11月7日消息，寧德時(shí)代在今年增加了對(duì)全固態(tài)電池的研發(fā)投入，已將全固態(tài)電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)擴(kuò)充至超 1000 人。
寧德時(shí)代目前主攻硫化物路線(xiàn)，在近期已進(jìn)入 20Ah 樣品試制階段。一位知情人士稱(chēng)，寧德時(shí)代目前的方案能將三元鋰電池的能量密度做到 500 Wh/kg，比現(xiàn)有電池提升 40% 以上，但充電速度和循環(huán)壽命還未達(dá)預(yù)期。
全固態(tài)電池樣品試制通常是從 1Ah 開(kāi)始不斷做大單個(gè)電池容量。在 1Ah 樣品階段的任務(wù)是檢測(cè)電池材料性能優(yōu)劣；10Ah 樣品時(shí)主要檢測(cè)電池的單體性能；20Ah 樣品階段則意味著電池方案初步定型，進(jìn)入生產(chǎn)技術(shù)探索階段。
今年 4 月，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱在國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)上就曾表示，寧德時(shí)代已建成 10Ah 全固態(tài)電池性能驗(yàn)證平臺(tái)，且在全固態(tài)電池的正負(fù)極材料、工藝和制造設(shè)備上都有技術(shù)進(jìn)展。
如今寧德時(shí)代進(jìn)一步進(jìn)入 20Ah 試制階段——目前電動(dòng)車(chē)使用的軟包電池單體容量就是 20Ah ——如能在這一階段的樣品上解決安全和性能難題，剩下的就主要是制造工程問(wèn)題，這些任務(wù)可以靠增加人力投入和實(shí)驗(yàn)次數(shù)來(lái)有效推進(jìn)。
寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群將固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)度分為 9 個(gè)等級(jí)，他在今年 9 月的動(dòng)力電池大會(huì)上稱(chēng)寧德時(shí)代目前處在等級(jí) 4 ，目標(biāo)是在 2027 年提高到 7-8 級(jí)，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池小批量生產(chǎn)。
寧德時(shí)代的規(guī)劃的時(shí)間線(xiàn)與豐田汽車(chē)、 LG 新能源 、三星 SDI 等類(lèi)似，略快于比亞迪。但曾毓群今年 9 月曾罕見(jiàn)高調(diào)宣稱(chēng)，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，寧德時(shí)代的研究 “領(lǐng)先一大步”，用英文說(shuō)是 “Second to none（首屈一指）”。
曾毓群的信心或許來(lái)自前所未有的投入力度。
全固態(tài)電池被業(yè)界視為鋰電池的終極形態(tài)，是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)電池形態(tài)的終極設(shè)想。但過(guò)去 30 年間幾乎只有豐田汽車(chē)一家公司在持續(xù)投入研發(fā)全固態(tài)電池，且進(jìn)展緩慢。
電池業(yè)第一次有公司像寧德時(shí)代這樣投入巨量資源研發(fā)全固態(tài)電池?！?000 人，人均人力成本按照 100 萬(wàn)算，每年開(kāi)工資就得 10 個(gè)億，這之前大部分固態(tài)電池公司連預(yù)算幾個(gè)億的實(shí)驗(yàn)室都建不起來(lái)?！?一位從業(yè)者說(shuō)。
從跟隨到押注，從沒(méi)有目標(biāo)到 2027 年量產(chǎn)
能量密度是電池最重要的性能指標(biāo)，它代表了電池的使用效率。電池公司過(guò)去 30 年的努力大部分是為了提升電池的能量密度，在同等體積、重量的電池里塞入更多電量。
從索尼、松下到寧德時(shí)代，電池公司過(guò)去三十年讓鋰電池的能量密度從 120Wh/kg 上升到目前的約 320Wh/kg 。能量密度的提升，讓鋰電池足以進(jìn)入更多領(lǐng)域，創(chuàng)造更大的商業(yè)機(jī)會(huì)，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型。
電池業(yè)并不存在像芯片業(yè)那樣的摩爾定律，電池的性能不會(huì)每過(guò)一段時(shí)間就翻一倍。但這個(gè)世界從未像現(xiàn)在這樣需要如此多的鋰電池——全球鋰電池的產(chǎn)量在過(guò)去 5 年翻了十倍，能量密度只增長(zhǎng)不到 30%。
在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，電動(dòng)車(chē)、智能手機(jī)使用的液態(tài)鋰電池的改進(jìn)空間已相對(duì)有限：液態(tài)三元鋰電池的能量密度理論極限是 350Wh/kg，這個(gè)數(shù)字只能讓現(xiàn)在的智能手機(jī)多用半小時(shí)，或者讓新能源汽車(chē)充一次電多跑 50 公里。
沿著液態(tài)鋰電池路線(xiàn)，永遠(yuǎn)不會(huì)有電動(dòng)載人客機(jī)飛上天--特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）曾測(cè)算，電池能量密度超過(guò) 450Wh/kg 時(shí)，電動(dòng)載人客機(jī)的設(shè)想才成立。
固態(tài)電池成為行業(yè)公認(rèn)的鋰電池未來(lái)形態(tài)。
電池的主要組成部分是電解質(zhì)和正負(fù)極，靠鋰離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)穿梭來(lái)充電、放電，達(dá)到儲(chǔ)能、功能的作用。
固態(tài)電池，即把目前鋰電池中普遍使用的液態(tài)電解質(zhì)（主要是六氟磷酸鋰）替換為固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)的性能更穩(wěn)定且安全，這就可以使用能量密度更高、但化學(xué)性狀更危險(xiǎn)的鋰金屬充當(dāng)負(fù)極（目前負(fù)極材料為石墨），用含鋰量更高的高鎳三元材料充當(dāng)正極，讓鋰電池的能量密度上限翻倍至超過(guò) 700Wh/kg。
所有鋰電池公司都會(huì)說(shuō)自己正在 “研發(fā)” 全固態(tài)電池。但在今年以前，電池業(yè)多數(shù)大公司都只是投入數(shù)十名甚至幾個(gè)工程師，維持對(duì)前沿技術(shù)的感知。這種做法主要有兩個(gè)原因：現(xiàn)有液態(tài)鋰電池仍有提升空間，在既有技術(shù)框架下研發(fā)，回報(bào)更明確、投入產(chǎn)出比更高；電池業(yè)的大公司篤信規(guī)模和錢(qián)的作用，就算創(chuàng)業(yè)公司率先突破技術(shù)，他們也可以通過(guò)模仿快速追進(jìn)。
寧德時(shí)代在數(shù)年前也是這樣做的。
據(jù)我們了解，寧德時(shí)代對(duì)全固態(tài)電池的研究最早始于 2016 年。當(dāng)時(shí)，寧德時(shí)代邀請(qǐng)?jiān)诿绹?guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室（成立于 1943 年，曾參與曼哈頓計(jì)劃，是全球最頂尖的材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)室之一）工作 10 年的梁成都加入寧德時(shí)代擔(dān)任研發(fā)體系聯(lián)席總裁，直接帶領(lǐng)寧德時(shí)代的硫化物全固態(tài)電池研發(fā)項(xiàng)目組。
但一位接近寧德時(shí)代的人士稱(chēng)，梁成都當(dāng)時(shí)手下只有不到 100 人負(fù)責(zé)全固態(tài)電池的研發(fā)，寧德時(shí)代對(duì)他們的定位是 “搞清楚最前沿的實(shí)驗(yàn)室和公司的技術(shù)進(jìn)展，幫高層做技術(shù)決策”。直到 2022 年末，寧德時(shí)代都沒(méi)有明顯增加對(duì)全固態(tài)電池的研發(fā)投入。
寧德時(shí)代高層過(guò)去對(duì)固態(tài)電池的表態(tài)都頗為謹(jǐn)慎。
吳凱在去年年中曾說(shuō)，“如果豐田說(shuō)今天能量產(chǎn)全固態(tài)電池，我持懷疑態(tài)度，目前全行業(yè)誰(shuí)都不具備量產(chǎn)全固態(tài)電池的能力。至于 2027 年能否量產(chǎn)，作為技術(shù)人員，我也很難說(shuō)得準(zhǔn)確?！?/p>
但今年 3 月，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱罕見(jiàn)地在一次電池行業(yè)技術(shù)論壇上分享了寧德時(shí)代的全固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)展。半年后，曾毓群又披露了 “2027 年小規(guī)模量產(chǎn)全固態(tài)電池” 的時(shí)間表。
最早開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池的豐田汽車(chē)，2018 年至今多次延后固態(tài)電池裝車(chē)時(shí)間，去年，豐田汽車(chē)聲稱(chēng)會(huì)在 2027 年量產(chǎn)固態(tài)電池。國(guó)內(nèi)諸多初創(chuàng)公司則將僅僅是過(guò)渡狀態(tài)的半固態(tài)電池混淆為固態(tài)電池，讓所有人不得不在固態(tài)電池前加上 “全” 字以指代業(yè)界原本認(rèn)為的固態(tài)電池。
與他們相比，電池業(yè)界普遍認(rèn)為寧德時(shí)代的時(shí)間表更靠譜，更符合實(shí)際。
到今年初時(shí)，寧德時(shí)代開(kāi)始加大對(duì)固態(tài)電池的投入。據(jù)我們了解，今年一季度，寧德時(shí)代引進(jìn)了幾十個(gè)固態(tài)電池初創(chuàng)公司和中國(guó)科學(xué)院背景的技術(shù)骨干。
曾毓群今年三月在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)也表示，他每個(gè)月都會(huì)了解研發(fā)團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池方面的工作情況，他了解所有的技術(shù)進(jìn)展。一位該團(tuán)隊(duì)的工程師和我們說(shuō)，曾毓群今年初鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，“有好事不用找我，有壞事找我，我給你們解決。”
寧德時(shí)代加大固態(tài)電池投入的同時(shí)，工信部也給寧德時(shí)代、比亞迪、吉利在內(nèi)的六家公司提供研發(fā)補(bǔ)貼。
據(jù)我們了解，工信部給產(chǎn)業(yè)界的全固態(tài)電池研發(fā)補(bǔ)貼超過(guò) 60 億元，但其中部分資金需要企業(yè)的研發(fā)項(xiàng)目取得進(jìn)展后到位。工信部的目標(biāo)是 2027 年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的小規(guī)模量產(chǎn)。
一位行業(yè)人士稱(chēng)，工信部在調(diào)研完后判斷，全固態(tài)電池在理論上能做成，做出來(lái)無(wú)非是時(shí)間長(zhǎng)短問(wèn)題。
重新發(fā)明電池的每個(gè)部件
在技術(shù)路線(xiàn)選擇上，寧德時(shí)代選擇了與豐田汽車(chē)類(lèi)似的硫化物路線(xiàn)。吳凱在此前的技術(shù)論壇上說(shuō)，硫化物路線(xiàn)的性能上限最高且量產(chǎn)進(jìn)度最快。
按照所使用的固態(tài)電解質(zhì)區(qū)分，目前固態(tài)電池主要有硫化物、氧化物和聚合物三種技術(shù)路線(xiàn)。
這三種技術(shù)路線(xiàn)都存在相應(yīng)的基礎(chǔ)缺點(diǎn)。聚合物電解質(zhì)需要加熱到 60℃才可以獲得足夠的導(dǎo)電率，難以在普通工況使用；氧化物電解質(zhì)導(dǎo)電率低；硫化物電解質(zhì)中的鋰離子導(dǎo)電率跟液態(tài)相近但是易氧化產(chǎn)生有毒氣體。近年業(yè)界也產(chǎn)生了鹵化物等新的技術(shù)路線(xiàn)，據(jù)我們了解比亞迪目前正著重研發(fā)鹵化物的固態(tài)電池。
寧德時(shí)代和豐田押注的硫化物固態(tài)電池一直面臨四個(gè)極難的技術(shù)問(wèn)題。
液態(tài)電池中的薄片狀正負(fù)極浸泡在液態(tài)電解質(zhì)中，電解質(zhì)與正負(fù)極的接觸幾乎沒(méi)有縫隙；而固態(tài)電池則是把正負(fù)極放在粉末壓制成的固態(tài)電解質(zhì)中，正負(fù)極與固態(tài)電解質(zhì)間存在更大空隙。這些空隙會(huì)影響帶電離子在電池中的流動(dòng)，降低電池的壽命和充電速度。把電解質(zhì)從液體換成固體后，電解質(zhì)就會(huì)被充放電過(guò)程中膨脹的正負(fù)極擠壞變形。
在正負(fù)極之間穿梭的帶電離子，就像河道里的泥沙，久而久之沉淀堆積，堵塞離子穿梭的通道。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為 “鋰枝晶”，沉淀的鋰離子會(huì)逐漸長(zhǎng)成樹(shù)杈狀的尖刺，這種尖刺刺穿電池后會(huì)讓電池短路失效。液態(tài)鋰電池也面臨這一問(wèn)題，但全固態(tài)電池在使用含鋰量更高的材料后，鋰枝晶的沉積會(huì)比液態(tài)電池更快，更難處理。
硫化物電解質(zhì)在空氣中遇水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有毒氣體并降低電池導(dǎo)電率。硫化物極強(qiáng)的化學(xué)特性也讓它非常難制備、造價(jià)高昂，目前一公斤硫化物售價(jià)超過(guò) 500 美元。
全固態(tài)電池的生產(chǎn)制造非常困難，在正負(fù)極、電解質(zhì)制造環(huán)節(jié)都無(wú)法復(fù)用現(xiàn)有的成熟工藝，需要重新發(fā)明多項(xiàng)工藝。
根據(jù)吳凱的表態(tài)，寧德時(shí)代已在 10Ah 的樣品階段找到了解決這些難題的思路。
針對(duì)正負(fù)極和電解質(zhì)接觸界面問(wèn)題，寧德時(shí)代研發(fā)了多層材料包裹正極的技術(shù)，相當(dāng)于用多層薄膜限制極片的變形，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。正負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)的接觸界面則依靠自研的粘結(jié)劑來(lái)維持離子的流動(dòng)性，即導(dǎo)電率。
為了讓固態(tài)電解質(zhì)與固體正負(fù)極接觸更緊密，行業(yè)慣常做法是制造電池時(shí)從外部施加超高的壓力把它們擠壓到一起。從吳凱披露的信息，寧德時(shí)代目前研發(fā)的設(shè)備能給電池均勻施加 500Mpa 的壓力，是馬里亞納海溝最深處壓力的 5 倍。
目前寧德時(shí)代能將固態(tài)電池的正極克容量（影響電池能量密度的關(guān)鍵指標(biāo)）做到 230mAh/g ，并將正極的使用壽命提升到 6000 次。一位行業(yè)人士稱(chēng)，寧德時(shí)代目前還無(wú)法穩(wěn)定正極的容量，從吳凱披露的正極數(shù)據(jù)看，在 6000 次充放電中正極的容量反復(fù)下跌又反彈，這會(huì)讓電池在使用時(shí)電量持續(xù)波動(dòng)。
寧德時(shí)代也提出了一種解決鋰枝晶問(wèn)題的新思路，用可以靈活改變體積性狀的材料自動(dòng)填充可能滋長(zhǎng)鋰枝晶的縫隙，同時(shí)用合金金屬改變正負(fù)極表面的親鋰性，讓鋰均勻沉淀在表面，而非長(zhǎng)成尖刺。
“這相當(dāng)于在電池里塞入 ‘海綿’，當(dāng)四周的壓力變化后，讓這個(gè)海綿去填滿(mǎn)空隙，這個(gè)材料必須非常講究，得有很強(qiáng)的柔性，又得是良好的電導(dǎo)體。” 前述人士說(shuō)。
此外，通過(guò)對(duì)硫化物電解質(zhì)的改進(jìn)，寧德時(shí)代現(xiàn)在能讓電解質(zhì)在 -40℃ 露點(diǎn)（衡量環(huán)境干燥度的指標(biāo)）的環(huán)境中保持穩(wěn)定，此前業(yè)界普遍只能在 -60℃ 露點(diǎn)的環(huán)境中制備硫化物電解質(zhì)。這降低了建造硫化物電解質(zhì)產(chǎn)線(xiàn)的成本，-40℃ 露點(diǎn)的干燥度與芯片制造的超凈間相當(dāng)。而 -60℃ 露點(diǎn)的干燥度基本等同于火星表面。
除了對(duì)材料的改進(jìn)，寧德時(shí)代也突破了干法電極、等靜壓一體成型等制造技術(shù)。但仍然有諸多工程難題橫亙?cè)趯幍聲r(shí)代面前。為了保證全固態(tài)電池的使用壽命，電池在制成后仍需施加極大的壓力，保證電池內(nèi)部部件接觸的緊密性，寧德時(shí)代需要發(fā)明新的電池包裹材料和封裝工藝。
一位固態(tài)電池初創(chuàng)公司技術(shù)負(fù)責(zé)人對(duì)我們?cè)u(píng)價(jià)稱(chēng)，依照過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，如果不計(jì)成本，寧德時(shí)代很有可能可以在 2027 年內(nèi)實(shí)現(xiàn) 0.5 GWh 左右的量產(chǎn)規(guī)模，這一產(chǎn)能能搭載數(shù)千輛電動(dòng)車(chē)。寧德時(shí)代當(dāng)下對(duì)全固態(tài)電池的技術(shù)和人員投入都是空前的，它的超額投入可能會(huì)加速這一過(guò)程。
寧德時(shí)代增加對(duì)全固態(tài)電池的投入幾乎是一件水到渠成的事。寧德時(shí)代每年將一半的凈利潤(rùn)投去研發(fā)更好的電池，用更好的電池賣(mài)出更好的價(jià)格，賺到足夠多的錢(qián)繼續(xù)滾動(dòng)優(yōu)勢(shì)。
但過(guò)去幾年電池技術(shù)進(jìn)步速度放慢，這種做法的商業(yè)回報(bào)并不高。
寧德時(shí)代去年的研發(fā)投入幾乎是動(dòng)力電池業(yè)第二到第六名之和，但競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手依舊可以通過(guò)低價(jià)搶奪它的市場(chǎng)份額，寧德時(shí)代在中國(guó)的市占率從 55% 的高點(diǎn)跌至目前 40% 左右。電池業(yè)在過(guò)去數(shù)年內(nèi)從一個(gè)充滿(mǎn)商業(yè)活力和技術(shù)變量的產(chǎn)業(yè)變?yōu)橐粋€(gè)逐漸失去活力、產(chǎn)品同質(zhì)化、極度追求低價(jià)的產(chǎn)業(yè)。
這逼迫寧德時(shí)代也不得不主動(dòng)突破技術(shù)邊界，尋找新的增量。
