文｜能鏈研究院
一項(xiàng)技術(shù)，領(lǐng)先市場(chǎng)半步是先驅(qū)，但領(lǐng)先十步就可能是先烈。存在多種技術(shù)路線的鋰電池，同樣逃離不開這個(gè)規(guī)律。
7月5日，韓國(guó)調(diào)研機(jī)構(gòu)SNE Research發(fā)布了最新的全球動(dòng)力電池行業(yè)TOP10排名，2023年1-5月，寧德時(shí)代、比亞迪繼續(xù)占據(jù)前兩名，份額分別為26.3%、16.1%，同比增速在所有動(dòng)力電池供應(yīng)商中位居前列。韓國(guó)“三杰”的LG、三星和 SK On，只有LG能源保持了小幅增長(zhǎng)，三星縮水了0.7%的份額， SK On的地盤丟掉了2.1%。
日本松下是唯一一家上榜的日企，排名第四，占了8.9%的份額。但曾幾何時(shí)，松下則是全球鋰電池的頭號(hào)霸主，“統(tǒng)治”市場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)10年之久。
日企雖然在鋰電池、電動(dòng)汽車市場(chǎng)上，已經(jīng)被中國(guó)、歐美、韓國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在了后面，但在固態(tài)電池、鋰硫電池等下一代電池技術(shù)的角逐上，卻是“口氣”極大。近日全球車企老大豐田再一次“口出狂言”，宣布固態(tài)電池技術(shù)與商業(yè)化的最新進(jìn)展——2027年將向市場(chǎng)投放固態(tài)電池汽車，充電不到10分鐘，就可以行駛1200公里。
于是乎，有人擔(dān)心：豐田會(huì)不會(huì)靠著固態(tài)電池一役，抄了中國(guó)電動(dòng)汽車的后路嗎？
如果你足夠了解光伏、鋰電池技術(shù)路線的發(fā)展歷程，就不會(huì)無腦地為此憂心忡忡了。因?yàn)榧夹g(shù)上從0到1看似是光鮮、偉大，但實(shí)際上從1到100才是最難的。這也是為什么很多企業(yè)選擇領(lǐng)先半步，小步快跑，而不是一味追求技術(shù)的絕對(duì)先進(jìn)性。
固態(tài)電池路線之爭(zhēng)
固態(tài)電池是動(dòng)力電池的終極形態(tài)，是下一代動(dòng)力電池的主線。這一點(diǎn)，全球早已有共識(shí)。
當(dāng)下，全球電動(dòng)汽車駛?cè)肟燔嚨溃巳掌蟮呢S田、日產(chǎn)、本田仍然猶抱琵琶半遮面，中國(guó)車企all in電動(dòng)化，歐美大廠紛紛跟進(jìn)，“勢(shì)”能已經(jīng)顯現(xiàn)出來。但購(gòu)車用戶仍然存在著續(xù)航短、充電速度慢、安全性的顧慮。
固態(tài)電池就是一劑解藥，優(yōu)點(diǎn)多多，可完美化解續(xù)航、安全、溫度適應(yīng)性的難題。
全固態(tài)電池優(yōu)劣勢(shì)
首先是能量密度高，對(duì)應(yīng)的是續(xù)航能力這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。相比目前主流的磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元正極材料和液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電池直接將液態(tài)換做固態(tài)電解質(zhì)，甚至拿掉了中間的隔膜，讓能量密度大幅提升。能量密度的高低取決于正極、負(fù)極材料的比（克）容量及工作電壓范圍，4.3V已經(jīng)是液態(tài)鋰電池的電壓極限，而固態(tài)電池?fù)碛兄С?V以上的優(yōu)良電化學(xué)窗口，就可以選擇更高比容量的正負(fù)極材料。
更通俗的講，能量密度跟同等質(zhì)量下單次循環(huán)中嵌入、脫出鋰離子的數(shù)量直接相關(guān)，理想的模式是相同質(zhì)量下，單位時(shí)間內(nèi)“搬運(yùn)”的鋰離子越多越好，越安全越好，越快越好。
比如磷酸鐵鋰的正極，200Wh/kg是個(gè)天花板，一般也就180Wh/kg。鎳鈷錳的三元正極優(yōu)于磷酸鐵鋰，能量密度高低要看鎳含量的多寡，3系、4系的三元正極跟8系高鎳比就要差一截，后者能接近300Wh/kg，但300Wh/kg是液態(tài)鋰電池的極限。如果說液態(tài)鋰電池遷移鋰離子的數(shù)量為0.5，那么，固態(tài)電池的遷移數(shù)可直接拔高到１，能量密度可倍增，突破500Wh/kg。
其次是安全性，這一點(diǎn)最容易理解。液態(tài)的電解質(zhì)和有機(jī)溶劑易揮發(fā)、易燃燒，熱穩(wěn)定性較差，一旦發(fā)生泄露，起火、爆炸是難免的。而且液態(tài)鋰電池在充放電過程中會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶生長(zhǎng)，穿透隔膜，引發(fā)短路。相比，固態(tài)電池因?yàn)殡娊赓|(zhì)是固態(tài)的，熱穩(wěn)定性要好很多。
最后一點(diǎn)，固態(tài)電池的循環(huán)性能更強(qiáng)，穩(wěn)定性更優(yōu)，可以減緩電池失活和退化過程，減緩衰退，大幅提高鋰電池的循環(huán)性和壽命，理想況下可循環(huán)次數(shù)高達(dá)45000次。這一點(diǎn)至關(guān)重要，液態(tài)鋰電池的平均使用期限只有8-10年，但固態(tài)電池壽命延長(zhǎng)后，成本將會(huì)被大幅攤薄，電動(dòng)汽車相比油車、氫燃料電池車的競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)得到進(jìn)一步改善。
與磷酸鐵鋰、三元液態(tài)鋰電池從千軍萬馬中闖出來一樣，固態(tài)電池也有路線之分，從正極、負(fù)極材料到電解質(zhì)，選擇不同，也意味著走不同的路，對(duì)應(yīng)不同的性能、安全和成本。根據(jù)可商用的固體電解質(zhì)的不同，固態(tài)電池分為聚合物、氧化物和硫化物三大陣營(yíng)。
聚合物電解質(zhì)高溫時(shí)離子電導(dǎo)率高，接觸性好，界面阻抗可控，但缺陷是低溫時(shí)電導(dǎo)率較低，工作電壓高于4V，容易發(fā)生電解，故而正在被企業(yè)舍棄；硫化物的能量密度最高，性能最佳，但工藝復(fù)雜度最高，容易與空氣、水發(fā)生副反應(yīng)；全球來看，采取氧化物作為電解質(zhì)的企業(yè)數(shù)量最多，作為中間路線，電導(dǎo)率相對(duì)較高、電化學(xué)穩(wěn)定性好、循環(huán)性能良好，制備環(huán)境要求低，更容易大規(guī)模生產(chǎn)，不過因?yàn)榻缑孀杩垢?，倍率性能受到了影響?/p>
中國(guó)企業(yè)選擇氧化物電解質(zhì)路線的較多，清陶能源、衛(wèi)藍(lán)新能源、贛鋒鋰業(yè)等皆在此列。寧德時(shí)代選擇了技術(shù)難度最高、合成工藝最復(fù)雜的硫化物。這一分支中，除了松下、三星、LG化學(xué)、美國(guó)Solid Power外，日本豐田也在此。
除了性能，成本才是最大的天塹
選擇硫化物這一條路線的好處是，一旦形成突破，能很快形成技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)降維打擊，但行業(yè)內(nèi)普遍預(yù)測(cè)的大規(guī)模商用時(shí)間應(yīng)該在2028年-2030年。
此時(shí)，一家企業(yè)如果把實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)拿出來秀，大多數(shù)情況下僅僅是個(gè)噱頭。
圖片來源：豐田
必須得承認(rèn)，豐田在硫化物固態(tài)電池領(lǐng)域浸淫多年。20多年前，豐田就在固態(tài)電池領(lǐng)域開始沉淀專利。不僅是豐田，日本企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域很早就形成了專利包圍。截至到2022年3月，豐田固態(tài)電池專利數(shù)量1331件，全球排名第一，同樣是日企的松下控股、出光興產(chǎn)兩家分列第二、第三，三星、LG化學(xué)兩家韓國(guó)企業(yè)的固態(tài)電池專利數(shù)量也不少，排在前十。
但鋰電池的本質(zhì)是制造業(yè)，研發(fā)突破只能決定技術(shù)從0到1的躍遷，但最終能不能被市場(chǎng)所接受，并大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈配套能力、可供落地的龐大市場(chǎng)基礎(chǔ)才決定了從1到100的過程。通常，人們更看重前者，反而容易低估后者產(chǎn)業(yè)化的力量。
美國(guó)在動(dòng)力電池發(fā)展上的不如意，恰恰說明了產(chǎn)業(yè)支撐的價(jià)值。美國(guó)雖然是磷酸鐵鋰鋰電池的發(fā)明者，但真正將車載鋰電池商業(yè)化的卻是日本。
上世紀(jì)80年代，美國(guó)物理學(xué)家約翰·古德納夫跟著英國(guó)化學(xué)家斯坦利·惠廷漢姆的步子，在鋰金屬電池難以落地時(shí)，探索出了鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰三種正極材料，但彼時(shí)燃油車如日中天，電動(dòng)汽車的市場(chǎng)根本不存在。
10年后的1994年，松下成功研發(fā)出了可以循環(huán)充電的鋰電池，隨后，松下、三洋在內(nèi)的日企幾乎壟斷了全球消費(fèi)電子的鋰電池市場(chǎng)。因此，當(dāng)年特斯拉尋找鋰電池裝車時(shí)，雖然一致性、安全性、能量密度要求非消費(fèi)電子同日而語，但在對(duì)比了許多電池后，最終松下的18650圓柱鋰電池脫穎而出。一直到2014年，全球十大動(dòng)力電池供應(yīng)商排行中，第一名始終是松下。
豐田雖然在固態(tài)電池技術(shù)突破上高舉高打，但硫化物的技術(shù)路線決定了，除了性能外，成本、產(chǎn)業(yè)鏈配套、大市場(chǎng)才是肯綮之處。
同樣拿美國(guó)舉例，美國(guó)是輪子上的國(guó)家，幾年前的奧巴馬時(shí)代就喊著制造業(yè)回流，并將鋰電池作為核心產(chǎn)業(yè)。A123曾經(jīng)是美國(guó)鋰電池的旗手，2004年通過將磷酸鐵鋰正極材料制造成納米級(jí)超小顆粒，大大改善了倍率性能，站到了電動(dòng)汽車風(fēng)口之下。2009年，美國(guó)政府向A123撥款2.5億美元，但因?yàn)槊绹?guó)勞動(dòng)力成本高，產(chǎn)業(yè)鏈配套不足，每生產(chǎn)一塊電池都虧錢，最終退出了市場(chǎng)。
從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)線，存在著巨大的無法逾越的鴻溝。特別是鋰電池制造鏈條較長(zhǎng)，20多個(gè)工序，兩周以上的下線周期，需要精密控制不同工藝、材料、環(huán)境，操作精度從微米級(jí)升到納米級(jí)。何況，硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池對(duì)工藝要求更為苛刻。
不僅僅是工藝突破上存在不確定性，成本上的考量也相當(dāng)關(guān)鍵。全固態(tài)電池工藝相比液態(tài)電池變化較大，涉及新增設(shè)備、這就攤銷、產(chǎn)品質(zhì)量控制、工程驗(yàn)證周期長(zhǎng)等一系列因素。其中難度最大的硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池，合成工藝更復(fù)雜，這些都導(dǎo)致生產(chǎn)成本高企，商業(yè)化路上存在巨大的不確定性。
短期看半固態(tài)，長(zhǎng)期看鋰硫電池
全固態(tài)電池能不能裝車、上量，成本、經(jīng)濟(jì)性幾乎是唯一因素。如果固態(tài)電池能夠幫助主機(jī)廠降低成本，商用化也就水到渠成。
據(jù)中郵證券測(cè)算，固態(tài)電池較液態(tài)電池成本高出30%以上，預(yù)計(jì)半固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)后，成本也比當(dāng)前的液態(tài)鋰電池高10%-20%。但實(shí)際上，這一測(cè)算已經(jīng)相當(dāng)樂觀了。能鏈研究院認(rèn)為，全固態(tài)電池的降本還有很長(zhǎng)的路要走，從實(shí)驗(yàn)室、中試線到量產(chǎn)，面臨著界面問題、材料問題、工程問題等諸多挑戰(zhàn)。
技術(shù)路線之爭(zhēng)就像賽馬，往往是動(dòng)態(tài)變化的，誰能跑出來，誰就能占到一席之地。
所以，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)大都采取了兩條腿走路的策略，短期、長(zhǎng)期都在布局。2023-2024年國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)以半固態(tài)電池為主，逐步替代液態(tài)鋰電池，正負(fù)極材料延續(xù)磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料及石墨；2025年，富硅、富鋰的負(fù)極材料將得到應(yīng)用；2028年，全固態(tài)電池將進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)、裝車階段，負(fù)極將使用比（克）容量更高的鋰金屬，能量密度突破500Wh/kg。
如果說全固態(tài)電池是“鍋里的”，那么半固態(tài)電池已經(jīng)是“碗里的”。
對(duì)動(dòng)力電池供應(yīng)商來說，既要吃著碗里的，也要看著鍋里的，能量密度350Wh/kg左右的半固態(tài)電池已經(jīng)開始逐步落地。清陶能源披露，與上汽集團(tuán)合作研發(fā)的半固態(tài)電池，預(yù)計(jì)2025年大規(guī)模量產(chǎn)，續(xù)航里程1000公里+；衛(wèi)藍(lán)新能源進(jìn)展更快，已經(jīng)向蔚來汽車交付了首批半固態(tài)電池電芯，能量密度為360Wh/kg，是磷酸鐵鋰電池的2倍，單次充電跑1000公里。
除固態(tài)電池外，另外一條技術(shù)路線的鋰硫電池也得到了廣泛關(guān)注。
鋰硫電池的正極材料采用了硫碳復(fù)合物，負(fù)極則是更為活潑的金屬鋰，通過氧化還原反應(yīng)，完成鋰離子的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)充放電過程。鋰的比（克）容量高達(dá)3860mA·h/g，理論能量密度高達(dá)2600Wh/kg，是石墨的10倍，磷酸鐵鋰電池的18倍。
還有一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)，由于沒有鎳鈷錳等金屬，鋰硫電池的重量更輕，正極材料的硫也是廣泛存在，獲取方便，可以從硫磺里加工所得，去年我國(guó)硫磺產(chǎn)量900萬噸，這決定了鋰硫電池低成本的特點(diǎn)。
不過，就如固態(tài)電池存在材料、工藝難點(diǎn)及成本阻礙，鋰硫電池在充放電過程中，正極硫體積膨脹、收縮，同樣會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)，雖然硫碳復(fù)合物部分解決了正極體積膨脹問題，改善了離子導(dǎo)電性，倍率性能有所提升，但整體循環(huán)的穩(wěn)定性依然需要驗(yàn)證。
還有一個(gè)致命的問題，液態(tài)鋰硫電池在充放電過程中，硫化物會(huì)與電解質(zhì)相融，讓電池容量急劇下降，直接影響電池的壽命，固態(tài)鋰硫電池被認(rèn)為能克服這一技術(shù)性缺陷。
不管是固態(tài)電池，還是鋰硫電池，相比日韓的氣勢(shì)洶洶，寧德時(shí)代、比亞迪等在固態(tài)電池技術(shù)路線上走得并不快，或者說嗓門上要比豐田低調(diào)得多。
但中國(guó)在全球動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上已經(jīng)擁有話語權(quán)，在材料探索、工藝、成本控制等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)考慮到2028年，中國(guó)已經(jīng)有了1.03億輛新能源汽車，保有量幾乎是2022年的8倍，這些優(yōu)勢(shì)都是在電動(dòng)汽車上落后的日韓所難以比擬的。
結(jié)論是，短期看半固態(tài)電池，長(zhǎng)期看全固態(tài)，更長(zhǎng)遠(yuǎn)看鋰硫電池。