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)團隊擴充至超 1000 人。
寧德時代目前主攻硫化物路線，在近期已進入 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，進入生產(chǎn)技術(shù)探索階段。
今年 4 月，寧德時代首席科學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)電池性能驗證平臺，且在全固態(tài)電池的正負極材料、工藝和制造設(shè)備上都有技術(shù)進展。
如今寧德時代進一步進入 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驗次數(shù)來有效推進。
寧德時代董事長曾毓群將固態(tài)電池研發(fā)進度分為 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 ，目標是在 2027 年提高到 7-8 級，實現(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。“1000 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)算幾個億的實驗室都建不起來。” 一位從業(yè)者說。
從跟隨到押注，從沒有目標到 2027 年量產(chǎn)
能量密度是電池最重要的性能指標，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，讓鋰電池足以進入更多領(lǐng)域，創(chuàng)造更大的商業(yè)機會，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、智能手機使用的液態(tài)鋰電池的改進空間已相對有限：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，永遠不會有電動載人客機飛上天--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，電動載人客機的設(shè)想才成立。
固態(tài)電池成為行業(yè)公認的鋰電池未來形態(tài)。
電池的主要組成部分是電解質(zhì)和正負極，靠鋰離子在正負極之間的移動穿梭來充電、放電，達到儲能、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、但化學性狀更危險的鋰金屬充當負極（目前負極材料為石墨），用含鋰量更高的高鎳三元材料充當正極，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。
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。當時，寧德時代邀請在美國橡樹嶺實驗室（成立于 1943 年，曾參與曼哈頓計劃，是全球最頂尖的材料化學實驗室之一）工作 10 年的梁成都加入寧德時代擔任研發(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)項目組。
但一位接近寧德時代的人士稱，梁成都當時手下只有不到 100 人負責全固態(tài)電池的研發(fā)，寧德時代對他們的定位是 “搞清楚最前沿的實驗室和公司的技術(shù)進展，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，我也很難說得準確。”
但今年 3 月，寧德時代首席科學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)界原本認為的固態(tài)電池。
與他們相比，電池業(yè)界普遍認為寧德時代的時間表更靠譜，更符合實際。
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，寧德時代引進了幾十個固態(tài)電池初創(chuàng)公司和中國科學院背景的技術(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)團隊在固態(tài)電池方面的工作情況，他了解所有的技術(shù)進展。一位該團隊的工程師和我們說，曾毓群今年初鼓勵團隊稱，“有好事不用找我，有壞事找我，我給你們解決。”
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)補貼超過 60 億元，但其中部分資金需要企業(yè)的研發(fā)項目取得進展后到位。工信部的目標是 2027 年實現(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。聚合物電解質(zhì)需要加熱到 60℃才可以獲得足夠的導電率，難以在普通工況使用；氧化物電解質(zhì)導電率低；硫化物電解質(zhì)中的鋰離子導電率跟液態(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極浸泡在液態(tài)電解質(zhì)中，電解質(zhì)與正負極的接觸幾乎沒有縫隙；而固態(tài)電池則是把正負極放在粉末壓制成的固態(tài)電解質(zhì)中，正負極與固態(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極擠壞變形。
在正負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)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生有毒氣體并降低電池導電率。硫化物極強的化學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，在正負極、電解質(zhì)制造環(huán)節(jié)都無法復用現(xiàn)有的成熟工藝，需要重新發(fā)明多項工藝。
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，即導電率。
為了讓固態(tài)電解質(zhì)與固體正負極接觸更緊密，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）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。
“這相當于在電池里塞入 ‘海綿’，當四周的壓力變化后，讓這個海綿去填滿空隙，這個材料必須非常講究，得有很強的柔性，又得是良好的電導體。” 前述人士說。
此外，通過對硫化物電解質(zhì)的改進，寧德時代現(xiàn)在能讓電解質(zhì)在 -40℃ 露點（衡量環(huán)境干燥度的指標）的環(huán)境中保持穩(wěn)定，此前業(yè)界普遍只能在 -60℃ 露點的環(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℃ 露點的干燥度與芯片制造的超凈間相當。而 -60℃ 露點的干燥度基本等同于火星表面。
除了對材料的改進，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)負責人對我們評價稱，依照過去的經(jīng)驗，如果不計成本，寧德時代很有可能可以在 2027 年內(nèi)實現(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。
