瑞達(dá)新能源述尋找下一個CATL，電池材料革命五大突破口

　　1799年，意大利物理學(xué)家伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過，于是他把許多鋅片和銀片之間墊上浸透鹽水的紙板，用導(dǎo)線把兩端連接起來。世界上第一個電池——伏特電堆，就這樣誕生了。

　　兩百多年過去，電池已經(jīng)成為人類日常生活離不開的東西，而今天的電池也遠(yuǎn)非當(dāng)初的模樣。

　　今天常見的鋰電池誕生于20世紀(jì)60年代，1991年開始由日本索尼公司實現(xiàn)商業(yè)化，隨后逐步應(yīng)用到手機、電腦、汽車上。

　　在電動汽車取代燃油汽車的歷史進(jìn)程中，鋰電池扮演著重要角色。2021年我國新能源汽車市場出現(xiàn)爆發(fā)式上升，離不開電池技術(shù)持續(xù)迭代的功勞。

　　在確保安全性的前提下提高能量密度，一直是動力鋰電池技術(shù)發(fā)展的核心。圍繞該核心，動力鋰電池研發(fā)人員一直在進(jìn)行電化學(xué)材料體系的創(chuàng)新研究。

　　鋰電池的電芯包括正負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜等，從電芯層面提高電池能量密度，就要從這些組成部分入手。

　　從NCM111到NCM523，再從NCM622到NCM811，三元正極材料一直在向高鎳化方向發(fā)展，同時，低鈷乃至無鈷逐漸成為主流。

　　在負(fù)極材料方面，目前除了石墨，硅基負(fù)極材料、鋰金屬負(fù)極材料的研發(fā)及應(yīng)用也迎來新突破。

　　在電解質(zhì)材料方面，其形態(tài)正由電解液向凝膠電解質(zhì)(半固態(tài))、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)、全固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展。

　　因此，鋰電池能量密度提升的路徑很清晰，就是正極材料+負(fù)極材料+電解質(zhì)三管齊下。

　　2021年年初蔚來公布的150kWh電池包，恰好契合這條技術(shù)升級路線。該電池包在正極、負(fù)極、電解質(zhì)等層面均有創(chuàng)新，分別應(yīng)用了超高鎳正極材料、高性能硅碳復(fù)合負(fù)極材料及固液電解質(zhì)，大幅提升車型里程。搭載該電池包的蔚來ET7續(xù)航里程將超過1000km。

　　鋰電池在動力鋰電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著電動汽車規(guī)模的快速上升，有限的鋰資源遲早會讓全行業(yè)面對危機。這才讓鈉離子電池有了可乘之機。更豐富的儲量、更好的低溫性能，鈉離子電池或許并不能取代鋰電池，但它已經(jīng)登上汽車電動化的舞臺。

　　鈉離子之后，還有更多的"×離子電池"在蠢蠢欲動。

　　放眼全球，印度電池研發(fā)公司Saturnose在2021年宣布了一個驚人的消息，其增強蝕變鋁離子電池計劃在2022年實現(xiàn)商業(yè)化，而且要取代鋰電池。據(jù)稱，這種鋁離子電池能量密度有望超過600Wh/kg，且比鋰電池技術(shù)便宜50%。

　　2021年八月，華裔美國科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)化學(xué)系教授戴宏杰的課題組發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究成果——可充電鈉/氯氣和鋰/氯氣電池，解決了一類電池半個世紀(jì)以來無法二次充電的問題。這種電池系統(tǒng)以具有高度微孔的碳材料為正極，以金屬鈉或鋰為負(fù)極，以氯氣為氧化劑，以亞硫酰氯為電解液，可存儲的電量是常見可充電鋰電池的6倍。

　　和此同時，鋰電池鈮技術(shù)、鎂電池、鋅電池、鈉硫電池等新型電池技術(shù)的研發(fā)數(shù)據(jù)也在實驗室里不斷刷新。

　　自電池發(fā)明的那天起，人類就沒有停止對電池技術(shù)的改進(jìn)。當(dāng)電池遇上汽車產(chǎn)業(yè)的百年巨變，它迎來了一個前所未有的大市場，各種動力鋰電池技術(shù)百花齊放。

　　回顧2021年，動力鋰電池領(lǐng)域熱鬧非凡：鈉離子電池橫空出世，無鈷電池量產(chǎn)裝車，硅負(fù)極電池產(chǎn)業(yè)化落地，金屬鋰電池產(chǎn)品出爐，半固態(tài)電池也開始了產(chǎn)業(yè)化試水。

　　這五大電池技術(shù)都是從材料層面進(jìn)行的創(chuàng)新。從實驗室到產(chǎn)業(yè)化，它們演繹著電化學(xué)的魅力，在被你看見之前，每一項電池技術(shù)無不經(jīng)歷了艱難的錘煉過程。誰說電池技術(shù)停滯不前?科學(xué)家可不答應(yīng)。

　　鈉離子電池

　　在20世紀(jì)70年代，人們就開始了對鈉離子電池的研發(fā)。目前，全世界有20多家公司從事鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化方面的開發(fā)。

　　因為CATL的入局，鈉離子電池成為過去一年電池行業(yè)的大熱點，走進(jìn)大眾視野。

　　2021年七月二十九日，CATL公布鈉離子電池，其正極材料采用了克容量較高的普魯士白材料，負(fù)極材料使用了具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料。

　　基于材料體系的突破，CATL第一代鈉離子電池電芯單體能量密度達(dá)160Wh/kg，略低于磷酸鐵鋰電池，但在低溫和快充方面有明顯優(yōu)勢，在零下20°C低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。未來，CATL第二代鈉離子電池能量密度將提升至200Wh/kg。

　　在制造工藝方面，鈉離子電池可以實現(xiàn)和鋰電池生產(chǎn)設(shè)備、工藝的完美兼容，產(chǎn)線可進(jìn)行快速切換，完成產(chǎn)量快速布局。目前CATL已啟動鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局，到2023年將形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。

　　除了CATL，依托中科院物理所鈉離子電池技術(shù)的中科海鈉也正在推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化。

　　2021年十二月十八日，中科海鈉和三峽能源、三峽資本及安徽省阜陽市人民政府達(dá)成合作，將共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線。該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)量5GWh，分兩期建設(shè)，一期1GWh將于2022年正式投產(chǎn)。

　　總的來說，目前鈉離子電池尚處于產(chǎn)業(yè)化初期。而長遠(yuǎn)來看，它將成為鋰電池的有益補充。

　　無鈷電池

　　鈷全球探明的儲量僅有710萬噸左右，有機構(gòu)預(yù)測在2026年后鈷資源就將供應(yīng)不足。為了降低對鈷金屬的依賴，少鈷乃至無鈷已經(jīng)是不少電池公司都在進(jìn)行的一個研發(fā)方向。

　　2021年八月二十九日，蜂巢能源宣布其無鈷電池包系統(tǒng)正式搭載長城歐拉純電SUV車型櫻桃貓，實現(xiàn)量產(chǎn)裝車。

　　從最為基礎(chǔ)的材料環(huán)節(jié)出發(fā)，蜂巢能源通過陽離子摻雜技術(shù)、單晶技術(shù)和納米網(wǎng)絡(luò)化包覆，顯著改善無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排問題以及循環(huán)壽命的問題，使無鈷材料跨過關(guān)鍵障礙，走向規(guī)模化應(yīng)用階段。

　　櫻桃貓搭載的無鈷電池包系統(tǒng)總電量82.5kWh，系統(tǒng)能源密度達(dá)170Wh/kg,支持常溫工況續(xù)航里程超600km。

　　目前，蜂巢能源無鈷電池共規(guī)劃了四款量產(chǎn)產(chǎn)品，分別是無鈷H系列115Ah電芯、155Ah電芯，HPlus系列157Ah電芯以及無鈷E系列115Ah電芯。其中無鈷H系列電芯能量密度為240Wh/kg。

　　2021年十二月十六日，蜂巢能源的無鈷電池量產(chǎn)線在馬鞍山生產(chǎn)基地投用。五年深耕無鈷電池，蜂巢能源成為全球第一家真正實現(xiàn)無鈷電池產(chǎn)業(yè)化的電池公司。

　　除了蜂巢能源，松下、LG、CATL等動力鋰電池公司也都在努力降低鈷的使用率。根據(jù)CATL的電池技術(shù)路線規(guī)劃，預(yù)計到2024年左右會推出無鈷電池。

　　硅負(fù)極電池

　　從20世紀(jì)90年代起，將硅材料應(yīng)用于鋰電池負(fù)極的研發(fā)就出現(xiàn)了。直到2014年左右，硅碳負(fù)極、硅氧負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化才得以實現(xiàn)。

　　為何要用硅作負(fù)極材料?這是因為硅材料的理論克容量高達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨材料的372mAh/g。但硅負(fù)極材料的缺點也很明顯，那就是其體積膨脹率達(dá)320%，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的石墨材料10%左右的膨脹率，這就意味著其使用壽命偏低。

　　因此，在實際應(yīng)用中，硅負(fù)極材料一般是石墨和硅的混合體。比如，2017年，松下將硅基負(fù)極應(yīng)用于TSLAModel3的電池中，就是通過在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入5%-10%的硅，使電池容量新增到550mAh/g以上，單體能量密度達(dá)300Wh/kg。

　　CATL、力神電池、國軒高科、比亞迪、比克動力、微宏動力等都在加快硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和生產(chǎn)。

　　2021年一月八日，國軒高科公布能量密度為210Wh/kg的軟包磷酸鐵鋰電芯，在磷酸鐵鋰化學(xué)體系中首次成功地應(yīng)用了硅負(fù)極材料。

　　2021年一月九日，蔚來于NIODay上宣布2022年將交付150kWh電池包，該電池包單體能量密度可達(dá)350Wh/kg，也使用了預(yù)鋰化硅碳負(fù)極。

　　2022年一月五日，廣汽埃安AIONLXPlus上市，其千里版續(xù)航達(dá)到1008km，電池包容量144.4kWh，能量密度達(dá)到205Wh/kg。該電池包應(yīng)用了廣汽集團自研的海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)。

　　海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)的原理就是：讓電池內(nèi)部的硅負(fù)極片變得像海綿相同柔軟有彈性，使硅在充放電過程中的膨脹收縮被限制和緩沖，不會碎裂;讓硅負(fù)極發(fā)揮出大容量的優(yōu)勢，像海綿吸水相同儲存更多的能量。

　　海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)由涉及正負(fù)極材料、粘結(jié)劑、電芯設(shè)計、工藝制造等一系列技術(shù)群組成，通過這些技術(shù)，動力鋰電池單體電芯在同等電量的情況下，體積能夠減小20%，重量能夠減輕14%，電池電芯能量密度可達(dá)到280Wh/kg。

　　廣汽埃安正計劃投資3.36億元建設(shè)自研電池電芯試制線，海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)有望走向規(guī)?；慨a(chǎn)。

　　此外，智己汽車首款純電智能轎車智己L7搭載的動力鋰電池，是由智己汽車和CATL采用"摻硅補鋰"技術(shù)合作研發(fā)而成的，其電芯最高能量密度可達(dá)300Wh/kg，可將車輛NEDC續(xù)航提升到1000km。

　　混合鋰金屬電池

　　在負(fù)極材料上進(jìn)行創(chuàng)新的，還有混合鋰金屬電池。

　　2021年十一月四日，鋰金屬電池制造商SES麻省固能(SolidEnergySystems)宣布，公司已經(jīng)開發(fā)出一款107Ah混合鋰金屬電池，重量為0.982kg，能量密度為417Wh/kg、935Wh/L。

　　SES混合態(tài)鋰金屬電池沿用鋰電池的正極材料，但負(fù)極材料是鋰金屬，電解液則是高濃度鋰鹽電解液。SES創(chuàng)始人兼CEO胡啟朝表示，這樣的材料改良可以解決鋰枝晶難題，"每次充電枝晶仍然形成，但是之前是非常尖的形狀，容易穿破隔膜導(dǎo)致短路，現(xiàn)在是非常平非常密的形狀，不會刺破隔膜。"

　　從制造工藝的角度來看，SES所生產(chǎn)的混合態(tài)鋰金屬電池，約有60%的制造環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池完全相同，差別重要在于負(fù)極和電解液部分。

　　SES成立于2012年，公司早期階段曾研發(fā)全固態(tài)鋰電池，但進(jìn)展并不順利，后決定轉(zhuǎn)換技術(shù)路線至混合鋰金屬電池。

　　SES已經(jīng)和通用汽車和現(xiàn)代汽車展開合作，計劃2022年推出車用級鋰金屬電池A樣品，并在2025年正式開啟鋰金屬電池的商業(yè)化量產(chǎn)。

　　目前，SES正在上海嘉定國際汽車城建設(shè)動力鋰電池超級廠，總面積達(dá)30000平方米，計劃于2023年竣工，建成后的產(chǎn)量將達(dá)到1GWh。

　　半固態(tài)電池

　　和液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電池用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，在能量密度和安全性方面均有提升。

　　不過，固態(tài)鋰電池的技術(shù)路線并不是一步到位的，而是從半固態(tài)到準(zhǔn)固態(tài)再到全固態(tài)，這三個階段液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比分別為<10%、<5%、0。目前，介于液態(tài)鋰電池和全固態(tài)鋰電池之間的固液混合電池，即半固態(tài)鋰電池，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化試水。

　　2021年十二月十日，首批搭載贛鋒鋰電混合固液鋰電池的東風(fēng)E70電動汽車在江西新余試車成功。這是半固態(tài)電池在國內(nèi)純電動汽車中首次實現(xiàn)裝車。

　　東風(fēng)E70搭載的是贛鋒鋰電第一代固態(tài)電池，該款混合固液鋰電池采用氧化物電解質(zhì)和柔性固態(tài)隔膜，模組采用鋁合金框架+上下高精度拼縫激光焊接技術(shù)，整體成組率為86%以上，能量密度在260Wh/kg左右。

　　國軒高科為國內(nèi)高端純電動汽車配套半固態(tài)電池實現(xiàn)了續(xù)航里程超1000km。目前其半固態(tài)電池在性能方面能夠做到610Wh/L、300Wh/kg、循環(huán)1000次的程度。

　　蜂巢能源在半固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)方面也有了突破，基于凝膠電解液研發(fā)了果凍電池。它具有高電導(dǎo)、自愈合、阻燃等特點，能在幾乎不降低電性能的同時阻止熱擴散，耐熱溫度提高到150°C。

　　孚能科技的半固態(tài)電池在2021年已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，預(yù)計2023-2025年導(dǎo)入第二代，2027年左右導(dǎo)入第三代。

　　衛(wèi)藍(lán)新能源針對車用領(lǐng)域推出的固液混合電池，能量密度已達(dá)到270Wh/kg，預(yù)計2022年下半年可以為客戶供應(yīng)批量驗證。

　　目前，業(yè)內(nèi)的普遍共識是，固態(tài)電池在電動汽車上的應(yīng)用要在2030年以后，而在此之前，半固態(tài)電池會快速發(fā)展并成為主流。

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