文丨李梓楠 寧德時(shí)代周三上午向動(dòng)力電池和新能源汽車行業(yè)拋出一個(gè)驚人數(shù)字——500 Wh/kg。這是寧德時(shí)代剛發(fā)布的凝聚態(tài)電池的能量密度，它比量產(chǎn)的汽車動(dòng)力電池高出一大截。 這突破了行業(yè)認(rèn)知。鋰電池能量密度從 100 Wh/kg 提升至 300 Wh/kg，用了三十年。多位電池公司高管曾向《晚點(diǎn) LatePost》表示，目前技術(shù)框架下，鋰電池能量密度極限約為 300 Wh/kg。量產(chǎn)鋰電池能量密度五年內(nèi)不會(huì)突破 400 Wh/kg。 能量密度直接決定電池續(xù)航里程。在同樣重量、體積下，能量密度越高，電量越高。不斷提升能量密度是電池技術(shù)進(jìn)化的長(zhǎng)期目標(biāo)，就像每一代新芯片，都追求在同等面積內(nèi)容納更多晶體管、提供更多算力。 在汽車之外，凝聚態(tài)電池的高能量密度還打開(kāi)了一個(gè)新市場(chǎng)，寧德時(shí)代設(shè)想的未來(lái)之一是，把鋰電池裝到民航客機(jī)上，讓現(xiàn)在燒油的波音、空客大飛機(jī)變成電動(dòng)的。 特斯拉 CEO 馬斯克曾說(shuō)，只要電池能量密度能超過(guò) 450 Wh/kg ，做到用更輕的電池提供更多電力，電動(dòng)客機(jī)就能成立。 一位寧德時(shí)代技術(shù)高層解釋，馬斯克說(shuō)的 450 Wh/kg 是指整個(gè)電池包的能量密度，寧德時(shí)代凝聚態(tài)電池的 500 Wh/kg 是指單體電芯，集成電池管理系統(tǒng)后，總體能量密度會(huì)低于 450 Wh/kg，“但已十分接近”。 寧德時(shí)代的首席技術(shù)官吳凱在發(fā)布會(huì)上稱，寧德時(shí)代已在與民用飛機(jī)領(lǐng)域公司合作開(kāi)發(fā)電動(dòng)飛機(jī)。汽車上的凝聚態(tài)電池可能更快落地，吳凱稱，寧德時(shí)代會(huì)在今年底前形成量產(chǎn)凝聚態(tài)的汽車電池的能力。 小眾路線做出驚人產(chǎn)品 寧德時(shí)代凝聚態(tài)電池的關(guān)鍵創(chuàng)新在于更新了電池中的電解質(zhì)，凝聚態(tài)即指電解質(zhì)形態(tài)。 包括鋰離子、鈉離子在內(nèi)，所有金屬離子電池都主要由正極、負(fù)極和電解質(zhì)構(gòu)成。金屬離子以電解質(zhì)為媒介，在正負(fù)極間穿梭完成充放電，這是電池的工作原理。 現(xiàn)在量產(chǎn)的鋰電池中使用的是液態(tài)電解質(zhì)，即電解液，因而它也被稱為 “液態(tài)鋰電池”。綜合多位從業(yè)者的推測(cè)，寧德時(shí)代的凝聚態(tài)電池使用了一種狀如果凍或凝膠的電解質(zhì)。 據(jù)寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱的介紹，凝聚態(tài)電池也對(duì)正極、負(fù)極和隔膜做了升級(jí)，他未透露更具體的材料、技術(shù)信息。 一位在車企的正極研發(fā)人士根據(jù) 500 Wh/kg 的能量密度推測(cè)，寧德時(shí)代可能采用了富鋰錳基正極和鋰合金負(fù)極，以及更薄的隔膜，這讓電池的直接材料成本較現(xiàn)有方案貴了約 30%，但如果能量密度相應(yīng)提升，則單位電量成本不會(huì)顯著上升。 一位寧德時(shí)代人士稱，供應(yīng)車企的凝聚態(tài)電池大概率不會(huì)采用 500Wh/kg 版本的正負(fù)極材料：“目前 500Wh/kg 的方案至少能做到 1000 次的充放電循環(huán)，但這對(duì)汽車來(lái)說(shuō)還是太少了，使用壽命不夠，所以上車的凝聚態(tài)電池方案會(huì)適當(dāng)降低能量密度，提升壽命?！?/span> 相比被討論已久的 “固態(tài)電池” 和 “半固態(tài)電池”，寧德時(shí)代此次發(fā)布的凝聚態(tài)電池是一個(gè)更小眾的技術(shù)路線。除寧德時(shí)代外，主要電池公司中，據(jù)公開(kāi)信息只有韓國(guó)三星 SDI 布局過(guò)類似技術(shù)。 和 “凝聚態(tài)” 一樣，固態(tài)、半固態(tài)也是指電池中電解質(zhì)的形態(tài)。這些新方案之所以被持續(xù)研究，是因?yàn)楫?dāng)前主流的液態(tài)鋰電池仍不夠令人滿意。 理想狀態(tài)下，汽車電池需要同時(shí)滿足安全、便宜、續(xù)航里程長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)、充電速度快等要求，但常常不能兼得：能量密度高了，安全性就會(huì)下降，成本也可能升高；充電速度快了，壽命就會(huì)變短。 液態(tài)電解質(zhì)即是當(dāng)前電池安全隱患的根源之一。電解液是易燃物，如泄漏可能自燃。 沿著改進(jìn)電解質(zhì)的方向，全固態(tài)電解質(zhì)被認(rèn)為是一個(gè)最接近完美的方案。它安全性更高，因此能在整個(gè)電池中使用能量密度更高，但更活躍、危險(xiǎn)的正負(fù)極材料，如鋰金屬負(fù)極。在目前的液體鋰電池結(jié)構(gòu)中，負(fù)極是石墨。固態(tài)電池的理論能量密度能突破 700 Wh/kg，是目前汽車電池的兩倍多。 但全固態(tài)電池的量產(chǎn)很難實(shí)現(xiàn)，在這一方向持續(xù)投入近 30 年的豐田汽車仍未量產(chǎn)全固態(tài)電池，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群也曾說(shuō)全固態(tài)電池在 2035 年前不會(huì)產(chǎn)業(yè)化。 量產(chǎn)的關(guān)鍵難點(diǎn)是，固體電解質(zhì)與固態(tài)正負(fù)極接觸時(shí)不夠緊密，這會(huì)阻礙離子在正負(fù)極間的運(yùn)動(dòng)。 一個(gè)過(guò)渡路線——半固態(tài)電池由此進(jìn)入行業(yè)視野。它使用了固液混合的電解質(zhì)，比如將固態(tài)電解質(zhì)浸泡在液態(tài)電解質(zhì)之中，以提升正負(fù)極、電解質(zhì)接觸的緊密性，解決離子在正負(fù)極間的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。 國(guó)軒高科、贛鋒鋰業(yè)等鋰電池公司，和衛(wèi)藍(lán)等創(chuàng)業(yè)公司都在開(kāi)發(fā)半固態(tài)電池。而接近寧德時(shí)代的人士告訴《晚點(diǎn) LatePost》，寧德時(shí)代并不看好半固態(tài)電池路線，因?yàn)殡姵刂羞€是有易燃液體，還是沒(méi)有解決安全性問(wèn)題。 凝聚態(tài)電池的電解質(zhì)，則既不是固態(tài)的，也不是固液混合的，而是一種凝膠物質(zhì)?！八鼜奈锢砩现v是固體，但又保留了一些液體特性。這能部分解決固體與固體間接觸不緊密的問(wèn)題?！?一位電解液公司高層解釋。 在到達(dá)固態(tài)這一設(shè)想中的終極方案途中，寧德時(shí)代在更少人走的凝聚態(tài)路線上取得了突破。 一位在車企的電池材料研發(fā)人士認(rèn)為，寧德時(shí)代要能在凝聚態(tài)電池中使用這些新材料，不光得解決工程、工藝難題，還需要攻克一些基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。他認(rèn)為凝聚態(tài)電池的規(guī)模量產(chǎn)，“還需要一些時(shí)間”。 在飛機(jī)動(dòng)力電池領(lǐng)域，凝聚態(tài)電池仍面臨考驗(yàn)。飛機(jī)要求電池能以更大功率穩(wěn)定輸出能量。飛機(jī)對(duì)安全性的要求比汽車更高，且有更多復(fù)雜工況，寧德時(shí)代與民航領(lǐng)域公司合作開(kāi)發(fā)的電動(dòng)飛機(jī)仍處于研發(fā)階段，暫未有明確量產(chǎn)、商用時(shí)間表。  “飛機(jī)上連一個(gè)大容量充電寶都不讓帶，更何況裝這么多鋰電池，這不僅僅是一個(gè)技術(shù)難題，還涉及標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)變化?！?一位電池從業(yè)者說(shuō)。 但電動(dòng)飛機(jī)本身是一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)。全球目前保有超 2.5 萬(wàn)架民航飛機(jī)，高昂的燃油成本使航空公司尋找新的動(dòng)力方案。航空燃油價(jià)格目前超過(guò) 5000 元 / 噸，一架波音 747 從北京飛到上海會(huì)燒掉近 4 萬(wàn)元燃油。電動(dòng)化可能降低民航飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。 另一個(gè)還在興起的新市場(chǎng)是城市空中交通，這是對(duì)日益擁堵的城市地面交通的補(bǔ)充。一批公司已在開(kāi)發(fā)用于城市空中交通的 “飛行汽車”，它就像大號(hào)無(wú)人機(jī)，可垂直起降，可載人。這類飛行器比民航大客機(jī)更輕，它本身就使用電池。不過(guò)目前的電池方案還不夠成熟，續(xù)航、成本和安全性都需要繼續(xù)優(yōu)化。寧德時(shí)代的凝聚態(tài)新產(chǎn)品在這一市場(chǎng)也有用武之地。據(jù)摩根士丹利預(yù)測(cè)，2040 年，全球城市空中交通的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 1 萬(wàn)億美元。 動(dòng)力電池的 “平臺(tái)化” 時(shí)刻 寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱稱凝聚態(tài)電池是開(kāi)啟寧德時(shí)代下一輪創(chuàng)新的里程碑。 一位寧德人士告訴《晚點(diǎn) LatePost》，接下來(lái)，寧德時(shí)代可以用凝聚態(tài)電解質(zhì)作為固定模塊，在此基礎(chǔ)上做出多種適配的正極、負(fù)極，給車企更多選擇。 這帶來(lái)了一種平臺(tái)化開(kāi)發(fā)電池的方式。之前從頭開(kāi)發(fā)一款新的鋰電池，從驗(yàn)證完方案可行性到實(shí)際量產(chǎn)需要 2 年-3 年時(shí)間，經(jīng)歷多輪測(cè)試，在裝車前還需要走完車企的 A、B、C 三個(gè)樣品驗(yàn)證流程，其中，A 樣是單個(gè)電芯測(cè)試，B 樣是電池模組測(cè)試，C 樣是裝車測(cè)試。 每款新電池會(huì)采用不同的材料配方。多數(shù)時(shí)候，電池公司要從頭開(kāi)始走完材料開(kāi)發(fā)、可行性驗(yàn)證和產(chǎn)品驗(yàn)證流程。 而凝聚態(tài)電池電解質(zhì)是一個(gè)一定周期內(nèi)相對(duì)固定的材料基礎(chǔ)，它相比液態(tài)電解質(zhì)能支持更多樣的正負(fù)極材料，主要優(yōu)勢(shì)是有更好的安全性。寧德時(shí)代在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的電池時(shí)，會(huì)省去一些電解液開(kāi)發(fā)、測(cè)試流程，也可能提升正負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)、測(cè)試效率。前述電解液公司人士預(yù)測(cè)，這能減少約三分之一的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、測(cè)試時(shí)間。 這與 1980 年代，大眾汽車探索出來(lái)的平臺(tái)化和模塊化汽車開(kāi)發(fā)思路類似。平臺(tái)化造車的精髓是讓不同車型共用同一個(gè)平臺(tái)，從而共用主要零部件，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高采購(gòu)規(guī)模，壓低采購(gòu)價(jià)格，使車企以更低成本、更短周期推出更多適合不同細(xì)分人群的產(chǎn)品?！捌脚_(tái)化” 造車后來(lái)被整個(gè)汽車行業(yè)模仿、學(xué)習(xí)，成為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 借由凝聚態(tài)電池，寧德時(shí)代會(huì)進(jìn)一步提升自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，來(lái)到電池行業(yè)的 “平臺(tái)化” 時(shí)刻。 凝聚態(tài)電池的誕生過(guò)程，也是寧德時(shí)代過(guò)去已建立的規(guī)模化研發(fā)能力的體現(xiàn)。在發(fā)布會(huì)后，一位寧德時(shí)代技術(shù)管理層解釋了寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)新一代產(chǎn)品的過(guò)程：在開(kāi)發(fā)初期，寧德時(shí)代會(huì)同時(shí)提出數(shù)百個(gè)技術(shù)方案，不同方案間有材料或結(jié)構(gòu)差異，然后并行做測(cè)試。隨著測(cè)試和驗(yàn)證推進(jìn)，每經(jīng)歷一輪測(cè)試，被篩下來(lái)的方案就越少。到最后確定制造流程前，寧德時(shí)代會(huì)凍結(jié)研發(fā)，迭代出一個(gè)最終確定方案。 “同時(shí)測(cè)試、開(kāi)發(fā)更多的解決方案，這些方案可能當(dāng)時(shí)無(wú)法完全落地，但其中有一些成果可以沉淀下來(lái)，在其它產(chǎn)品或之后的產(chǎn)品中發(fā)揮價(jià)值?！?這位寧德時(shí)代人士說(shuō)。 寧德時(shí)代去年的研發(fā)投入超過(guò) 150 億元，是中國(guó)第四大電池公司國(guó)軒高科的 7.5 倍?！锻睃c(diǎn) LatePost》了解到，寧德時(shí)代有超過(guò) 4 萬(wàn)個(gè)電芯測(cè)試通道，而部分二線電池公司不到 1 萬(wàn)個(gè)。這讓寧德時(shí)代能同時(shí)測(cè)試更多電池，收集更多數(shù)據(jù)，找到更好的解決方案。 除了資源和設(shè)施規(guī)模帶來(lái)的研發(fā)規(guī)模外，引入更多前沿技術(shù)也在幫助寧德時(shí)代提升研發(fā)效率和效果。 寧德時(shí)代從 2019 年起，開(kāi)始采用高通量計(jì)算平臺(tái)和模擬仿真的技術(shù)來(lái)研發(fā)材料與制造工藝。電池材料研發(fā)此前面臨的困境是，只有靠做實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證材料性能，成本高、周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)量也受限。 仿真則可在不進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情況下預(yù)測(cè)結(jié)果，以幫助篩選更好的方案，加速實(shí)驗(yàn)過(guò)程，擴(kuò)大材料嘗試范圍。仿真模擬還可以更高效地發(fā)現(xiàn)材料的問(wèn)題，并幫助定位這是工程問(wèn)題還是基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，短期內(nèi)是否可解?！安牧涎邪l(fā)就像挖井，原本是你一直挖，不知道下面有沒(méi)有水，有了模擬之后，你挖到一定程度就知道有沒(méi)有水了，能節(jié)省更多時(shí)間。” 上述寧德時(shí)代技術(shù)管理層說(shuō)。 他透露，寧德時(shí)代從 2011 年起就在研發(fā)類似 M3P（磷酸鐵鋰電池的改良版） 電池的技術(shù)，但前 8 年進(jìn)展緩慢，2019 年使用仿真模擬技術(shù)后，開(kāi)發(fā)速度加快，之后兩年內(nèi)完成了研發(fā)。 2020 年起，寧德時(shí)代還開(kāi)始建立 AI 能力，它不僅可以提升生產(chǎn)過(guò)程的智能化和自動(dòng)化程度，也能做一些材料性能預(yù)測(cè)、新材料發(fā)現(xiàn)的工作。“未來(lái)電池技術(shù)研發(fā)速度的增量絕大部分來(lái)自于 AI 技術(shù)?！?上述寧德時(shí)代技術(shù)管理層說(shuō)。 研發(fā)的規(guī)模效應(yīng)能幫助寧德時(shí)代維持并擴(kuò)大已有市場(chǎng)中的產(chǎn)品和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也會(huì)增加寧德時(shí)代在一些快速增長(zhǎng)或剛剛興起的新市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，如儲(chǔ)能電池和電動(dòng)飛機(jī)與船舶。 短期內(nèi)，寧德時(shí)代和所有動(dòng)力電池同行的共同壓力還是在于電動(dòng)車市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)放緩。在中國(guó)賣出最多電動(dòng)車的公司，比亞迪，偏偏不使用外供電池，它也有多年的電池研發(fā)、制造經(jīng)驗(yàn)。今年一季度，比亞迪賣出超 55 萬(wàn)臺(tái)電動(dòng)車（包含混動(dòng)），電動(dòng)車市占率已達(dá) 35%。 寧德時(shí)代與比亞迪的競(jìng)爭(zhēng)，不是簡(jiǎn)單的產(chǎn)品、技術(shù)領(lǐng)先性和成本控制能力的競(jìng)爭(zhēng)。寧德時(shí)代會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入 “有力使不出” 的處境，拿出遠(yuǎn)超市場(chǎng)一般水平的產(chǎn)品，以此撬動(dòng)一些汽車之外的大市場(chǎng)，是破局方法之一。 |
|
|
