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“卡位”鋰金屬電池
日期:2020-07-16   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:zhangchi_zrm 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
要想將動(dòng)力電池能量密度提升一個(gè)量級(jí),鋰金屬電池就是必然要攻克下的一個(gè)關(guān)鍵“山頭”。

2020年,時(shí)值鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化第30個(gè)年頭,從年初開始,一系列新技術(shù)層出不窮:無(wú)鈷電池、四元電池、 CTP電池、刀片電池……

新技術(shù)百舸爭(zhēng)流,一方面映射出產(chǎn)業(yè)正步入技術(shù)拐點(diǎn),另一方面則暗含潛臺(tái)詞:市場(chǎng)需求倒逼下,鋰離子電池性能的進(jìn)一步提升迫在眉睫。

“面向2025年之后的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池選擇,要實(shí)現(xiàn)400wh/kg以上的能量密度,就必須考慮以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬Li-metal電池。”

35歲的80后胡啟朝向高工鋰電這樣表示,作為全球電池科技公司麻省固能(SolidEnergy Systems 簡(jiǎn)稱“SES”)的創(chuàng)始人兼CEO,眼下,他正用全部熱情和精力投入到鋰金屬電池的產(chǎn)業(yè)化中。

胡啟朝的熱情所在也是整個(gè)行業(yè)的寄望方向,作為下一代動(dòng)力電池的共識(shí),所有關(guān)于固態(tài)鋰金屬電池的風(fēng)吹草動(dòng),全球產(chǎn)業(yè)界都高度關(guān)注。

背后原因在于,整個(gè)行業(yè)都清楚一個(gè)現(xiàn)實(shí):按照現(xiàn)有的三元和石墨作為正負(fù)極活性材料所組成的液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池,重量能量密度極限約為280Wh/kg左右。即便引入硅基合金替代純石墨作為負(fù)極材料后,能量密度的上限也只能達(dá)到300-350Wh/kg。
車用動(dòng)力電池技術(shù)路線圖

而將鋰金屬作為負(fù)極,該材料的容量為3860 mAh/g,約為石墨的10倍,與現(xiàn)有正極體系搭配,電池能量密度可以輕松達(dá)到400wh/kg以上,并且有望超過500wh/kg,同時(shí),由于其本身就是鋰源,正極材料選擇面寬,還能組成能量密度更高的鋰硫和鋰空電池。

要想將動(dòng)力電池能量密度提升一個(gè)量級(jí),鋰金屬電池就是必然要攻克下的一個(gè)關(guān)鍵“山頭”。

讓胡啟朝興奮的是,隨著2025年的臨近,這場(chǎng)攻堅(jiān)戰(zhàn)正在越來(lái)越靠近,而他和他帶領(lǐng)的SES,在成立8年后,將挑起“先鋒隊(duì)”的角色,迎接新一代電池革命的到來(lái)。

2012年,胡啟朝在麻省理工博士后期間就創(chuàng)建了SES。至今從全球最大企業(yè)和財(cái)務(wù)投資商融資近1億美金,在他領(lǐng)導(dǎo)下,SES成為世界第一個(gè)證明實(shí)用性鋰金屬可以達(dá)到480Wh/kg和1000Wh/L并得到第三方驗(yàn)證的企業(yè)。

過去幾年,SES也已經(jīng)將鋰金屬電池逐步導(dǎo)入到無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、航空、軍用等領(lǐng)域,得到成熟的驗(yàn)證和應(yīng)用,下一步,其正在為電動(dòng)汽車和電動(dòng)飛行汽車的導(dǎo)入做準(zhǔn)備。

下一代動(dòng)力電池全球共識(shí)

事實(shí)上,胡啟朝緊盯的電池技術(shù),也是全球車企和頭部動(dòng)力電池發(fā)力的方向。

瞄準(zhǔn)于此,國(guó)際車企已經(jīng)開始在緊鑼密鼓的布局,大眾、特斯拉、豐田、通用、現(xiàn)代等都開始投入財(cái)力、物力、人力進(jìn)行固態(tài)鋰金屬電池的研發(fā)和儲(chǔ)備。

與此同時(shí),包括CATL、三星SDI、SKI等頭部電池企業(yè)也都加快投入力度,希望找到產(chǎn)業(yè)化突破口。

在傳統(tǒng)燃油車領(lǐng)域,核心部件發(fā)動(dòng)機(jī)已被各大車企牢牢掌握。但轉(zhuǎn)入電動(dòng)汽車后,作為三電核心的動(dòng)力電池,目前僅有少數(shù)車企掌握,大部分動(dòng)力電池的關(guān)鍵技術(shù)都還被電池廠商掌控。

這意味著,車企如果要控制主動(dòng)權(quán)和話語(yǔ)權(quán),就必須要在2025年前改變現(xiàn)有狀態(tài)。正因?yàn)槿绱?,很多車企打算投資和收購(gòu)新的未來(lái)電池技術(shù),以此來(lái)改變被電池廠商掌控的格局。

在固態(tài)鋰金屬電池的卡位戰(zhàn)中,車企動(dòng)作明顯更為積極,這背后的最主要驅(qū)動(dòng)因素可能在于,曾經(jīng)在鋰電動(dòng)力電池啟動(dòng)時(shí)錯(cuò)失主動(dòng)權(quán)后,車企想在固態(tài)鋰金屬電池時(shí)代扳回一局。
OEM動(dòng)力電池合作伙伴圖譜

主流車企的基本共識(shí)是,目前是用石墨為負(fù)極的Gen200鋰離子電池,2020年開始用300-350wh/kg硅石墨混合的Gen300鋰離子電池,2025開始逐漸引進(jìn)400wh/kg以上Gen400鋰金屬電池。

胡啟朝認(rèn)為,要想在2025年“上車”,意味著要從現(xiàn)在(2020年)開始,啟動(dòng)前期的產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃,同時(shí),在商業(yè)模式上,2025年后的動(dòng)力電池配套,車企將更加深度的參與其中,以控股或者合資的方式來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)開發(fā),這也是車企目前加大在固態(tài)鋰金屬電池領(lǐng)域提前卡位的原因所在。

高工鋰電獲悉,早在幾年前,SES就已經(jīng)成為全球產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的“明星”,其不僅獲得了包括通用、上汽在內(nèi)的車企投資,還得到了SK、天齊鋰業(yè)等企業(yè)的的資本青睞。

“包抄”鋰金屬電池


盡管對(duì)于下一代動(dòng)力電池形成了共識(shí),但如何從目前的液態(tài)鋰離子電池過渡到固態(tài)金屬電池,目前業(yè)內(nèi)存在不同的路徑。

一種路徑是從液態(tài)鋰離子電池到固態(tài)鋰離子電池,再進(jìn)一步到固態(tài)鋰金屬電池,目前以QuantumScape、輝能等為代表,另一種是從液態(tài)鋰離子電池到高濃度鋰金屬電池,再進(jìn)一步到固態(tài)鋰金屬電池,以SES為代表。

第一種方式中的固態(tài)鋰離子電池,只是解決了安全,無(wú)法突破能量密度瓶頸,第二種方式,能打破能量密度桎梏,但如何克服鋰枝晶帶來(lái)的安全問題是最大的難點(diǎn)。

“以高濃度鋰金屬電池作為切入口,雖然難度巨大,但能解決能量密度的核心問題。”

胡啟朝向高工鋰電表示,作為最早瞄準(zhǔn)固態(tài)金屬電池的科技企業(yè),SES就一直致力于鋰金屬電池的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。不僅解決了技術(shù)上的核心瓶頸,同時(shí)也已經(jīng)做好了規(guī)?;慨a(chǎn)前的準(zhǔn)備。

目前,SES已經(jīng)在波士頓建立鋰金屬電池研發(fā)中試線,在上海嘉定建立了世界第一個(gè)鋰金屬電池生產(chǎn)展示中心。眼下,胡啟朝正在籌備的是,基于SES已經(jīng)成熟的技術(shù)和工藝,通過規(guī)?;a(chǎn)來(lái)備戰(zhàn)2025年的“裝車”。

打破產(chǎn)業(yè)化桎梏

事實(shí)上,鋰金屬電池的研究最早可追溯到上世紀(jì)60年代,但金屬鋰負(fù)極在液態(tài)電池中存在一系列技術(shù)問題,尤其是金屬鋰的不均勻沉積和溶解導(dǎo)致鋰枝晶和孔洞的不均勻形成,從而引發(fā)安全問題。

針對(duì)上述行業(yè)難題,SES建立了一整套的解決方式,包括鋰金屬負(fù)極材料、高濃度鋰鹽電解質(zhì)材料。同時(shí),SES通過硬件(材料和電芯設(shè)計(jì))和軟件(鋰金屬電池管理系統(tǒng))的結(jié)合,極大程度降低了鋰枝晶導(dǎo)致的安全問題。

胡啟朝介紹,材料方面,SES擁有LiFSI鹽和高濃度電解液在設(shè)計(jì),生產(chǎn)和提純的全球?qū)@貏e是美國(guó)和歐洲市場(chǎng)。

在鋰金屬電芯和模組設(shè)計(jì),生產(chǎn)和測(cè)試方面,SES有全球最大的鋰金屬電芯和模組生產(chǎn)線和數(shù)據(jù)庫(kù),并用其來(lái)訓(xùn)練建立人工智能安全預(yù)測(cè)電池管理系統(tǒng),提高鋰金屬電池的安全和可預(yù)測(cè)性。

除了安全,SES還實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池的循環(huán)和快充問題,其400wh/kg、1000wh/L以上的鋰金屬電芯能夠通過針刺,高溫等安全測(cè)試,循環(huán)500次以上,并達(dá)到12分鐘10%到80%的快充(有第三方測(cè)試證明,并非小的研發(fā)電芯通過模擬算出來(lái)的能量密度)。

在產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)上,結(jié)合隔膜,正極,鋰金屬和、高濃度鋰鹽電解質(zhì)材料結(jié)合,SES形成了相對(duì)成熟的工藝,可以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的級(jí)別。

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)全球化的布局,SES在相關(guān)材料技術(shù)及制備上已經(jīng)完成了全球?qū)@季?,其中電解液配方及其鋰鹽制備技術(shù)在歐美區(qū)域取得了制備合成到應(yīng)用等系列專利。

在產(chǎn)業(yè)化過去幾年,SES鋰金屬電芯和模組已經(jīng)在無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等領(lǐng)域成熟應(yīng)用,接下來(lái),結(jié)合車企在固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用節(jié)奏,胡啟朝開始考慮進(jìn)一步在電動(dòng)汽車和電動(dòng)飛行汽車上的配套。

按照規(guī)劃,SES預(yù)計(jì)2022年A樣(100Ah以上),2023年B樣,到2025年能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)SOP。最新的進(jìn)展是,已經(jīng)在和幾家國(guó)際車企確定共同開發(fā)協(xié)議。

胡啟朝的思路是,SES一方面要建立一套包括材料、電芯、模組及pack、BMS、回收在內(nèi)的完整的生態(tài)系統(tǒng)。另一方面尋求全球合作伙伴,共同建立GWh級(jí)工廠,通過規(guī)模化生產(chǎn)來(lái)降低成本,以此推動(dòng)鋰金屬電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

“電池技術(shù)的革命并非只是單純的技術(shù)層面的演變,還將會(huì)對(duì)于現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)格局和行業(yè)形態(tài)發(fā)生顛覆。”胡啟朝的判斷是,前瞻性的卡位對(duì)于將來(lái)的話語(yǔ)權(quán)的掌握和產(chǎn)業(yè)鏈角色定位將起到至關(guān)重要的作用。

對(duì)于車企及全球頭部動(dòng)力電池企業(yè)而言,必須要在下一代電池及材料領(lǐng)域做好卡位,而對(duì)于像SES這樣的新興科技企業(yè)而言,則要依托自身的技術(shù)儲(chǔ)備,并找到戰(zhàn)略合作伙伴,踩準(zhǔn)市場(chǎng)化節(jié)拍,推動(dòng)新技術(shù)和產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化落地。

與電子領(lǐng)域摩爾定律的周期在18個(gè)月所不同,電池領(lǐng)域的變革周期長(zhǎng)達(dá)30年左右。

過去150年里,電池領(lǐng)域出現(xiàn)過五次核心技術(shù)革命,第一次是1870年鉛酸電池,第二次是1900年鎳鉻電池,第三次是1930年堿性電池,第四次是1960年鎳氫電池,第五次是1990年鋰離子電池。

“2020年,是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化第30個(gè)年頭,也意味著電池技術(shù)即將進(jìn)入一個(gè)新的變革周期,下一代動(dòng)力電池的爭(zhēng)奪賽槍聲已經(jīng)打響。”

站在新一輪產(chǎn)業(yè)周期開啟的時(shí)間點(diǎn),胡啟朝和他的SES充滿信心。


原標(biāo)題: “卡位”鋰金屬電池
 
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