电动车 没有新革命

2022年01月16日 10:27 次阅读 稿源:虎嗅网 条评论

“我们会成为下一个宁德时代”。一位固态电池企业研发负责人在与虎嗅交流时,对公司研发出固态电池后的场景作出畅想。行业设想中的固态电池,可以破除液态电池车的里程焦虑、充电焦虑、安全性等多方面的桎梏。

“充放电上万次不衰竭,电池的寿命可以比人的寿命还长,充满电只要几秒钟,而且能量密度能到700Wh/kg”。固态电池,因远超液态锂电池的性能表现,被汽车、储能等行业视为下一次产业革命的核心。

大众汽车电芯中心负责人弗兰克·布洛梅将固态电池描述为锂离子等效电池的“终结者”,是可控核聚变实现之前,人类能源设备发展的终点。

从美国橡树岭国家实验室、中科院到丰田汽车、宁德时代、松下以及Solid Power等创业公司,整个新能源产业最聪明的一群人,都在攻克这件事。


锂电池“祖师爷”,诺奖得主古德纳夫

“第一个造出来的人,就是新能源产业的普罗米休斯”,前述人士说。他认为自己在做一件伟大且市场潜力巨大的事情。这件事情的影响力相当于,炼出长生不老药,然后用感冒药的价格卖给所有人。“这很酷,没有人会拒绝为这玩意儿买单”。

行业龙头争分夺秒,期望在下一次产业革命中拔得头筹。一些公司重新给出了固态电池装车的时间线,丰田认为是2030年,宁德时代给出的时间线在2025年左右,LG化学和QuantumScape的时间线在2024年。此外,宝马、福特等车企均表示将在2025年前后推出搭载固态电池的原型车。

饼很大,看起来很香,但不是所有人都吃得下。一位投资人给这个梦想破了一盆冷水,“我们不会投资只做全固态电池的公司,那是在赌博”。

“蔚来发布150度电池之后,我们的投资人隔三岔五就问我们进度,我们想告诉投资人他们是在吹牛,但是也说不出口,我们只有十几条测试线,电池充放电一次好几个小时,测试一千次就得一两个月,哪有这么快”,另一位固态电池公司内部人士对虎嗅表示,类似的测试电池充放电寿命的产线,宁德时代有上千条。

“在我们看来,他们的技术路线是有问题的,而且他们在实验室阶段就烧了好几次,他们内部现在也很焦虑”,这位人士透露了他了解到的为蔚来汽车提供150度电池的某企业的研发现状。

固态电池是L5级自动驾驶以外,汽车产业最大的一张饼。自动驾驶描述了一个将人类从出行的繁杂中解放出来的故事,固态电池的故事则改变了人类储存能量的方式。二者都属于“一劳永逸”的技术,但在实现难度上,比登月还高,至少人类已经成功登月,而固态电池还停留在实验室阶段。

处于固态电池研发最前沿的那批科学家,互相熟知,甚至有些是师兄弟,他们时常彼此传递进展。其中的一位对虎嗅表达了悲观的态度:“造不出来,或者说能造出来一个性能不太行的,汽车用不了”。

“固态电池装车是我们的毕生梦想”。

为什么造不出来?

整个固态电池的发展史,由多数的失败、妥协和少部分的坚持写就。

2017年,美国电动车公司Fisker发布了一项刚完成申请的固态锂电池专利:充电1分钟,续航800公里。这个技术指标在现在依然是骇人听闻的。

创始人Henrik Fisker在接受采访时信誓旦旦地表示,固态锂电池会在2023年量产,价格只有锂电池的三分之一。2018年,Henrik Fisker表示,公司攻克了固态电池难题,最终设计将在数月内公布。

但到了2021年,Henrik Fisker表示,已彻底放弃固态电池计划。

“这是一种这样的技术,当你觉得已经完成了90%,几乎达到目标时,然后你意识到剩下的10%比前面的90%困难得多。因此现在,我们完全放弃了固态电池,因为真的无法落地。”Henrik Fisker说,“我个人认为,不管是哪种形式的量产,固态电池都至少还需要7年。”

Fisker的“头铁”,导致了最终的失败。在固态电池赛道,更多的创业者,选择妥协。

做混合锂金属电池的公司SES创始人胡启朝向虎嗅描述了另一个探索下一代电池技术路线的故事。

胡启朝的导师在1996年至2012年都在做固态电池的研究工作。胡启朝自己的博士论文,也是全固态电池研究。在2012年创业以后,他发现全固态的金属电池仍存在诸多基础问题,比如正负极界面抗阻、锂离子导电率问题等。

这些问题让固态电池的充放电性能及寿命大打折扣。

“做科研的人说话不会太绝对,但全固态电池很难做出来,我们遇到的问题是基础性的化学问题,这类问题不是可以靠时间去解决的”,他说。

彼时,类似SES这样的创业公司都选择切换技术路线。原因很简单,投资方可以允许创业公司去挑战工艺难题,但基础科学层面的问题,投资方无法接受。基于资方建议及自身发展考虑,胡启朝最终选择放弃固态电池路线,去做混合锂金属电池。

“可能需要十个爱因斯坦这样的人物,而不是找十个成熟的科学家,才能解决这些基础化学层面的问题,现在元素周期表上的东西都试了一遍,解决基础问题等于在元素周期表上增加其他的元素”,前述人士对虎嗅表示,现有的化学体系无法突破固态电池的瓶颈。

在这样的前提下,除了部分拥有少数关键专利的创业公司,其他多数创业公司都将固态电池的研发作为第二方案。而最根本的基础化学问题研究,主要在科研机构和巨头公司中进行。

囿于基础化学瓶颈,固态电池研发机构在最基础的技术路线上都没有达成共识。

当前,固态电池的技术路线分为聚合物、硫化物及氧化物路线。其中,欧美企业侧重于氧化物和聚合物技术路线;中国企业侧重于氧化物技术路线;日韩偏重硫化物技术路线。

这三个技术路线都存在相应的技术难题。聚合物电解质需要加热到60℃才可以获得足够的导电率;氧化物电解质中锂离子的电导率比液态要低很多;硫化物电解质中的锂离子导电率跟液态相近但是易氧化产生有毒气体。

除了电解质难造外,固态电池的问题还包括循环性能差、固固界面的反应机理及机制问题,以及锂负极的可充性等等。

当前,在业内看来最有可能率先量产固态电池的企业是丰田汽车,丰田拥有全世界最多的固态电池专利,仅丰田一家的专利数量及质量就远超中国之和。

早在2017年12月,丰田就曾表示将在2020年初开始生产固态电池,但是在2019年,丰田研发部负责人寺重茂树表示,丰田只会在东京奥运会技术展中推出一款使用固态电池供电的电动汽车,且在2030年之前不会销售使用固态电池的车辆。


丰田此前展出的固态电池样品

他说:“我们将生产配备固态电池的汽车,并在2020年展示该产品,但批量生产固态电池的时间将稍晚一些。”

但到了2022年,丰田的全固态电池车也迟迟没有亮相。“丰田采用的技术路线是性能天花板最高的,但丰田也没有解决硫化物容易产生有害气体的问题”,前述人士对虎嗅表示。

除了丰田外,目前对外宣布固态电池研发进展的公司,也普遍遭受质疑。“比如QuantumScape声称自己通过陶瓷材料解决了锂枝晶问题,但从我们拿到的样品中,这个解法又出现了新的问题,陶瓷的导电性是很差的”。

而国内的赣锋锂业、辉能科技等公司,在此前也遇到固态电池的研发难题。其中,赣锋锂业在2020年业绩说明会上曾宣布其研发的第二代固态电池能量密度超350Wh/kg,循环寿命接近400次。

但事实上,400次的循环寿命连国标的一半都没达到,更不用提量产装车。而清陶能源、辉能科技等固态电池企业的产品,在循环寿命或充放电性能上都存在较大的难题无法突破。

“这些问题看似差之毫厘,实际上失之千里,现在市面上的公司都是报喜不报忧,比如那些不敢公开自己体积数据的电池,体积上常常都是有问题的,看起来重量能量密度很好看,但是能量和功率除以提及,性能就很难看了,拿充放电性能说事的,又回答不了能量密度的问题”,前述人士表示。

“电池量产装车是需要给出A、B、C三种样品的,这些样品需要一至两年的时间去验证可靠性才会装车,如果一个企业说自己2025年之前可以装车,那么目前肯定已经完成了实验室阶段的研发工作,但据我了解,现在多数电池企业在实验室中造出来的固态电池,性能还没达到样品的标准”。

“现在与之前最大的不同是,固态电池技术已经取得了进步,人们已经发现了阻碍其商业化的问题,这足以让我们感到乐观”,一位更加乐观的人士认为,至少业内已经知晓固态电池面临的困难,剩下的只要解决问题就行。

不过,这位人士并未告知虎嗅,解决问题需要多久。

造出来就用得起吗?

制造出全固态电池这个“长生不老药”只是第一步,汽车行业需要“长生不老药”变成白菜价。

“我本科的时候,我的老师就告诉我,汽车制造的研发是最难的,航天、半导体这样的领域看似技术壁垒高,但是他们可以不计成本去研发,汽车不行,成本和使用寿命至关重要”,一位固态电池研发工程师对虎嗅表示。

据该人士透露,目前部分头部公司的固态电池产品已可以在手机、无人机等领域应用,但在汽车领域应用仍面临诸多技术难题和工程问题。

首先是电池寿命。手机等3C产品对电池充放电寿命的要求约为600次,无人机则是200次,不考虑造价的情况下,现有的固态电池样品可在性能上满足使用要求。但在汽车领域,国标对动力电池的寿命要求是1000次以上。且仅达到国标的固态电池,是无法与充放电寿命超过3000次的锂电池竞争的。

这其中还面临如何将电池尺寸做大、集成的问题。“我们现在只能做出单片的样品,但是最终做成电池组和电池包会面临新的技术难点,就像搭积木一样,你有一块积木了,还需要继续考虑怎么把积木搭成房子”。

另一点就是制造的难题。通常情况下,现有的锂电池存在尺寸、材料的不同,但不同的电池产品生产线的共用率可以达到60%。全固态电池是一个新的体系,如何去设计一条自动化的固态电池生产线,是横亘在所有人面前的难题。

以固态电池等下一代所采用的锂金属材料为例,该材料对空气中的水分和氧化性分组极为敏感,反应产生的绝缘物体会直接影响成品的电化学性能。更严重的是,如果锂金属材料不慎与水接触,会发生剧烈的产热反应引发爆燃。


QuantumScape 的固态电池样品,薄如纸

这使得锂金属对运输、储存和加工过程的操作工艺、设备及环境要求非常严格。“意思就是,固态电池所需的材料需要在真空中制备,甚至在部分化学气体中才能制备,且对温度等条件的要求极高”。

而另一样可以提升固态电池稳定性的元素铂,则一直被业内认为是不适合大规模量产与应用的元素,因为成本过高。此外,富锂正极等材料,虽然已成为业内对技术路线的共识。但目前基本停留在,知道要用这个,不知道如何规模化的阶段。

宁德时代创始人曾毓群也曾在接受采访时表示,全固态电池所需的固态电解质中离子扩散速度仅为电解液的十分之一,若要提升能量密度只能将固态颗粒纳米化,这也是固态电池带来的工艺难题。

这位人士透露,搭建一条这样严苛的固态电池产线,是一个系统性工程,除了需要多制造环节进行优化设计,还需要设计新的制造设备。

对于丰田、宝马等制造业巨头而言,固态电池新生产线的研发或许可以如期实现 ,但对于缺乏从头开始制造关键零部件能力的初创企业而言,制造的关卡就是死穴。

这些因素,共同推高了固态电池的成本。

上世纪九十年代,美国橡树岭国家实验室造出全固态薄膜电池的电解质时,就有人测算过相关材料量产后的造价。“按目前一辆电动车的70度电算,足够装备一辆车的早期全固态薄膜电池造价超过4亿美元”,前述人士说。

即便制造工艺改进后,全固态薄膜电池的造价依旧超过三元锂电池数十倍。

“我们现在在实验室环境中做的一小片样品,就要好几万,最终的成品我们估算规模起来之后成本也在150-200万元”,前述固态电池研发人员对虎嗅表示。

而目前装备在主流消费市场电动车中的电池,最高成本也很少会超过 15 万。

目前,汽车行业普遍认为,在固态电池量产后,汽车用的动力电池将会出现分化。高售价的豪华车型采用造价极高的固态电池,中低端车型采用三元锂电池和磷酸铁锂电池。

但这样的设想也仍需固态电池实现降本,尽管这是一个刚性问题,只能通过烧钱解决。

“我们多久能达到大规模生产,只是投资多少的问题。”一位美股分析师曾表示,“以芯片制造为例,大多数限制,包括那些曾经被说成是技术上不可能的限制,都已经通过增加资金来克服。最近电动汽车市场的增长意味着,现在可以分配更多的资金将固态电池推向市场。”

但再造一个颠覆性行业,所需的资金并不等同于研发一个新产品。2021年,丰田就表示,将固态电池领域持续投入135亿美元资金,宝马、福特等车企都选择押注拥有少量专利的创业公司。而在国内,在液态电池领域处于领先地位的宁德时代、比亚迪等企业也在持续投入。

这个过程存在运气,没人知道电池领域的爱因斯坦会在哪里,唯一的办法是通过烧钱去提高成功的概率。“没人有十足的把握,也没人想放弃,就继续烧呗,固态电池的烧钱能力可不弱于航天”,一位投资人对虎嗅表示。

没有固态电池,电动车也能发展

电池能量密度的提升不同于集成电路容量的增长模式,储能电池的能量密度提升是台阶式的,当新的电池材料体系确定时,电池的理论能量密度就已经确定。因此,只有发明出新的材料体系,电池能量密度的飞跃才有可能实现。

上一次电池材料体系的更替,是锂电池出现并超越铅酸电池。也正因为锂电池应用,我们才得以告别“大哥大”,用上智能机。

但是,固态电池没戏,电动车就不发展了吗?当然不是。

目前,液态锂电池的能量密度仍以每年约10%的速度提升。

2021年初,宁德时代中国区乘用车解决方案部总裁项延火就曾表示,宁德时代计划通过对磷酸铁锂材料体系的设计与挖掘,将磷酸铁锂电池的能量密度提升至200Wh/kg-230Wh/kg。

此外,比亚迪也曾表示磷酸铁锂电池材料仍有提升空间,在单体能量密度上也会通过材料体系和工艺的优化继续提升。


工信部此前给出的动力电池性能提升指引

但从宁德时代的表态来看,磷酸铁锂电池未来能量密度的提升将更多从电芯结构入手。据项延火介绍,宁德时代目前正在开发第二代平台化的CTP电池系统,计划于2022年-2023年投放市场。

磷酸铁锂这条技术路线上,未来的终极解决方案或许是类似于宁德时代CTC(Cell To Pack,将电芯集成到电池包)技术的电芯结构。宁德时代预计于2025年在车辆上应用CTC技术。

简单来说,这样的思路还是非常粗暴,就是电池既然增长不多,那就想办法在保证安全的前提下说往车里塞尽可能多的电池。

磷酸铁锂前途未卜,改进三元锂电池材料成为另一条突围路径。当前,LG化学与宁德时代等厂商都在探索超高镍三元锂电池,四元电池及811电池就是这条技术路线的产物。通过提高三元锂电池中镍元素的比例,可以将电池能量密度进一步提升并降低原材料成本。

据一位接近宁德时代的人士测算,未来超高镍电池能量密度有望到达350Wh/kg。但在镍含量超过 90% 后,电池的热稳定性会迅速下降,同时容量保持率也开始下降。也就是安全性降低、更容易衰减。

当前,改善高镍三元电池安全性的主要方式是提升其结构稳定性。通过用镁、钛等元素掺杂和金属氧化物的包覆以稳定电池的层结构。但这个解决方案并不完美,掺杂和包覆用量多会很大程度降低材料的容量,过少就不能很好地稳定材料的结构,因此无法从根本上解决高镍三元材料的安全性问题。

在这样的情况下,一个既能保持电芯能量密度又可兼顾安全性的过渡性方案出现了--固混电池。通过将电池中的电解液换成固态电解质与电解液混合的状态,可大幅提升电池的安全性。

据前述人士介绍,当电解液占整体电解质的5%-10%时,动力电池的安全问题可基本解决。但如何提高固混电池的能量密度仍是个难题。“电解液的密度接近水的密度,但固态电解质的密度比电解液大很多,如果在相同体积的电池中加入固态电解质,电池的重量就会增加,同时意味着单位质量的能量密度降低”,他说。

但如果锂金属材料可以顺利应用,固混电池的能量密度问题就会迎刃而解。短期内,液态锂电池还未到达性能天花板。电动车技术只会在液体锂电池到达天花板且固态电池没办法商业化时,才会陷入停滞。

革命性技术的发展不会一蹴而就。在固态电池量产以前,我们还会看到特斯拉的4680电池,宁德时代与LG的超高镍电池。有人会将这样的改进技术视为液态电池“回光返照”。但在10年前,液态电池的进步也是超出想象的。固态电池的设想能否实现,仍需要时间去解答。

“我们相信固态电池会被放进车里,这也是我们一直坚持到今天的原因”。

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