編者按:固態(tài)電池已成為全球新一輪動力電池競賽中的投資熱點。
2018年年底,成立于2010年的半固態(tài)鋰電池研發(fā)企業(yè)——美國24M公司對外宣布,該公司已獲得D輪2180萬美元融資,資本方來自高級陶瓷制造商日本京瓷集團(tuán)和全球貿(mào)易公司伊藤忠商事。
這家公司系從曾經(jīng)的行業(yè)龍頭——美國磷酸鐵鋰電池企業(yè)A123分拆出來,由中國臺灣科學(xué)家蔣業(yè)明博士創(chuàng)立。該公司宣稱將從2019年開始建立一個小型產(chǎn)業(yè)化工廠,希望在2020年交付首批產(chǎn)品,為電動汽車開發(fā)價格合理的高能量密度電池。
24M是新一輪全球動力電池產(chǎn)業(yè)競賽的一個縮影。從全球來看,中國、日本、韓國、德國、法國、美國、英國、澳大利亞等國家的諸多汽車企業(yè)和電池企業(yè)紛紛下注固態(tài)電池,希望打造下一個超級明星公司。
不過,中國化學(xué)與物理電源協(xié)會秘書長劉彥龍等業(yè)界人士認(rèn)為,固態(tài)電池現(xiàn)在還處于實驗室階段,在研發(fā)上還面臨比較多的難以克服的障礙,預(yù)計真正量產(chǎn)至少要在五年之后。
搶注下一代
電動汽車的蓬勃發(fā)展對動力電池的能量密度和安全性提出了越來越高的要求。
2017年11月中國政府發(fā)布的 《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出,純電動汽車動力電池的單體能量密度在2020年達(dá)到 300瓦時/千克, 2025年達(dá)到400瓦時/千克,2030年達(dá)到500瓦時/千克。
這對現(xiàn)有液態(tài)鋰電池而言是一個很高的目標(biāo)。“特斯拉用的電池目前是全球能量密度最高的動力電池,2018年初特斯拉宣布與松下聯(lián)合研發(fā)的21700單體能量密度達(dá)300瓦時/千克,而國內(nèi)一般電芯廠家的單體能量密度在230瓦時/千克左右,到2020年實現(xiàn)國家要求的300瓦時/千克挑戰(zhàn)很大。” 清陶能源公司董事長馮玉川解釋,固態(tài)電池實現(xiàn)這一目標(biāo)就相對容易,“全固態(tài)鋰電池單體的能量密度在實驗室可以達(dá)到430瓦時/千克以上,在中試階段可達(dá)375瓦時/千克,在量產(chǎn)階段可以輕松達(dá)到300瓦時/千克以上。”
據(jù)中科院物理所研究員、固態(tài)離子學(xué)課題組組長黃學(xué)杰介紹,固態(tài)鋰電池采用金屬鋰作為負(fù)極,固體無機(jī)或高分子材料作為電解質(zhì),能量密度比采用同類型正極材料的鋰電子電池高20%~30%。
除能量密度外,安全性是固態(tài)電池的更大優(yōu)勢。對此,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示,目前液態(tài)鋰電池選擇使用的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆,用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液,是公認(rèn)可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。
據(jù)清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮分析,固態(tài)電解質(zhì)不易燃,還不會產(chǎn)生液態(tài)電解液,因此不帶腐蝕性,是解決電池安全性問題的有效方法,也符合未來電池發(fā)展的趨勢。同時,固態(tài)電解質(zhì)較高的機(jī)械強(qiáng)度也能有效地抑制電池循環(huán)過程中鋰枝晶的刺穿,使鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用成為可能。
根據(jù)固態(tài)電池中固態(tài)電解質(zhì)的狀態(tài),可以將固態(tài)電池分為全固態(tài)和半固態(tài)電池,前者的電解質(zhì)是純固態(tài),但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì),后者就是一半固態(tài)電解質(zhì)、一半液態(tài)電解質(zhì),如前述的24M這家公司的產(chǎn)品。
加速布局中
正是因為固態(tài)電池具有這么多的優(yōu)點,世界多國政府都高度重視固態(tài)電池的研發(fā),上市公司和創(chuàng)業(yè)公司紛紛投身固態(tài)電池這一全新賽道。
其中,日本在全球遙遙領(lǐng)先。2018年7月,日本國立研究機(jī)構(gòu)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)對外宣布,啟動第二階段固態(tài)鋰離子電池研發(fā)項目,并為此斥資100億日元(約合人民幣5.9億元),成員包括23家整車及電池、材料廠商,另外還有15家大學(xué)及公共研究機(jī)構(gòu),計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)。
日本企業(yè)在固態(tài)電池方面的研究起步較早,水平也較高,尤其是在硫系固態(tài)電解質(zhì)方面,豐田汽車公司近日披露了其全固態(tài)電池的框架,并計劃于本世紀(jì)20年代初實現(xiàn)商業(yè)化。
在韓國,三大蓄電池廠商LG化學(xué)、三星SDI和SK創(chuàng)新2018年11月對外宣布,聯(lián)手開發(fā)核心電池技術(shù),將成立一個規(guī)模為1000億韓元的基金,計劃在固態(tài)電池、鋰金屬電池和鋰硫電池領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā),打造下一代電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。
2018年11月,德國總理默克爾宣布計劃下?lián)?0億歐元用于支持德國的一家電池生產(chǎn)商,同時也將資助一家電池研發(fā)機(jī)構(gòu),用于開發(fā)下一代固態(tài)電池。德國政府的這一舉措是為了減少德國車企對于中日韓電池供應(yīng)商的依賴。其中,大眾和寶馬公司也在大力發(fā)展固態(tài)電池,可能從2024或2025年開始批量生產(chǎn)。
在法國,博洛雷(Bolloré)公司一直致力于聚合物全固態(tài)電池的研究,其子公司Bat Scap生產(chǎn)的PEO基固態(tài)鋰離子電池用于電動汽車,是國際上第一個采用固態(tài)鋰電池的電動汽車案例,但該聚合物固態(tài)電池需要在80℃下工作,且能量密度不夠高,未顯示出相較于液態(tài)電解質(zhì)電池的優(yōu)勢。
美國則主攻基于聚合物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池的研發(fā)路線,美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(USABC)提出,在2020年將電芯能量密度提高至350瓦時/千克。一些初創(chuàng)電池企業(yè)如Sakit 3、SEEO、Quantum Scape和Solid Power等紛紛宣布在高能量密度全固態(tài)鋰電池研發(fā)方面取得重大進(jìn)展。 其中,2015年Sakti 3表示將開發(fā)出能量密度為當(dāng)前鋰電池2倍的全固態(tài)電池,而成本只要鋰電池的五分之一。自 2012 年以來,蘋果公司就開始布局全固態(tài)電池技術(shù)的專利。2017年,美國專利商標(biāo)局公布了蘋果一項與固態(tài)電池充電技術(shù)相關(guān)的新專利。
相比而言,中國的固態(tài)電池進(jìn)展更快。在研發(fā)層面,中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所牽頭承擔(dān)的納米先導(dǎo)專項“全固態(tài)電池”課題在2018年年底通過驗收。
在企業(yè)方面,中國動力電池企業(yè)和車企也表示了最濃厚的興趣。
在上市公司領(lǐng)域,當(dāng)升科技表示,已開展前瞻性開發(fā)工作,預(yù)計2025年以后固態(tài)鋰電可逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;寧德時代公司在聚合物固態(tài)鋰金屬電池和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展相關(guān)研發(fā)工作并取得了初步進(jìn)展,其在固態(tài)電池上的思路是對正極材料做了保護(hù),提高兼容性問題;比亞迪公司于2017年8月申請了相關(guān)發(fā)明專利,表示積極推進(jìn)固態(tài)電池項目商用;贛鋒鋰業(yè)2018年3月宣稱,正在對固態(tài)電池進(jìn)行廣泛試驗,將在2019年上半年建成第一代固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線,在2019年12月完成3億元固態(tài)鋰電池銷售,并推動第二代固態(tài)鋰電池技術(shù)成熟化,實現(xiàn)第三代固態(tài)鋰電池可研。
在創(chuàng)業(yè)公司領(lǐng)域,擁有中科院物理所背景,由中國工程院院士陳立泉、北汽新能源前高管俞會根投資的衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司,在江蘇溧陽成立了江蘇衛(wèi)藍(lán)新能源電池有限公司,正在建設(shè)電池中試線;已經(jīng)完成B輪融資的清陶(昆山)能源發(fā)展有限公司在2018年11月對外宣布,其建成的全國首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線已于當(dāng)月正式投產(chǎn)。
商業(yè)化還需五年
盡管全球的固態(tài)電池研發(fā)和投資熱鬧非凡,但整體來看,車用固態(tài)電池尚處于研發(fā)階段,遠(yuǎn)未進(jìn)入量產(chǎn)階段。
“雖然固態(tài)電池具有高安全性、高能量密度、循環(huán)次數(shù)高、相對較輕等特點,但界面阻抗大(電解質(zhì)跟材料界面是固—固狀態(tài),不利于鋰離子傳輸)、快充難度大(高阻抗、低導(dǎo)電率導(dǎo)致內(nèi)阻大)、成本高等一系列問題尚待解決。”勁邦資本合伙人王榮進(jìn)如此分析。
中科院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊認(rèn)為,現(xiàn)在的固態(tài)電池還停留在研發(fā)階段,主要是因為固態(tài)電池存在容量衰減、內(nèi)阻增加、內(nèi)路短、熱失控、日歷等失效行為,降低了電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性和可靠性。
從實操的角度來看,清陶新能源材料研究院院長何泓材認(rèn)為,固態(tài)電池研發(fā)和生產(chǎn)的挑戰(zhàn)主要在于:高離子導(dǎo)電率固態(tài)電解質(zhì)材料的開發(fā)、固體與固體之間的接觸界面高阻抗和穩(wěn)定性、固態(tài)電池特需設(shè)備的開發(fā)等。只有對這些挑戰(zhàn)都找到解決方案,固態(tài)電池才能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。不少創(chuàng)業(yè)公司可能僅僅在其中一兩點上有自己的解決方案,最終還是沒能實現(xiàn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
青域基金創(chuàng)始人徐政軍的解釋是,國內(nèi)雖然有不少科研院所、產(chǎn)業(yè)龍頭都在布局研發(fā),但大都還在實驗室樣品階段。媒體宣傳的所謂固態(tài)電池,都不是真正的“全固態(tài)鋰電池”,很多都是半固態(tài)鋰電池,采用固液混合電解質(zhì)技術(shù)。
在王榮進(jìn)看來,固態(tài)電池的應(yīng)用演進(jìn)路徑是:先要在消費電子領(lǐng)域推廣,經(jīng)過充分的驗證后, 再經(jīng)過1~2年整車測試驗證,才能真正在汽車上使用,這一過程至少還需要5~7年。
原標(biāo)題:全球固態(tài)電池爭霸賽:尋找下一個“寧德時代”