11月7日消息,，寧德時代在今年增加了對全固態(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。
寧德時代目前主攻硫化物路線,，在近期已進(jìn)入 20Ah 樣品試制階段,。一位知情人士稱，寧德時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 開始不斷做大單個電池容量,。在 1Ah 樣品階段的任務(wù)是檢測電池材料性能優(yōu)劣,；10Ah 樣品時主要檢測電池的單體性能；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，寧德時代首席科學(xué)家吳凱在國際電池技術(shù)交流會上就曾表示,，寧德時代已建成 10Ah 全固態(tài)電池性能驗(yàn)證平臺,，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,。
如今寧德時代進(jìn)一步進(jìn)入 20Ah 試制階段——目前電動車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題，這些任務(wù)可以靠增加人力投入和實(shí)驗(yàn)次數(shù)來有效推進(jìn),。
寧德時代董事長曾毓群將固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)度分為 9 個等級,，他在今年 9 月的動力電池大會上稱寧德時代目前處在等級 4 ，目標(biāo)是在 2027 年提高到 7-8 級,，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池小批量生產(chǎn),。
寧德時代的規(guī)劃的時間線與豐田汽車、 LG 新能源 ,、三星 SDI 等類似,，略快于比亞迪。但曾毓群今年 9 月曾罕見高調(diào)宣稱,，與競爭對手相比,，寧德時代的研究 “領(lǐng)先一大步”，用英文說是 “Second to none（首屈一指）”,。
曾毓群的信心或許來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)界對電池形態(tài)的終極設(shè)想,。但過去 30 年間幾乎只有豐田汽車一家公司在持續(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 萬算，每年開工資就得 10 個億,，這之前大部分固態(tài)電池公司連預(yù)算幾個億的實(shí)驗(yàn)室都建不起來,。” 一位從業(yè)者說,。
從跟隨到押注,，從沒有目標(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,、松下到寧德時代，電池公司過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,，推動能源轉(zhuǎn)型,。
電池業(yè)并不存在像芯片業(yè)那樣的摩爾定律，電池的性能不會每過一段時間就翻一倍,。但這個世界從未像現(xiàn)在這樣需要如此多的鋰電池——全球鋰電池的產(chǎn)量在過去 5 年翻了十倍,，能量密度只增長不到 30%。
在可預(yù)見的未來,，電動車,、智能手機(jī)使用的液態(tài)鋰電池的改進(jìn)空間已相對有限：液態(tài)三元鋰電池的能量密度理論極限是 350Wh/kg，這個數(shù)字只能讓現(xiàn)在的智能手機(jī)多用半小時,，或者讓新能源汽車充一次電多跑 50 公里,。
沿著液態(tài)鋰電池路線，永遠(yuǎn)不會有電動載人客機(jī)飛上天--特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）曾測算,，電池能量密度超過 450Wh/kg 時,，電動載人客機(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)極之間的移動穿梭來充電、放電,，達(dá)到儲能、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 700Wh/kg,。
所有鋰電池公司都會說自己正在 “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)十名甚至幾個工程師,，維持對前沿技術(shù)的感知,。這種做法主要有兩個原因：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),，他們也可以通過模仿快速追進(jìn)。
寧德時代在數(shù)年前也是這樣做的,。
據(jù)我們了解,，寧德時代對全固態(tài)電池的研究最早始于 2016 年。當(dāng)時,，寧德時代邀請在美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室（成立于 1943 年,，曾參與曼哈頓計劃，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代擔(dān)任研發(fā)體系聯(lián)席總裁,，直接帶領(lǐng)寧德時代的硫化物全固態(tài)電池研發(fā)項(xiàng)目組,。
但一位接近寧德時代的人士稱，梁成都當(dāng)時手下只有不到 100 人負(fù)責(zé)全固態(tài)電池的研發(fā),，寧德時代對他們的定位是 “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,，寧德時代都沒有明顯增加對全固態(tài)電池的研發(fā)投入,。
寧德時代高層過去對固態(tài)電池的表態(tài)都頗為謹(jǐn)慎。
吳凱在去年年中曾說,，“如果豐田說今天能量產(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，我也很難說得準(zhǔn)確,?！?/p>
但今年 3 月,，寧德時代首席科學(xué)家吳凱罕見地在一次電池行業(yè)技術(shù)論壇上分享了寧德時代的全固態(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” 的時間表,。
最早開始研發(fā)固態(tài)電池的豐田汽車，2018 年至今多次延后固態(tài)電池裝車時間,，去年,，豐田汽車聲稱會在 2027 年量產(chǎn)固態(tài)電池。國內(nèi)諸多初創(chuàng)公司則將僅僅是過渡狀態(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)為寧德時代的時間表更靠譜,，更符合實(shí)際,。
到今年初時，寧德時代開始加大對固態(tài)電池的投入,。據(jù)我們了解,，今年一季度，寧德時代引進(jìn)了幾十個固態(tài)電池初創(chuàng)公司和中國科學(xué)院背景的技術(shù)骨干,。
曾毓群今年三月在接受媒體采訪時也表示,，他每個月都會了解研發(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,，曾毓群今年初鼓勵團(tuán)隊(duì)稱，“有好事不用找我,，有壞事找我,，我給你們解決?！?/p>
寧德時代加大固態(tài)電池投入的同時,，工信部也給寧德時代、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 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,，工信部在調(diào)研完后判斷,，全固態(tài)電池在理論上能做成，做出來無非是時間長短問題,。
重新發(fā)明電池的每個部件
在技術(shù)路線選擇上,，寧德時代選擇了與豐田汽車類似的硫化物路線,。吳凱在此前的技術(shù)論壇上說，硫化物路線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,。
這三種技術(shù)路線都存在相應(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,，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。
寧德時代和豐田押注的硫化物固態(tài)電池一直面臨四個極難的技術(shù)問題,。
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,。這些空隙會影響帶電離子在電池中的流動，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)就會被充放電過程中膨脹的正負(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)象被稱為 “鋰枝晶”,，沉淀的鋰離子會逐漸長成樹杈狀的尖刺，這種尖刺刺穿電池后會讓電池短路失效,。液態(tài)鋰電池也面臨這一問題,，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,、造價高昂，目前一公斤硫化物售價超過 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),，寧德時代已在 10Ah 的樣品階段找到了解決這些難題的思路。
針對正負(fù)極和電解質(zhì)接觸界面問題,，寧德時代研發(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)劑來維持離子的流動性,，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,，寧德時代目前還無法穩(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,，這會讓電池在使用時電量持續(xù)波動。
寧德時代也提出了一種解決鋰枝晶問題的新思路,，用可以靈活改變體積性狀的材料自動填充可能滋長鋰枝晶的縫隙,，同時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,，讓這個海綿去填滿空隙,，這個材料必須非常講究，得有很強(qiáng)的柔性,，又得是良好的電導(dǎo)體,。” 前述人士說,。
此外,，通過對硫化物電解質(zhì)的改進(jìn)，寧德時代現(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,。
除了對材料的改進(jìn),，寧德時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在寧德時代面前,。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)人對我們評價稱,，依照過去的經(jīng)驗(yàn)，如果不計成本,，寧德時代很有可能可以在 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)千輛電動車。寧德時代當(dāng)下對全固態(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加速這一過程,。
寧德時代增加對全固態(tài)電池的投入幾乎是一件水到渠成的事。寧德時代每年將一半的凈利潤投去研發(fā)更好的電池,，用更好的電池賣出更好的價格,，賺到足夠多的錢繼續(xù)滾動優(yōu)勢。
但過去幾年電池技術(shù)進(jìn)步速度放慢,，這種做法的商業(yè)回報并不高,。
寧德時代去年的研發(fā)投入幾乎是動力電池業(yè)第二到第六名之和，但競爭對手依舊可以通過低價搶奪它的市場份額,，寧德時代在中國的市占率從 55% 的高點(diǎn)跌至目前 40% 左右,。電池業(yè)在過去數(shù)年內(nèi)從一個充滿商業(yè)活力和技術(shù)變量的產(chǎn)業(yè)變?yōu)橐粋€逐漸失去活力、產(chǎn)品同質(zhì)化,、極度追求低價的產(chǎn)業(yè),。
這逼迫寧德時代也不得不主動突破技術(shù)邊界，尋找新的增量,。
