“一夜爆红”的固态电池,究竟是什么?

作者: 于旭东
液态锂电池容易自燃、体积能量密度低,固态电池有望解决这些缺点,而且成本低。不过,它还要克服快充性能低、使用寿命短的难题。

在1月9日于成都举行的NIO Day2020上,蔚来宣布正式推出150kWh电池包,使用固态电池。

搭载该电池包的蔚来ES8续航里程将达到730公里,最高续航里程达到910公里,媒体报道这是首款搭载于量产车的固态电池。

什么是固态电池?蔚来的“固态电池”采用了哪种技术路径?固态电池能给行业带来怎样的影响?尽在下文。

为什么蔚来转向固态电池?

我国新能源车制造商主要采用液态电池。然而,未来五年,依靠现有的三元电池,能量密难以实现高于350Wh/kg的目标,即无法达到国家要求

另外,磷酸铁锂转向高镍三元过程中,许多车企出现电池自燃事故,引发消费者安全担忧。

什么是固态电池?

固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质

固态电池则是使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜

而传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。

固态电池有什么优点

对比液态锂电池,固态电池具备以下优点

1)固态电池将液态电解质替换为固态电解质,大大降低热失控风险

2)固态电池电化学窗口可达5V以上,高于液态锂电池(4.2V),允许匹配高能正极和金属锂负极,大幅提升理论能量密度

3)固态电池可简化封装、冷却系统,在有限空间进一步缩减电池重量,体积能量密度较液态锂电池(石墨负极)提升70%以上,达到500Wh/kg

此外,固态电池在经济性上也具优势。

目前固体电池仍处于相当实验室-中试阶段,其成本相较于液态电池仍不具备可比性。但伴随后续规模化生产以及工艺改进(辉能双极电池包架构),其成本有望迅速降低,根据辉能公布的数据显示在电芯产能达到 20GWh的时候,虽然电芯成本依然是相同能量密度的液态电芯的1.1 倍,但电池包成本只有98%;而如果采用MAB,电池包成本仅有同类别液态电池的7成

固态电池有什么劣势

当然,固态电池现阶段也面临许多技术障碍,包括:

1)大部分固态电解质电导率比电解液小10倍以上,快充性能并不佳

2)循环过程中物理接触变差,影响使用寿命

3)制备工艺复杂

综合而言,由于对更高能量密度、更高安全性的追求,目前各国都在加紧固态电池研发,以期抢占技术高点。即使实现全固态电池产业化尚需时间,但过程中的技术创新已经能被持续应用,提升产品力。

固态电池的技术路径

从电介质材料来看,目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有聚合物、硫化物和氧化物三种,氧化物固态电池是综合前景最好的

天风证券在今年8月的一份报告中表示,氧化物电解质的优势是稳定性好,循环寿命长(可达1000次以上),能量密度较高,倍率性能较好,同时成本较低;主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决

相比之下,硫化物电解质工业化较难,与电极接触时的界面阻抗普遍较高;聚合物电池在移动电源市场上已经做到了量产,但是充电倍率较差,能量密度较低。

市场格局

各国政府近年陆续出台政策扶持新能源汽车行业,多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划:2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变,2030年研发出商业化全固态电池

中国方面,部分企业已进入固态锂离子电池(半固态电池)中试阶段,2025年前或可实现量产,如宁德时代、辉能科技等

日韩方面,丰田计划2022年实现搭载固态电池的电动车量产。目前全球范围内,日本企业的固态电池技术较为领先,许多日韩企业选择抱团研发。

欧洲则谋求在固态电池领域翻盘,欧美各大车企纷纷投资固态电池初创企业。例如美国高校衍生的初创企业Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。

很明显,固态电池领域已经进入“军备竞赛”阶段,市场参与者众多,车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。

多数机构预期,按照目前发展情况,2025年固态电池将实现商业化量产。从演进角度,固态电池技术发展预计采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,全固态电池是最终形态

天风证券指出,粗略来看,欧洲固态电池主要是聚合物体系,美国是固液混合,在亚洲中日韩主要是氧化物。

法国的Bollore是聚合物固态电池。横向比较来看,其循环性较好,但是能力密度较低,而且科研开支逐年递减。

日本的丰田汽车则是采用硫化物路线,上游就涉及到金属和化学工业厂商。

此次日经的报道称,三井金属(Mitsui Kinzoku)将在埼玉县建设一座试验厂房,为这种电池生产固态电解质;日本石油公司出光兴产(Idemitsu Kosan)也同样在它位于千叶市的生产基地部署固态电解质生产设备。

国内方面,赣锋锂业、清陶能源走的是氧化物路线,宁德时代是硫化物路线。

其中,清陶能源的固态电池能量密度可达400Wh/kg以上,赣锋锂业固态电池的能量密度在240Wh/kg,宁德时代理论可达400Wh/kg。

蔚来150kWh电池是真正的固态电池吗?

本部分对发布会提到的固态电池三大核心技术,众多的专业词汇,进行深度的拆分和解读。

1、纳米级包覆超高镍正极

我们需要把这个词拆开来看,“超高镍”指的是正极材料,提高镍的含量,能提高正极材料的克容量,从而提高单体能量密度,这是行业主流路线,“超高”汽车人参考认为至少是三元811,甚至是9系。

需要指出的是,蔚来在100kWh电池包采用的是较安全的镍55(Ni55)高电压单晶材料,结构配合CTP。而“超高镍”,蔚来汽车又选择了另外一条路。

“纳米级包覆”指的是工艺,超高镍带动结构不稳定,往往需要在材料表面包覆抗蚀层,防止释氧,但包覆太厚又会影响锂离子从正极材料的脱嵌,因此采用的是纳米级的包覆,即把包覆做薄

2、无机预锂化硅碳负极

也需要把这个词拆开来看,“硅碳负极”指的是负极材料,石墨负极有较高的稳定性,但石墨的能量密度比较低(理论克容量约372mAh/g);硅基材料具有很高的能量密度(理论克容量4200mAh/g),在负极加入硅后,能够让负极材料的理论克容量提升约10倍。

但加入硅后,需要解决两种材料在充放电过程中体积膨胀不同,硅的体积膨胀为320%,而碳仅为12%,膨胀不同,结构就会坍塌。

硅碳负极也是当前行业的主流路线,大多数电池企业的负极材料都早已经开始掺硅,并在逐渐提高硅的含量。

而宽度在10纳米左右、长度无限制的一维的硅纳米线是当前一种新的思路。

另外需要指出的是,负极采用硅碳体系,单体能量密度会有一个天花板,大概在300Wh/kg的水平,而要继续实现能量密度的突破,采用金属负极是其中一种可能,也就是锂金属电池,能量密度可以做到500-600Wh/kg的水平

显然,蔚来汽车目前也并没有采用这种路线。

“预锂化”指的是工艺,在电池化成时,额外寻找一个锂源,让负极形成的SEI膜不消耗正极脱嵌的锂离子(约有10%~35%的首次不可逆锂损失),最终提高电池的容量,常见的预锂化方式是在负极(金属Li粉和Li箔)或者正极补锂。

预锂化业界也开发了很多年,但是锂很活跃,需要解决安全和高成本的问题

而蔚来汽车“无机预锂化”,汽车人参考认为应该指的是将无机粉末添加到熔融锂中形成混合物的方式。

3、原位固化固液电解质

这个词比较绕口,核心在“固液电解质”,所谓原位固化,就是逐步把当前的液态电解质转换为固体,而不是一步到位全固态的方法

也就是蔚来汽车的固态电池,本质上是同时含有固态电解质和液态电解质的锂电池

按照2022年底量产计划,再结合国内相关企业研发进展,汽车人参考认为,蔚来半固态电池,具体应该是一端电极是全固态,另一端电极是液态,固态电解质接近或超过一半质量比/体积比

综上,蔚来汽车的“固态电池”,包括了正极高镍、负极硅碳、电解质半固态三个关键点,分别在材料和工艺两个层面进行了技术创新。

因此,蔚来的“固态电池”本质上没有颠覆性技术,更多的是,沿着行业公认主流技术路线的推进和落地,并不是真正意义上的固态电池。

“高镍”下电解质半固态或是当下最优之选

在蔚来的“半固态”电解液路径下,高镍正极便成为在现有技术上提高能量密度的突破口。

中金公司认为,高镍锂电是中长期推动无里程焦虑平价的重要路径

1、真实里程需求驱动高镍锂电中长期发展

目前,消除里程焦虑是建立在真实可用的里程之上,中长期600km以上的标称里程有进一步普及的需求(对应严酷工况下的可用里程约300-350km),而高镍锂电是驱动新能源车里程普遍提升至600km以上的重要技术路径

2、中长期有望实现装车成本接近铁锂,平价可期

成本端,不能僵化的只看单kWh成本,而需要从车企的角度看待装车成本。装车成本受两大因素影响:1)电池的单kWh成本,2)能量密度对整车能耗的影响。

通过系统能量密度的进一步提升,高镍锂电中长期有望从系统级成本上接近或低于铁锂

铁锂当前市场价格已低于700元/kWh,较三元低20%以上,在当前时点具备一定里程范围内的强竞争力。

中长期来看,中金预计:

高镍三元与铁锂的kWh价格差将缩小。预期至2025年,高镍三元与铁锂的单kWh价格可下降至650元/kWh与530元/kWh,价格差将由目前的近30%,缩小至20%左右。

成本能量密度的绝对值差距将进一步拉大。我们预期至2025年,乘用车领域高镍三元与铁锂的系统能量密度可达到220Wh/kg与160Wh/kg。其中高镍三元若使用CTP,则能量密度有进一步提升的空间,铁锂提升的空间则已较有限。

能量密度优势有望驱动高镍三元在中低里程装车成本上与铁锂相近,在长里程下实现成本更优。

当前时点,铁锂在中低里程上具备显著的成本优势,但体积能量密度限制其普及应用于500km以上车型中。

2025E,能量密度带来的能耗优势将驱动高镍三元在单kWh价格依旧高于铁锂的情景下,实现综合系统成本接近铁锂,并在长里程上低于铁锂。

并且,高镍路径通过减少材料用量,与核心金属用量,规模化下可推动三元进一步降本。高镍材料的使用可以带来四大材料各环节用量的进一步下降(原理方面来说,由于正极克容量的提升,使得正极涂布面积下降,对应使得极片面积、隔膜面积及电解液量下降),同时高镍材料钴含量较小,具备从正极本身进一步较NCM523降本的潜力。此外,由于高镍锂电中镍占比的快速提升,中长期硫酸镍的资源重要性将得到进一步的强化。

利好哪些环节和公司?

1、利好哪些环节?

①都在说利好高镍正极、碳硅负极环节,它们有效提升能量,但跟是不是半固态没关系,液态锂金属也可用。但也意味无论哪种路线它们都是不可避免趋势。对标高镍正极【当升科技】、硅碳负极【璞泰来】。

②锂的用量增加。固态电池负极将从石墨/硅负极过渡到预锂化负极、富锂复合负极、金属锂负极。对标【赣锋锂业、天齐锂业】。

③固态电池导电性能差,因此需要更好的导电剂,CNT使用比例将大幅提升。对标【天奈科技】。

2、布局固态电池的企业

国内台湾辉能、江苏清陶、北京卫蓝、赣锋锂业、宁德时代这四家离产业化比较接近。

  • 清陶相对最成熟,蔚来固态电池供应商市场猜测是它。
  • 天齐锂业持有卫蓝新能源5%股权;赣锋第一代2亿瓦时的固态电池中试线顺利投产。
  • 新宙邦是最具预期差公司。
  • 有消息人士透露,宁德时代或为蔚来固态电池供应商。针对“成为蔚来固态电池提供方”的消息,宁德时代回应称,宁德时代的高强度研发投入和技术储备,以及量产制造能力,能够支撑我们产品竞争力的持续领先。

固态电解质是固态电池的核心,按电解质材料选择,固态电池分氧化物、聚合物、硫化物三种路线。氧化物是现在相对成熟路线,而硫化物离子导电率最高,是后期最可能技术路线,难度当前还比较大。

本文综合自:天风证券、光大证券、中金公司、国信证券、兴业证券、汽车人参考等

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4 条评论
ξ航灬
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大号南孚电池?

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MobileUser9800
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蔚来应该出现在被告席,虚假宣传没人去告他吗

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刘大脑袋阿
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希望别是ppt

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Chris
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丰田先生说他们家的固态电池是最好的。

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