩企业抱团合作,横向联合研发为主轴

日本为较早开始进行固态电池的研发的国家,于2008年,丰田就与固态电池初创企业伊利卡(Ilika)展开了合作。三菱、日产、松下等大型企业则是在保有独立研发团队的基础上,组建共同研发中心,交流研究成果。与日本类似,韩国技术领先的三大电池企业——LG 化学、三星 SDI 和 SKI 也组成联盟,合作研发固态电池。

Source: 公司网站

中国固态电池参与者众多,高校及研究机构科技成果处于产业化初期

在固态电池研究方面,国内企业虽不及日本、欧美等国起步早,但市场参与者众多,同时国内车企及新造车巨头与电池企业密切合作,也推进了固态电池装车试验的进程。其中台湾辉能科技为研发起步较早的企业,天际、蔚来、爱驰都与辉能科技签订了战略合作协议,侧面说明辉能科技固态电池技术成熟度相对较高。

Source: 公司网站

一个有意思的观察是,各国在开展固态电池的研发方面出现了许多不同之处,展现出不同地区鲜明的民族性与全球化产业链分工的时代特征。举个例子,以技术输出为主的日本对前沿技术的预判及投入往往早于他国之前,其爱国主义及民族精神也推动了日本国内大企业间的横向交流,使得研究成果能得到更好的利用。

而欧美国家在高校科研商业化体系上较为成熟,市场化程度较高,比起国家出资,科技的发展更多由商业机构推动,也导致了投融资与收购的盛行。

固态电池行业全景图(Source: 各公司网站,光大证券研究所制图)

固态电池2020-2030年应用预测

固态电池至今未实现大规模商业化应用的根本原因,是成本仍高于液态锂电池。

巨量引擎统计,在2019年国内消费者购车价格需求中,25万以下的车型占比超过70%,虽25万左右的新能源车市场已逐步打开,但达到千万辆级别仍需要同级别的新能源汽车售价降低至18万元以下,若固态电池的价格持续居高不下,则在应用上将大幅增加汽车的成本,也就无法真正普及。

参考 Joscha Schnell 的文献中依据研究数据、专家访谈和供应商报价的计算结果,可得出固态电池SLIB(石墨负极)在成本上仍高出液态电池 LIB(石墨负极液态锂离子电池)约 34%,虽然固态电池 SLMB(锂负极)的理论总成本最低,但仍存在界面接触工艺、锂负极厚度(50μm)的技术难题,暂未投入大量生产。

液态及固态锂电池能量密度、生产成本对比(Source: Solid versus liquid—a bottom-up calculation model to analyze the manufacturing cost of future high-energy batteries, Joscha Schnell)

为降低成本,近两年如清陶、卫蓝新能源、辉能科技等企业纷纷投入固态电池生产线。根据 Quantumscape and Bernstein analysis 测算,以当前技术而言,在固态电池产能超过 20Gwh 时,其电池包成本将低于传统电池。以量产较早的台湾辉能科技为例,内部材料披露其有望在2024年达到量产超 20Gwh 的目标,实现固态电池成本上的大幅下降。

Source: 辉能科技

半世纪以来,无数科学家在屠龙之途上磕磕绊绊,虽固态电池至今仍未实现大规模商业化,但其作为“后锂电时代的必经之路”已是行业共识。随着全球加快固态电池的研发、各国政策支持与商业组织的投入,我们总结出了几个趋势:

  1. 在固态电池被列入多国战略规划后,2021年或将成为固态电池市场的培育期,相关产品的规划和研发投入将加剧;

  2. 2021-2025年,企业仍着力于提升电池能量密度(300-500Wh/kg)并逐渐向固态电池转变。少部分高端电动车上可能搭载固态电池;

  3. 2025-2030年及以后,随着量产及技术突破,固态电池能量密度达到 500Wh/kg,成本追上液态锂电池,迎来市场成熟期。

液态锂电池不会是动力电池的技术终点,向全固态锂电池过渡已是锂电池技术进步的重要趋势。过去,液态锂电池的市场份额始终牢牢握在中日韩等地的几家电池巨头手中,断绝了后来者的入局机会;而固态电池的技术革新打穿了巨头们牢固的技术及资源壁垒,国内外创业公司与大型车企竞相逐鹿,以求在新时代中掌握电池技术主动权。

传说中,拥有金羊毛的人将被视为真正的统治者。而在新能源行业,任何有能力开发出经济高效的固态电池厂家,都将统治电动汽车世界。

文 | 林宛妘

编 | 赵小纯

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