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固态电池会成为新能源汽车的“拯救者”吗?

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经济观察网 记者 李靖恒 新能源汽车产销量逆市增长。

1月14日,工信部公布了《2020年12月汽车工业经济运行情况》。该报告显示,去年全年新能源汽车产销分别完成136.6万辆和136.7万辆,同比分别增长7.5%和10.9%。其中,纯电动车分别完成110.5万辆和111.5万辆,同比分别增长5.4%和11.6%。在总体汽车产销数据下滑的情况下,新能源汽车市场仍然保持了较高增速。

在资本市场上,新能源汽车制造商的股票也备受追捧,新能源汽车的前景似乎无限光明。然而制约新能源汽车推广最关键的电池续航问题却一直存在。

更令人担忧的是,尽管很多厂商接连声称能够研发和生产续航里程更远的电动车,但现在主流的电动车锂电池的续航里程似乎已经临近某个极限。

固态电池渐行渐近?

电动车最大的技术瓶颈是电池容量问题。在同样重量下,决定电池容量的是电池系统的能量密度。其中,核心是电芯(电池系统的最小单:M个电芯组成一个模组,N个模组组成一个电池包)的能量密度。算上电池系统其它的部件,整个电池系统的能量密度会低于单体芯片的能量密度。

在《中国制造2025》中,曾提出了动力电池的发展规划:2020年,电池能量密度达到300Wh/kg;2025年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030年,电池能量密度达到500Wh/kg(这里的密度指的是单体电芯的能量密度)。

然而,作为国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组专家成员,肖成伟早在“2018中国新能源动力电池暨储能产业大会”新闻发布会上就曾表示:“按照国家动力电池技术路线图的规划,2020年锂离子电池的单体能量密度目标为350Wh/kg,从目前的动力电池技术来看,这一目标可能无法达到。”

他当时给出的理由是:“三元锂离子动力电池目前已经可以看到能量密度的“天花板”,目前的高镍材料、碳硅负极的锂电池,单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右,正负不超过20Wh/kg,所以依靠三元材料锂离子电池完成350Wh/kg的技术路线规划目标,应该是不可能了。”

关于电池技术未来发展,肖成伟当时进一步表示:“未来想要达到350Wh/kg的技术路线规划目标,可能还需要寄希望于新一代锂离子电池或者固态电池,但是目前这两类动力电池都没有产业化应用的阶段。”

传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。

近期,在1月9日于成都举行的 NIO Day2020上,蔚来宣布首款轿车 ET7正式启动预售。蔚来此次还推出了150度(kW·h)电池包,蔚来创始人李斌表示:“我们采用最先进的量产固态电池技术,实现了360 Wh/kg的超高能量密度,续航将超过1000Km。”

据李斌介绍,电池采用了 “原位固化固液电解质”、“无机预锂化硅碳负极”、“纳米级包覆超高镍正极”新工艺,实现50%的能量密度提升,预计在2022年四季度开始交付。相比之下,特斯拉Model 3参数图片)的电池容量为76.8 kW·h,续航里程为668 km;小鹏P7的电池容量为80.9 kW·h,续航达到706km。

李斌还宣称:“固态电池一直没有量产的机会,蔚来的商业模式让我们可以保证固态电池启动量产所必须的量,所以我们推动固态电池技术量产的动力比别人大得多。固态电池车用级规模的量产需要有人去启动它,我们全面评估后认为能做到量产。相信蔚来可以把整个行业量产的时间至少提早1—2年。”

对此,国信证券在1月10日发表的研究报告《蔚来 NIOET7发布,固态电池渐行渐近》中指出:“固态电池与传统锂电池相比最大的区别在于利用固态电解质体系代替了目前的隔膜电解液体系,其优点在于安全性高,无自燃、爆炸风险,同时能量密度显著高于传统锂电池。目前现有锂离子电池体系能量密度上限约为400Wh/kg,后续能量密度提升仍将依赖于正负极材料体系升级,然而在目前的隔膜电解液电池体系中,虽然金属锂负极能量密度是石墨负极的10倍以上,但会产生锂枝晶影响安全性,而固态电解质能够抑制锂枝晶的生长,因此理论上全固态电池可达到500Wh/kg 以上的能量密度。当然,目前固态电池仍有不少缺陷,固态电解质电导率比电解液低10倍以上,快充性能不佳,以及制备工艺复杂、成本较高。”

蔚来的发布会之后,市场上一石激起千层浪。市场担忧原来生产传统液态锂电池原材料的企业会在未来面临淘汰的风险。例如,生产锂电池隔膜、电解液的龙头企业恩捷股份(002812.SZ)、中材科技(002080.SZ)、石大胜华(603026.SH)、天赐材料(002709.SZ)、新宙邦(300037.SZ)等公司的股价在发布会之后的两个交易日都出现了连续大幅下跌。

然而,中银证券在1月12日发表的《锂电设备行业点评》报告中认为,固态电池技术对锂电池生产工艺和设备影响较为有限:“从固态电池的构成和生产过程来看,对正极材料、负极材料影响较小;对隔膜、电解液的影响较大,其中完全的固态电池并不需要隔膜,而电解质也从液态变为固态;对设备影响较小,除注液机等个别设备外,整体与液态锂电池对设备的需求基本一致,不过从液态电池到固态电池的转变可能会导致方形、圆柱和软包三种电池占比发生变化,进而影响设备的需求。目前,锂电设备行业龙头对固态电池均有布局,与相关公司密切合作。”

此外,该研究报告还认为:“电池技术路线的迭代升级有利于设备需求的增加、行业格局优化。本质上,固态电池是锂电池技术迭代升级的一种体现。电池技术路线的每一次重大升级都会造成原有设备无法适应新产品生产对良率、一致性和效率的要求,导致设备更新换代的周期进一步缩短。以后段工序为例,固态电池对充放电设备的电流、电压等都提出了更高的要求。同时,类似于特斯拉4680电池、固态电池等电池技术的不断迭代升级也要求锂电设备厂商在客户、资金和研发等方面具有充足的储备,在这个过程中,中小厂商的生存压力逐渐变大,预计设备更新换代的过程中行业供给进一步出清,龙头市场份额提升,锂电设备竞争格局仍将持续优化。”

大规模量产尚需时日

当然,并不是所有人都认为李斌所宣传的“固态电池”能很快实现商业化量产。有很多专家和分析人士都此都提出了质疑。

在蔚来发布会之后不久,国联汽车动力电池研究院董事长熊柏青在接受央视采访时表示:“全固态电池现在距商业化还很远,现在甚至做个演示都还很困难。10年内完全攻克全固态难度挺大,反正至少这5年没戏了,我们也做这东西。” 合肥国轩高科工程研究院常务副院长在接受采访时也表示:“现在很多厂商都在布局这种固态电池的研发,大规模的应该要到2025年。现在的这种产业链10年之内都不会有太大变化。”

面对质疑,李斌后来又对媒体解释到,2022年量产的固态电池准确来说是“半固态电池”。他强调,目前蔚来采用的并非全固态电池,还是带有液体(电解质),全固态电池的量产还是很远的事情。另外,他表示不方便透露电池供应商具体是哪家公司。

国信证券的研究报告也进一步指出:“由于全固态电池仍有不少难题需要攻克,大部分电池企业在研发固态电池时,都退而求其次,先加快半固态电池的产品研发速度,半固态锂电池就是电池中任一侧电极不含电解液。目前固体电池仍处于相当实验室-中试阶段,其成本相较于液态电池仍不具备可比性。但伴随后续规模化生产以及工艺改进(辉能双极电池包架构),其成本有望迅速降低,根据辉能公布的数据显示在电芯产能达到20GWh的时候,虽然电芯成本依然是相同能量密度的液态电芯的1.1倍,但电池包成本只有98%;而如果采用 MAB,电池包成本仅有同类别液态电池的7成。”

但是,相关的电池生产厂商指出,即使是半固态的电池也远没有达到大规模商业化的程度。1月15日,生产锂电池材料的的天赐材料(002709.SZ)在深交所互动平台表示:“从相关的报道和技术文件分析,蔚来宣称的半固态锂电池材料体系与现今锂电池并无根本性变化;根据目前固态电池研究进展,半固态以及真正的全固态电池商用化均还有很长一段距离要走,公司目前已开展全固态电池用固态电解质的研究,且已有专利布局。”

事实上,固态电池被炒热已经不是第一次了。在饱受电池续航里程制约之苦的新能源汽车行业里,许诺能够大幅提高续航里程的企业往往能立刻获得高度关注。

在去年12月8日,美国QuantumScape公司公布了最新固态电池技术,宣称这种固态电池能将电动汽车的续航里程提高80%,并能在15分钟内充满80%的电量,将于2024年投入生产。然而,许多专家在之后纷纷对此提出质疑。美国国家实验室电池中心主任文凯特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)当时认为:“最大的问题是QuantumScape在实验室中使用的处理方法是否可以在工厂环境下工作。” 马里兰大学化学和生物分子工程助理教授保罗·艾伯特斯更是尖锐地指出:“许多公司都曾过早宣称电池取得突破,人们失望太多次了,于是对任何新电池都会起疑。”

甚至早在2016年11月份,珈伟股份(现在的珈伟新能(300317.SZ))就在上海举办了“全球首例固态锂电池与快充电池发布会”。在发布会上,公司详细介绍了固态锂电池技术,并进行了安全性能演示。当时,公司的副董事长、总裁李雳介绍:“公司目前的固态锂电池包括凝胶聚合物电池和全固态电池,在电池密度上可达到400wh/kg至600wh/kg;目前,公司产品已实现小批量生产,预计2017年底或2018年初实现大规模量产。”

为什么这些企业热衷于在固态电池上做文章呢?华安证券新能源与汽车研究组负责人陈晓团队在1月11日发表行业研报《引领“蔚来”,不止于销量》中提出:“尽管研发历史悠久且困难重重,但由于固态电池出色的安全性能和高能量密度的潜力,仍在世界范围内被各种研究机构及企业广泛研究。另外,固态电池已经成为部分非传统电池企业进军锂电行业的重要突破口。”

国信证券的研究报告大致总结了一下目前固态电池在国内外的产业化状况:“国际车企以丰田、日产雷诺、通用等车企都在主导加紧固态电池的研发与产业化布局,而三星 SDI、SKI、LG 化学、麻省固能、Quantum Scape 等电池企业在固态电池领域不断取得新突破。国内方面,包括辉能科技、赣锋锂业、清陶能源、万向一二三、卫蓝新能源等中国企业,都在建设固态电池产线甚至部分已投产。”

然而,至于固态电池到底何时能实现量产,陈晓团队的研究报告并不乐观:“相比于新入局者的信誓旦旦,传统动力电池厂家如比亚迪、宁德时代等较为低调,虽早有布局但鲜有消息放出。而此前爆出的诸多关于固态电池的量产计划,大都不达预期或不了了之;一方面是技术本身发展缓慢,另一方面成本也极其高昂。我们不否认固态电池是未来趋势,但认为技术发展缓慢,近期的项目或车型示范效果居多,对于真正大规模化量产的进度持谨慎态度。”

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