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蔚来固态电池迷雾:续航超1000公里 大招还是科幻?

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每经记者 朱成祥    每经编辑 张海妮    

“目前使用NCM811正极材料的固态电池,质量能量密度(其实)是下降的,除非使用更高克容(克容量,正极材料的一个标准)的正极材料。”曾参与固态电池汽车研发的业内人士萧瀚(化名)向《每日经济新闻》记者说道。

近日,蔚来汽车表示,将于2022年第四季度推出使用150度的固态电池汽车,实现360Wh/kg超高能量密度,续航里程超过1000公里。

萧瀚认为,半固态电池(或称之为混合固态电池,业内各自存在不同表述)存在三大量产挑战:一是能量密度低;二是成本高;三是工艺难度高。如果说蔚来150度电池包2022年量产,那么现在就应该有比较可靠的电池demo(小样)出来,且可以装车使用。再经过一个冬天的测试,使得电芯在2021年底具备准量产状态。之后,汽车厂商再拿电池包做一个冬试、一个夏试,才能在2022年四季度装车。

在他看来,目前没有国内厂家能够拿出360Wh/kg能量密度的方案。因此,2024年、2025年才是半固态电池较为稳妥的量产时间点。

IC photo

固态电池供应商猜想

蔚来推出150度电池包后,谁是其半固态电池产品的供应商成了各界关注的焦点。宁德时代、清陶能源、台湾辉能、北京卫蓝等公司纷纷被列入可能的供应商名单。

从技术路线看,宁德时代走的是硫化物电解质路线,研发全固态电池。根据前瞻产业研究院报告,目前宁德时代全固态电池还在开发中,预计2030年后产品才能实现商品化。

而清陶能源、台湾辉能、北京卫蓝走的均是氧化物电解质路线。能量密度方面,根据天风证券研报,清陶能源、台湾辉能的固态电池能量密度分别为400Wh/kg、182Wh/kg,宁德时代的硫化物电池理论可达400Wh/kg。

从能量密度上看,台湾辉能182Wh/kg与蔚来150度电池包的360Wh/kg相去甚远,且天风证券预计台湾辉能2025年能达到的能量密度也仅为335Wh/kg。但事实上,台湾辉能此前一度被认为是最有可能的供应商,2019年8月22日,蔚来就曾与台湾辉能签约,双方以打造采用辉能MAB固态电池包的样车为短期目标。

目前,动力电池提升能量密度主要有两条技术路线:一是提高单体电芯能量密度,比如正极材料从磷酸铁锂到三元,三元电池正极材料从NCM523、NCM622到NCM811的技术演进;二是提升整包能量密度,比如宁德时代CTP、比亚迪刀片电池等。

台湾辉能MAB固态电池包与宁德时代CTP、比亚迪刀片电池类似,并非提升单体电芯能量密度,而是为了提升整包能量密度。

另一家可能的供应商是北京卫蓝。该公司一位工作人员向记者提供了一份2019年9月的《公司现状与产品介绍》报告。报告显示,北京卫蓝三大产品的单体能量密度分别251.7Wh/kg、257.3Wh/kg和259.1Wh/kg。

若参照该标准,北京卫蓝的产品难以达到360Wh/kg的标准,无法向蔚来提供150度电池包产品。不过,上述工作人员也向记者表示:“现在量产的能量密度会比这个(2019年)要高。”而对于公司是否向蔚来供货,该工作人员则表示并不清楚。

启信宝数据显示,天齐锂业通过其全资子公司成都天齐锂业有限公司间接持股北京卫蓝,持股比例为5%。

清陶能源总经理李峥曾在2020年10月的演讲中表示:“在2020年这个节点上,实际上我们已经装车的能量密度大概在300Wh/kg左右,明年我们和一些主机厂有装车计划的产品目标放在了350Wh/kg,现在已经开始做A样的阶段。”

在能量密度上,清陶能源与蔚来150度电池包的360Wh/kg较为接近。但据上述北京卫蓝报告显示,电芯开发从A样、B样、C样再到SOP(小批量生产阶段),一般至少需要3年,整车验证一般需要至少15个月。假设2019年A样测试完成,最快2022年能实现量产,2023年实现装车。

照此计算,假设清陶能源2020年完成A样,那最快2024年实现装车。从时间维度看,清陶能源也难以达到蔚来2022年四季度装车的目标。

据悉,2018年11月,清陶能源国内首条固态锂电池产线正式投产,产能规模为0.1GWh,总投资1亿元,已经量产出第一批固态电池产品,目前可日产1万颗电芯,产品主要应用于特种电源、高端数码等领域。

1月13日,《每日经济新闻》记者就清陶能源是否为蔚来固态电池供应商等问题致电公司,不过公司工作人员表示不接受采访。

1月14日,记者赶赴江苏苏州昆山经济技术开发区,只见公司大门处摆放着一块小黑板,列举了招聘普工、实验员等岗位的要求。其中普工要求初中及以上学历;实验员、品检员要求中专以上学历。

记者以面试普工的身份进入清陶能源。据观察,现场共有两栋楼,西侧一栋已经投入使用,东侧一栋仍在施工过程中。工作人员介绍称:“整个集团有四五百人,昆山这边有两百多人,包括研发人员和工人。目前研发、生产都集中在这栋楼二楼。”

对于哪家汽车厂商使用了清陶能源的电池产品,该工作人员表示这属于保密信息。据了解,清陶能源曾于2020年6月与合众汽车(品牌为哪吒汽车)达成合作,双方将共同推进固态电池的研发与应用。

二楼办公区域坐满了人,记者随后来到的区域却空荡荡的。

后据另一位工作人员透露,生产区域在二楼的围墙后面,工人们都在围墙后面生产。对于生产区域面积,该工作人员并未详细告知。最后,记者在与面试人员简单交流后,借机离开。

另外,也有上市公司间接投资了清陶能源,如上汽集团。启信宝数据显示,嘉兴颀骏一号股权投资合伙企业(有限合伙)持有清陶能源3.20%的股权。该公司背后正是上汽集团。

半固态电池是过渡品

新能源汽车发展多年,安全和续航里程一直是压在头上的“两座大山”。

固态电池,则被视为提升能量密度、提升电池安全性的最佳选择。半固态电池,便是液态锂电池与固态电池之间的过渡性产品。

对于蔚来汽车发布续航超过1000公里的固态电池,国联汽车动力电池研究院董事长熊柏青表示:“全固态电池距商业化还很远,现在甚至做个演示都还很困难。十年内完全攻克全固态难度挺大,反正至少这5年没戏了。”

事实上,蔚来此次推出的并非全固态电池,而是添加固态电解质的混合固态电池。蔚来董事长、创始人李斌也强调目前采用的并非全固态,还是带有液体,全固态电池的量产还是很远的事情。

目前新能源车广泛使用的动力锂电池,是由正极材料、负极材料、电解液和隔膜四大部分组成。全固态电池,则使用固态电解质,去除了电解液和隔膜。兴业证券研报显示,隔膜只能耐140~160度温度,容易发生热失控,电解液是聚合物液体,是易燃高分子。因此,(全)固态电池能够提升电池的安全性。而缺点在于离子电导率低,导致内阻大,循环性能、倍率性能差。

半固态电池则是在保留电解液、隔膜的基础上,添加固态电解质,理论上可以提升电池的热稳定性和安全性。与液态电池相比,半固态电池的电解液用量逐步减少,并根据不同体系,有的用基膜,有的不用。

对于半固态电池的安全性,萧瀚也表示认可。其表示曾做过demo(小样)样车,也多次前往合作的固态电池厂家,现场目击过针刺测试与高温加热测试,(半固态电池)的安全性是OK的。

针刺测试,是对动力电池安全性最严苛的测试方式,用直径5~8mm的钢针将电池刺穿造成内部短路,并让钢针在电池内停留一个小时,不起火、不爆炸才算合格。目前,磷酸铁锂电池可以通过针刺测试。

安全和能量密度取舍

半固态电池可以通过针刺测试,显然安全性是可靠的。但是能量密度上,若使用现有的材料(NCM正极、石墨负极),反而会降低能量密度。

理论上,行业内普遍认为液态电池的天花板在350Wh/Kg左右,固态电池由于去除了电解液、隔膜,可以做到更高,预期能做到500Wh/Kg。

但是萧瀚却表示:“(半固态电池)由于使用固态电解质,相对液态电解质能量密度肯定是下降的。比如说同样用NCM622、NCM811的电池,(半固态电池)能量密度肯定要比240Wh/Kg、260Wh/Kg的体系要下降一个等级。可能半固态电池NCM811的能量密度只能等同于液态电池NCM523的能量密度。”

萧瀚同时也强调,能量密度下降是基于当下使用的材料。“半固态电池具备300Wh/Kg以上能量密度的能力,但是需要使用更高容量的正极材料。目前的正极材料,是配合液态电解液使用的,也需要考虑到电池的安全性,但不利于固态电解质的发挥。固态电池解决了安全问题,因此可以使用超过300Wh/kg的电池体系(的材料)。”

“具备这样的能力,也不代表马上就能实现,因为有很多技术需要攻克。”萧瀚补充道。

无独有偶,北京卫蓝总经理俞会根也曾在2018年6月的演讲中表示:“单纯地把电解液替换成电解质,固态电池的能量密度一定是降低的。液态电池如果做到300Wh/kg、297Wh/kg,用LLZO是186Wh/kg,用LAGP是216Wh/kg,最高的是用聚合物,可以做到301Wh/kg。”

而LLZO、LAGP均为氧化物固态电解质。国内主流固态电池厂家中,宁德时代走的是硫化物固态电解质路线,而清陶能源、北京卫蓝以及台湾辉能走的是氧化物固态电解质路线。

因此,对于提升固态电池能量密度,俞会根认为:“负极一定要改,而正极材料如果还用现在的材料,(配合)固态电解质是没有优势的,所以要往高电压走,这是固态电池大概的方向。”

值得注意的是,对于现有材料体系下,半固态电池能量密度下降问题,业界似乎不愿提及。《每日经济新闻》记者就该问题向锂电行业人士多方求证,均未得到明确回复。

提升能量密度是方向

根据蔚来公布的信息,其半固态电池主要使用了原位固化、高性能硅碳负极和纳米级包覆以及超高镍正极等多项核心技术。

兴业证券认为,蔚来150度电池包差异化核心创新点在于固液电解质技术(原位固化)。蔚来对于该项技术的解释是:“在电解质和正负极材料之间建立了安全稳固的界面,为提升50%能量密度提供安全保障。”

由此可见,原位固化技术主要是提升电池安全性。因此,兴业证券认为该电池包提升能量密度主要依靠高镍正极、硅碳负极和预锂化。

不过,这三项技术并非创新型技术,并且也可以使用在液态电池中,并非半固态电池、固态电池独有。

光大证券在2020年4月的研报中就表示:“超高镍三元材料+硅碳负极将成为锂电池未来发展主流方向。”其中,超高镍三元材料主要有NCM811、NCM(83:8:9)、NCM(92:3:5))、NCA(87:9.5:3.5)以及NCA(91:4:5)。

正极材料方面,超高镍三元材料是主流液态电池厂商的研究方向。负极材料方面,1月13日,智己汽车在发布会上宣布,新车搭载上汽与宁德时代共同开发的电池,首次采用“掺硅补锂电芯”技术,单体能量密度达300Wh/kg。所谓的“掺硅补锂电芯”,便是使用硅碳负极以及预锂化。另外,国轩高科也在1月8日的科技大会上推出单体能量密度达到210Wh/kg的磷酸铁锂电池,该电池同样使用了硅碳负极、预锂化技术。

简而言之,除了原位固化技术,其余三项技术都是液态电池厂商正在研究与推广的技术。

记者手记:固态电池发展需行稳致远

寒冷的天气会影响到锂离子的活性,从而导致电动汽车续航里程下降。平时标注600公里的续航,冬天实际跑下来需要打六折。如何提升续航里程,成为新能源车、锂电行业的关注点。

蔚来的“一声惊雷”,掀起了新能源汽车续航里程新一轮的“军备竞赛”。1000公里续航,成了一个标志性的符号。

谁是蔚来的固态电池供应商,成了外界关注的焦点。目前来看,宁德时代、清陶能源、台湾辉能、北京卫蓝最有可能。但记者通过采访及查阅资料发现,宁德时代走的是硫化物电解质路线,研发全固态电池,与蔚来半固态电池并不吻合。而台湾辉能、北京卫蓝在能量密度上与360Wh/kg有所差距;清陶能源目前才推出A样,时间点或赶不上。

蔚来的这声“惊雷”,令更多的人关注到固态电池行业的发展。但固态电池的发展,仍有很多技术关口需要攻克;很多高克容(正极材料的一个标准)的材料需要研究;很多工艺、设备需要研发。因此,希望蔚来150度电池包能促进固态电池行业的发展。

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