新能源汽车已经成为造富的机器。根据胡润最新发布的2020世界500强榜单,价值增长最快的前三家公司均来自中国,其中有两家分别是蔚来、小鹏。具体来看,蔚来的价值增长了23倍,达到4039亿元;小鹏汽车的价值增长了9倍,达到2488亿元。除了中国的蔚来和小鹏,新能源车巨头特斯拉的价值也增长了8倍,以3.6万亿元的总价值排名全球第九。

1月9日,国内造车新势力头部企业之一的蔚来汽车在其举办的“2020 NIODAYS”活动上发布了旗下首款纯电动轿车——蔚来eT7。除了发布新车外,蔚来汽车还发布了一款单体能量密度达360Wh/kg的150kWh固态电池包产品,并宣布将于2022年四季度将该款固态电池装配到旗下的量产车上。消息一出,引发市场热议。

什么是固态电池

《每日财报》注意到,蔚来发布新电池之后,A股的电解液、隔膜企业股价均出现大幅下跌,究竟是为什么呢?这还要从两种电池的本质说起。

传统的锂电池由正极、负极、电解液和隔膜组成,其工作原理是锂离子在正负极之间往返脱嵌导致外电路电子定向移动形成电流,而电解液就是锂离子电池的“血液”。电解液由溶剂、高纯溶质和高纯添加剂按照一定的比例配制而成,质量占比分别为83%/12%/5%,目前电解液基本的组成体系已经比较成熟,主溶质以六氟磷酸锂为主,主溶剂以碳酸酯类产品为主,新型锂盐和添加剂仍存在较大变化。虽然新型锂盐和新型溶剂已经得到部分应用,但是由于其自身存在各种缺陷,还无法完全取代六氟磷酸锂和碳酸酯类溶剂,只能作为辅助产品来使用,实际上仍可以看作是添加剂。

固态电池和传统锂电池最显著的区别在于电池内部的电解质的物理形态。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同,固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池,其并不需要锂电隔膜与电解液。这也就是为什么这些领域的公司在蔚来发布新电池之后股价大跌,固态电池的核心是固体电解质,目前有三大技术路径:聚合物、硫化物和氧化物全固态电池。

不过需要注意的是,固态电池并非新出现的概念,早在1978年Michel Armand首次报道了固态金属锂电池的相关研究,随后40年内固态锂电池被全球广泛研究。固体电解质离子电导率低,界面相容性差等技术瓶颈制约了商业化进程,全固态锂电池的研究停滞于20世纪末,2007年开始,全固态锂电池的研究开发复苏。

2019年末发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》首次将固态电池上升到了国家层面,提出了加强固态电池研发和产业化进程的要求。但直到现在固态电池也没能实现商业化,根本原因是固态电池的技术瓶颈尚未攻克,因此只能先用半固态电池。也就是在液态电解液中添加了固态电解质的成分,保留了以前的电解液和隔膜,同时添加固态电解质的成分。固态电池的商用路径需要从半固态逐渐过渡到全固态电池,蔚来汽车此次发布的电池也是半固态电池。

最后,成本问题是固态电池技术商业化的最大挑战,从本质上讲,续航里程与使用成本(整车与更换电池成本)目前仍是电动车的薄弱环节,任何新技术的成功都必须同时解决这两大问题。据推算,同样采用石墨负极的固态电池总成本为158.8$/kWh,要比液态电池总成本(118.7$/kWh)高出34%。

为什么要发展固态电池?

续航能力和安全性是动力电池追求的两大主要方向,发展固态电池也正是为了解决这两大问题。

新能源汽车最初发展的时候采用的是磷酸铁锂电池,这种能量密度较低但安全性好的技术路径成为“初代”新能源汽车动力电池的首选。但伴随着新能源汽车市场竞争的加剧,能量密度更高,成本效益比更好的三元锂电池成为新宠,直到目前仍然是市场主流。但业内专业人士指出,目前磷酸铁锂和三元锂电池的能量密度都已经接近理论极限,高镍材料+硅碳负极单体能量密度极限在300Wh/Kg左右,目前宁德时代和国轩高科都已经达到这个水平。

富锂锰基+硅碳负极单体的能量密度极限在400Wh/Kg左右,中国提出的目标是在2025年达到这个水平,还有5年时间,能量密度要提升33%。但是越接近理论极限,研发投入的边际产出就会越低,进步的速度就会越缓慢。在此背景之下,固态锂离子电池被认为是最有可能的下一代锂电技术,固态电池能量密度具备突破500wh/kg的潜力,而更多的能量密度就意味着更长的续航里程。

其次,液态电解质电池的安全性也不高,随着充放电次数增加,一旦锂枝晶穿透隔膜,很容易燃烧或者爆炸,而固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,即使在高温情况下,也无自燃爆炸风险,因此,固态电池在安全性层面也具备优势。

事实上,国内外的头部企业早就着手固态电池的研究了,动力电池龙头企业宁德时代早在2016年就正式宣布在硫化物固态电池上的研发路径,目前宁德时代固态电池可实现300周循环以容量保持率82%,但全固态电池还在开发中,预计2030年后才能实现商品化。辉能推出的MAB固态电池包采用了BiPolar+(电芯内部串并联等)、S-Inlay(直线堆栈)与Logi-Pack(内建侦测系统)技术,针对固态电池的高安全性、高散热能力与机构特性而开发出的一种全新封装方式,并计划在2022年以不牺牲安全性、具经济可行性的方案创造出续航里程与燃油车相当的高能量密度电池包。

此外,赣锋锂业一期项目固液混合的半固态锂电池实现规模化生产能力,公司与中科院许晓雄课题组合作,设立全资子公司浙江锋锂新能源科技有限公司,开展固态锂电池方面的产业化工作。

根据SNE Researchd的测算,2030年全球固态电池需求有望接近500GWh,2025年固态电池全球市场空间有望达到60亿元,而2025年我国固态电池市场空间有望达30亿元,2030年有望达到200亿元。综合看下来,从长期的视角来看,固态电池具备广阔的前景,而且很可能成为未来的主流电池,但从当下的情况来看,技术水平和成本问题都制约了其大规模商用化,液态电池依然是目前的必选项。

出品|每日财报

作者|刘阳