聚焦丨固态电池的战争
发布日期:2018-01-12        



2016 年 12 月,英国顶级学术期刊《 Energyand Environmental Science 》(《能源与环境科学》)刊发了一篇名为《 Alternative strategy for a safe rechargeable battery 》(《安全充电电池的替代策略》)的论文。

 

论文称,德州大学奥斯汀分校科克雷尔工学院的约翰·古迪纳夫( John Goodenough )教授领导的团队发明了一种快速充电的低成本全固态电池,解决了当前困扰电池行业的诸多痛点,具备不易燃烧、体积能量密度高、循环寿命长、充放电速度快等诸多优点。例如这种电池在 1200 个充放循环之后只出现极小的损耗,并且能够保证在 60 ℃~﹣ 20 ℃的温度区间正常工作。

 

此文一出,立刻在世界范围内的能源、化学、物理学界以及整个电池产业界引发了一场轩然大波。

 

原因有二:

 

1 、该文的第四署名作者——古迪纳夫教授的特殊身份:他是“锂电池之父”,锂充电电池的发明者,全球电池界的泰斗,被称之为是当前整个科学界“高耸入云”级别的人物。这位今年 95 岁高龄的老教授至今活跃在教学和科研的第一线,作为电池领域内的顶级专家,其每个举动都备受业内关注;

 

2 、古迪纳夫的研究成果竟然是错误的!其理论依据甚至违背了最基本的热力学第一定律!但奇怪的是,所有业内人士出于对古迪纳夫的极度尊重,全部选择揣着明白装糊涂的态度,在心知肚明的情况下集体选择了保持沉默。

 

沉默在一年之后被打破,美国普林斯顿大学的研究员 Daniel Steingart 同样在《能源与环境科学》发表了一篇名为《 Commenton “ Alternative strategy for a safe rechargeable battery ”》的文章,公开对老前辈的研究成果提出了质疑,并针锋相对地提出古迪纳夫提出的的反应机理是错误的,“从热力学的角度这显然是不可能发生的”。

 

出头鸟一叫,换来学界一片叫好声。古迪纳夫老爷子在锂电界的地位可以说无人能及,对此,老爷子只是淡淡的一句“我们没有违背热力学的第一定律”以示回应。

 

这位在 1991 年与索尼公司联合开发出世界上第一个商用可充电锂离子电池,推动了人类社会电子革命进程的老人终究在鲐背之年晚节不保。

 

据一位接近事实真相的人士向建约车评透露,一辈子淡泊名利的老爷子这次是被那篇备受争议的论文的第一作者, M . H . Braga (一个来自葡萄牙的女学者)给忽悠和利用了。

 

以上所述的学术间的争论,只是今天锂电池产业的冰山一角。实际上,学术上的争锋,远没有商业现实中的战争精彩。

 

自诞生以来,被认为是和晶体管发明有着同等重要地位的可充电锂电池产业的从业人员,在过去、现在和未来都一直面临着两大挑战:安全和能量密度。

 

曾经很多年时间里,锂电池的主要应用领域都是消费类电子产品。不过这种情况从 2013 年开始发生逆转,伴随着全球范围内新能源汽车的迅速崛起,动力电池产业突然变得炙手可热并充满诱惑起来。

 

未来,新能源汽车将是锂电池应用的最重要领域。

 

有分析预测,全球动力锂电池市场将继续迅猛增长,预计至 2022 年,总需求量和市场规模将分别达到 54 . 9GWh 和 267 亿美元,未来十年年均复合增长率分别可以达到 37 . 0 %和 31 . 6 %。

 

在中国,仅 2016 年一年时间就卖出去了 605 亿元的动力电池, 2020 年的这个数字将再× 3 。若以 1 . 5 元/ wh 的均价进行测算,未来 5 年我国新能源汽车动力电池市场规模将达 3363 亿元。

 

《福布斯》预计 20 年后,全球动力电池市场的价值将达到 2400 亿美元。

 

然而,在这一轮新能源汽车大潮中享尽红利的磷酸铁锂电池和三元锂电池,却逐渐显露出难堪大任的尴尬。受制于现有体系架构和关键正极材料影响,现有体系的锂电池的能量密度基本上很难突破 300Wh / kg 。其中磷酸铁锂电池单体能量密度以难超过 140Wh / kg ,规模化的三元锂电池单体能量密度最多做到 220Wh / kg ,实验室里的的上限是 300Wh / kg 。

 

未来新能源汽车产业发展的主要矛盾,将集中在人们对续航里程日益增长的美好向往与动力电池能量密度增长缓慢之间的矛盾。

 

在中国,政府将未来若干年内动力电池的技术目标定在 2020 ~ 202 年要实现单体能量密度 300Wh / kg ~ 400Wh / kg 。显然,不论是磷酸铁锂还是三元锂电,都难堪此大任。

 

在美国,美国能源部专门成立了新一代电池的研发组织——能源存储联合研究中心( JCESR )。 JCESR 雄心壮志地表示,“将像曼哈顿计划那样,集中投入人才和资金,在 5 年内开发出能量密度达到 5 倍、价格降至 1 / 5 的蓄电池”。

 

传统的锂电池技术(磷酸铁锂和三元)受制于液态电解质,难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料,从而使能量密度的上升存在瓶颈。在安全方面还会造成短路引燃、离子浓度差增大电池内阻、电极材料持续消耗等问题。

 

所以在这个时候,作为“下一代锂电池技术”,固态电池以其天生具有的高离子电导率和机械强度、宽电化学窗口和工作温度区间,成为人们梦寐以求的能量密度高、循环性强、安全性高、充电时间短的理想对象。

 

进入视线的固态电池虽然看似比较靠谱,但却还存在着许多难以攻克的技术难题,距离其大规模量产也还需要一段时间。

 

但这依旧难以扑灭全球上百家各式机构疯狂进军固态电池的热情。在这些机构中,既包括传统汽车巨头、新进造车公司,汽车零部件巨头,电池生产企业和上游原料商,还有有着学术背景的科研院校,有着政府背景的研究所,甚至是军方资助的神秘机构。

 

不管怎样,全球数百上千位物理学、化学、电学的顶级专家学者,在成千万上亿美金的研发资金的支撑下,围绕着固态电池这一战略制高点,从技术研发到商业量产,展开了一场争夺战。

 

 

 

日本

 

以丰田为首,日本在固态电池领域有着领先于世界的布局,包括本田、松下在内的公司都宣称将下一代电池研发的重点放在固态电池上。

 

但需要特别注意的是,因为日本岛国的封闭性思维,他们不愿意分享自己的研究成果,而是选择最大化自己技术路线的商业利益(例如燃料电池专利开放只有几年的时间窗口,刚好够其他国家和公司开发产品,等量产的时候他们就来收割)。

 

有了这方面的“历史教训”,中国一般都会选择不会跟着日本的路线走,比如移动通信制式、 HEV 的技术路线等,我国都明显表现出有意避开日本技术路线的意图。

 

丰田:固态电池的狂热拥趸

 

今年 7 月,日本媒体爆出一记重磅消息,丰田计划在 2022 年推出固态电池量产汽车。随后,一位丰田发言人表示,不会立即就此事发表评论。

 

5 个月后的 12 月,丰田方面突然宣布:计划在 2020 年推出 10 款电动车,并将下一代固态电池商业化。随后,这一消息也在丰田负责材料工程的高管 Shigeki Suzuki 处得到证实:丰田将于 2020 年全面实现全固态电池商业化。

 

这意味着,丰田又单方面将固态电池的商业化提前了 2 年。

 

这是相当大胆的行为,特别是发生在谨慎保守的丰田身上,则更加令人不可思议。

 

业内人士分析,以丰田以往的性格,如果其看好固态电池路线,基本上就意味着丰田已经攻克了这条技术路线中的绝大多数难题,比较有把握量产了。

 

实际上,至少在十几、二十年前,丰田就已经秘密组织了一支上百人的顶尖人才团队进行固态电池、空气电池的研发工作。这一支囊括了土田靖、小谷幸成、上野幸义、滨重规、中本博文、长濑浩、神谷正人、布赖恩·海登、蒂里·勒盖尔、邓肯·史密斯、克里斯托弗·李在内的专家队伍默默研发了十几年时间,为丰田申请了多达 30 项专利(至今丰田在固态电池方面的专利数量遥遥领先)。

 

囿于商业保密,外界对丰田在这一领域的具体进展不得而知。虽然丰田一直低调进行,保持神秘,但是业界依然公认其技术进度应该排世界第一。

 

按照电解液形态划分,固态电池分为全固态和准固态(介于固态和液态之间的妥协路线)。根据电解液的材质不同,全固态又有着氧化物、硫化物和聚合物之分,而丰田走的就是全固态中的硫化物材质路线。

 

就目前已知的是,丰田不仅获得了固体电解质材料、固态电池的制造技术等方面的专利,甚至还研发了一整套的正极材料和硫化物固体电解质材料回收的技术路线和回收工序。

 

2010 年,丰田正式推出硫化物固态电池,到 2014 年,其实验室中的固态电池的能量密度已经达到 400Wh / kg 。

 

欧洲

 

长期以来,一直占据全球产业链的顶端而谋取高额利润的欧洲发达国家都认为锂电池产业是一个低附加值行业(这种低端产业应该由亚洲人来做),而没有对电池产业形成足够的重视。这就造成今天欧洲缺乏规模化的锂电企业,锂电产业链也一直都没能建立起来的局面(不过,比利时的 Umicore 优美科公司一直是全球正极材料巨头,这算个例外)。

 

所以,在这一轮的动力电池大潮中,欧洲被踢出局的命运早已被注定。但作为传统汽车强国和车企巨头的聚集地,欧洲的车企巨头也只能奋起直追。例如大众计划投入 500 亿欧元的巨资用于固态电池的研发,宝马也选择与美国电池制造商 Solid Power 合作,开发新一代固态电池技术,并把量产时间定在 2026 年。

 

纵观欧洲在固态电池领域的布局,其最大的特点就在于由于缺乏当地薄弱的产业链条的支撑,所以大多数公司只能选择与亚洲或美国的各地合作,或者干脆开启买买买的模式。

 

法国的 Bollor é

 

在欧洲,法国的望族 Bollor é(博洛雷)家族掌控之下的子公司 BatScap 是世界公认的在固态电池领域有着深度布局的代表,只是和丰田不同, BatScap 选择全固态中的聚合物技术路线。 BatScap 的固态电池由于负极材料采用金属锂,电解质采用聚合物薄膜,因此又被称为金属锂聚合物电池。

 

BatScap 的电池的最大优势是已经接受了量产和市场的实地检验,得益于 1822 年就成立了的 Bollor é集团在交通、运输、能源等方面不计投入的长远布局,使得 BatScap 的电池可以迅速地落地。

 

早在 2011 年 10 月, Bollor é就开始利用自主开发的电动汽车“ Bluecar ”和电动巴士“ Bluebus ”在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“ Autolib ”。几年来已累计投入了 3000 辆搭载 30kWh 的由 BatScap 制造的固态电池,并在当地建立了 900 座服务站和 4500 台充电设备,累计用户近 20 万人,每天的利用次数约为 1 . 8 万次,由此积累了大量的数据和运营经验。

 

但是,需要特别指出的是 Bollor é虽然成为第一家将固态电池进行规模商业化的公司,但是实际输出能量密度仍然较低,其能量密度仅为 100Wh / kg ,远低于其理论水平。

 

美国

 

美国和欧洲同病相怜,但情况却稍微好一点。欧洲的动力电池产业已不存在重振的可能性,不过美国却较早地认识到其本土锂电产业非常薄弱的现实,并提早作出布局。

 

例如 2008 年美国政府就将战略方向从氢能和燃料电池转向锂电池,一方面成立了多达上百家的电池相关的风投公司,另一方面积极向全球锂电产业链进行拓展和布局。

 

Sakti3 :三巨头之一

 

美国 Sakti3 是业内公认的可以和日本的丰田与欧洲的 Bollor é并列的技术成熟度较高、技术沉淀较深的固态电池研发三巨头之一,同时也是固态电池第三条技术路线——全固态中的氧化物电解质材料路线的践行者。

 

氧化物技术路线,是三者里面难度最大的。

 

2008 年,玛丽·塞思特里创办了 Sakti3 。值得一提的是这位前密歇根大学工程学教授还是位颇有些情怀的人,这从她为新公司取得名字中就可以看出来: Sakti 是梵文“能量”的意思, 3 代表了锂元素的原子数。

 

Sakti3 公司最优质的资产或许正是创始人塞思特里自己,这位每周工作超过 100 小时的女强人致力于电池技术的研究已有 20 年,并且拥有 70 余项专利。

 

Sakti3 号称开发出了能量密度达到 1000 Wh / kg 的固态电池,并称未来实现商业化量产之后,成本只有当前锂电池的 20 %,可以把搭载其电池的电动汽车成本控制在 2 . 5 万美元。

 

创建之后这家位于密歇根州安阿伯市的公司获得通用汽车、日本工业巨头伊藤商社、密歇根州政府以及风投公司共计 3 千万美元的投资。不过最终在 2015 年被英国富豪詹姆斯·戴森,也就是戴森吸尘器和电吹风的发明者收购。

 

戴森收购 Sakti3 除了能够近水楼台,将 Sakti3 的固态电池率先应用在电吹风和吸尘器上之外,显然还有更大的野心。戴森已明确宣布,已经在去年 8 月出资 14 亿美元,兴建一座大量生产固态电池的工厂,最终目的是为了打造出“戴森”牌子的电动汽车产品。

 

Sakti3 目前存在的最大问题是其采用薄膜沉淀工艺的制造技术,简而言之就是将薄膜进行一层层的堆积。这就造成其成本居高不下,且在未来降低成本的可能性也不算太大。

 

Seeo :背靠博世好乘凉

 

2016 年,德国汽车零部件巨头博世收购了 Seeo ,使得这家美国的固态电池创业公司一时声名鹊起,开始进入到人们的视线。

 

2007 年,作为大名鼎鼎的美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室在固态电池领域的创业项目, Seeo 公司正式建立。 Seeo 可谓是含着金汤匙出生,因为他是劳伦斯伯克利国家实验室唯一授权拥有核心专利的电池公司。要论这家劳伦斯伯克利国家实验室有多牛,只需要知道一点就够了:研发了美国第一颗原子弹和氢弹,与之相关的 13 个科学家及组织获得过诺贝尔奖。

 

Seeo 主要基于化学工程师哈尼·埃托尼在劳伦斯伯克利国家实验室发明的一种电池技术,埃托尼说,他发明的这款固态电池相当于一个公文包大小,单位重量的储电量是当今液态锂电池的两到三倍。

 

埃托尼道出了 Seeo 在这一领域的核心竞争力, Seeo 的干聚合物薄膜固态电池,已经拿出来的样品电池组能量密度是 130 - 150Wh / kg ,这显然不是一个很好看的数字,不过其宣称在今年这个数字可以提升到 300Wh / kg 的水平。

 

创立之初, Seeo 也一度成为资本市场的宠儿,先后经历了多轮融资,投资方甚至包括了谷歌和三星,直到去年被博世收购。

 

这里多说一句关于博世在固态电池领域的布局,这家全球最大的汽车零部件巨头近年来在新能源汽车领域的布局可谓是激流勇进。

 

在收购了 Seeo 之后,博世又与日本的 GSYUASA 电池公司和三菱重工合资建立一家新工厂,主要产品也是固态电池。其中 GSYUASA 电池公司是由日本的两家电池巨头 GS (统一)和 YUASA (汤浅)合并而来,其实力不容小觑。

 

问题是,当欧美日都在不约而同地向固态电池领域奋力突击,抢占战略高地之时,已将新能源产业放在国计民生发展的重中之重的中国,怎么能在一旁甘心做看客?

 

曾有一位多年专注锂电池技术的研究,在美国高校任教的华人教授对建约车评阐述了如下观点,让笔者在瞬间民族自豪感爆棚。如下:

 

1 、在美国,包括固态电池在内的电池前端技术领域的主要研发力量依旧以华人为主;

 

2 、虽然美国的各类锂电池研发机构很多,研发力量也较为强大,但这位教授说业内人士时常能够深切体会到与中国相比,依旧有所差距,甚至差距还在不断拉大。这主要体现在美国本土的整个电池产业链远不如中国的健全和完善。

 

3 、全球最健全和发达的动力电池产业链都集中在中国,为动力电池技术的发展提供了最丰沃的土壤。

 

中国

 

蓬勃发展的新能源产业,为中国本土的动力电池产业崛起提供了最佳的历史机遇,如同中国有机会在下一个汽车工业时代实现弯道超车,中国的动力电池技术也将极有可能打破国外的封锁,成为引领尖端技术发展的决定性力量。

 

在中国,无论是国家级的科研院所,抑或是电池企业,都纷纷加注固态电池力量,抢占未来动力电池赛道。

 

赣锋锂业:第一个吃螃蟹

 

今年 8 月 18 日,一则消息被放出,几乎震惊了整个国内锂电池产业界。固态电池专家,原中科院材料所研究员许晓雄博士与中国锂矿上市公司赣锋锂业达成战略合作协议,在宁波推进固态电池技术的中试,目标在 3 年内实现固态电池产业化。

 

这里要说的是许晓雄,作为科技部“十二五”新能源领域“全固态锂离子储能电池”项目的负责人,长期致力于固态电池技术的研发,公开资料显示,其至今已申请专利 30 余项(国际专利 6 项、中国专利 27 项),其中已授权专利 11 项。

 

他和中国科学院宁波材料技术与工程研究所的其他成员,包括姚霞银、万红利、杨菁、黄祯、姚霞银、赵锋东、朱骏等在内的多名成员研发出了全固态钠电池的复合正极材料、全固态钠电池电解质以及一种全固态钠电池的制备方法和理论。

 

在许晓雄团队与赣锋锂业发布合作协议的 4 个月之后,赣锋锂业在 12 月 5 日发布公告,将设立全资子公司浙江锋锂,以自有资金不超过 2 . 5 亿元投资建设一条年产亿瓦时级的第一代固态锂电池研发中试生产线,项目建设期 2 年。

 

所谓中试就是产品正式投产前的试验,是产品在大规模量产前的较小规模试验。企业在确定一个项目前,在进行试验室试验、小试、中试后,基本上就可以正式量产了。

 

赣锋锂业敢投 2 . 5 亿元,并让许晓雄做企业法人代表,很大程度上意味着许晓雄团队的固态电池技术已基本成熟。

 

根据测算,赣锋锂业生产的第一代固态锂电池电芯的能量密度可达 240 Wh / kg ,按照单车 500 千克电池组估算, 80KWh 的电量可以实现 480 公里的续航,且千次循环后最大电量仍有 90 %,充电仅需 12 分钟充满。

 

陈立泉:先行者

 

中国工程院院士陈立泉一直以来都是国内固态电池的积极推动者,他认为只有全固态电池可以胜任进一步提高电池能量密度到 500Wh / kg 的历史任务,并在呼吁应该尽快启动全固态电池的研发产业化工作。

 

1978 年,陈立泉首次发起并倡导固态金属锂电池的研究和固态离子学的相关基础研究; 1980 年成立了中国第一个固态电池领域的实验室——中国科学院物理研究所固态离子学实验室;直到 2000 年,中科院物理所的研究焦点转移到纳米离子学,同时开始大力研究攻克固态电池关键技术问题; 2016 年,创立以固态电池为研发重点的北京卫蓝新能源科技有限公司。

 

除陈立泉之外,北京卫蓝还囊括了一批国内顶尖专家,包括陈立泉的老搭档李泓,作为中国科学院物理研究所研究员,其参与了包括高能量密度锂离子电池硅基负极材料开发、金属锂及固态电池技术研究等多个国家级项目的研发。

 

目前,北京卫蓝已经研发并掌握了固态电池技术领域的多项关键性技术,包括金属锂表面处理、原位形成 SEI 膜技术、固态电解质、锂离子快导体制备技术以及高电压电池集成技术、陶瓷膜优化技术和集流体解决方案。

 

宁德时代:积极储备备战

 

去年 12 月,宁德时代研发经理郭永胜在一次活动场合表示,宁德时代已开始积极布局动力电池下一代技术,其中较为集中在在固态锂电池方面,同时也从一家电池生产制造企业的角度出发,将研发的一个重点放在了固态电池的制造工艺上面。

 

作为国内动力电池巨头,宁德时代已在固态电池的储备研发上进行布局,其在固态电池上的解决思路是对正极材料做了一些保护,可以提高兼容的性能。

 

同时,由于硫化物对空气的敏感性造成制造过程面临很大的挑战。固态电池的整个制造工艺跟传统的锂电池是完全不一样的,所以宁德时代在固态电池的研发过程中,将固态电池的制造问题,在生产设备和工艺等方面进行同步的跟进研发。

 

就目前已知的信息是,宁德时代目前已经设计制造出了容量为 325 mAh 的聚合物电芯,并表现出较好的高温循环性能: 300 周循环以上剩余 82 %。

 

作者:建约车评


来源:offweek高科技门户网站
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