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电车! 续航黑科技

 天承办公室 2019-01-19

近日,一家名不见经传的中国小公司,对外展示了其能量密度高达400Wh/kg的固态锂电池商业化生产线。  

该生产线可日产1万只固态电池,年产能为100兆瓦时,计划到2020年将年产能提升至700兆瓦时。  

要知道,传统三元锂电技术还在300Wh/kg附近苦苦挣扎,两年内都很难突破350Wh/kg的门槛。

400Wh/kg,意味着动力电池将迎接新一次的性能革命。

但不少投资者担心,这会不会是另一场“石墨烯电池”的纯概念炒作?

不是。

中国科学院院士、国家电动汽车重点专项总体专家组组长欧阳明高教授指出:

“在现有的各种探索中,最有可能成为下一代动力电池的就是固态锂电池。”

上图为国内专利申请数量,下图为国际,2018年数据不完整  /   来源:中外专利数据库

组长斩钉截铁的论断也许是一家之言,但根据固态电池国内国际方面的专利申请数量来看,固态电池是动力电池领域的研究热点这一趋势似乎更能说明问题。

在上面这张国内固态电池专利申请人排行榜上,科研院所申请人较多,企业较少。

当然,这也是国情所在,中国企业毕竟发展时间短,成规模的少,能大手笔投研发的更是屈指可数。

但君临观察到,中国已开始涌现出许多发展势头迅猛的初创企业,这些企业要不就是从科研院所偷师挖人,要不就是教授带着学生下海,产学研合作的情况日益增多。

开头这家宣称量产固态电池的小公司——中国清陶(昆山)能源发展有限公司,正是其中的代表。

他是由欧阳明高组长的同事,清华大学的材料科学专家,同为中国科学院院士的南策文教授创办。

这位南教授,说起来也算响当当的神童,15岁读本科,30岁升正教授,31岁当博导,他的团队在固态锂电池领域已经进行了长达16年的研发。

根据公开信息,清陶公司申请了锂电池领域35项发明专利,基本上都与固态电池相关,而其中最引人瞩目的,是关于固态电解质的专利。

固态电解质,是制造固态电池的关键所在。

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简单来说,使用固态电解质的固态电池之于传统锂电池,堪比固态硬盘对机械硬盘的性能提升。

传统锂电池,是由正极、隔膜、负极,再灌上电解液制造而成。

固态锂电池,就是由固态电解质代替隔膜和电解液。

传统锂电池的知识,大家可以回顾君临几天前发布的隔膜行业的研究文章。

可惜,虽然都同时引导了电子产业变革,锂电池并不像半导体那样遵循摩尔定律,18个月晶体管就要翻一番。

传统锂电能量密度18个月能提升个20%,就要南无阿弥陀佛,开香槟轰趴了。

传统锂电有两大致命短板:

1、能量密度提升困难,而且有天花板;

2、安全性堪忧。


先说第一短板:

能量密度提升主要受材料限制,因为现有材料理论上能容纳的能量有上限,热力学定律无法违反。

那新的材料—固态电解质应运而生。

不过,与大多数网上一知半解的宣传文章相反,采用固态电解质本身并不会显著提升能量密度。

让我们一起复习初中物理知识。

电解液由于是液体,与正负极材料接触良好,那么接触面积越大电阻值越小。

由于接触面不如液体,固态锂电为了获得较低的电阻,只有多来点。

这样的话,制成的电池体积占比一般会显著高于使用液态电解质的电池。

——那么能量密度必然会低于液态电解质电池。

真正能让固态锂电能量密度显著提升的,主要有两点:

一是采用锂金属制造负极。

目前的负极,一般采用石墨制造,但石墨负极就是容量不行(理论上限370Ah/g左右)。

为了增加石墨的容量,工程师采用的方法是加入一定量的硅,但加入硅后,又面临材料膨胀的问题,容易让电池鼓包。

不过就算特斯拉Model 3已开始采用这种世界顶尖的硅碳负极,其容量上限也才不过1000Ah/g左右。

锂金属是其三倍以上。

你也许要问,为什么现在的锂电池不用锂金属呢?

假如传统锂电池采用金属锂当负极,充电时,锂离子会返回负极,但它并不老老实实的回家,而会在锂金属表面“发芽”,最终长得跟树枝一样。

待它茁壮成长,捅破隔膜不说,一旦长到正极上,一短路,能量瞬间释放,那就只有“fire in the hole”。

所以退而求其次,人们才勉强采用低容量,不容易让锂离子生根发芽的石墨作为负极。

试想,电解液变成固态电解质,锂离子就不具备生长空间,OK,问题完美解决。

说白了,正负极就象两座房子,容纳锂离子越多,能量密度越大。

如果说传统锂电池是多层洋房,那固态锂电就是高层公寓。

二是正极材料选择的范围宽。

电解质相对于电解液来说首先是电化学窗口宽。

所谓电化学窗口,就是在更广的电压范围内,电解质不会参与化学反应,而是老老实实让锂离子通过。

那就可以选择容量更大的正极材料,提高比能量;也可以选择电压差更高的的正负极材料,都可以达到提升能量密度的目的。

此外,由于固态电池不存在漏液、腐蚀、温差等问题。

那么把固态电池运用到电动车上,那么外壳、冷却等系统也可以省了。

Tesla的电池冷却系统,虽然很强大,但也为车辆增加的复杂性和重量  /  来源:网络

一方面,能量密度提升;另一方,自重降低。

双管齐下,电动车的续航里程会因为固态锂电的使用而极大增长。

 

再说第二短板:

传统锂电池,如果遭到破坏,或是隔膜质量不佳等等原因,会导致正负极直接接触,短路后能量瞬间释放,导致“fire in the hole”。

携带0.01度电的手机电池,短个路导致裤子起火倒也罢了,如果换成一屁股几十度电的动力电池....

瞬间放电,瞬间起火,想想都觉得可怕。

电动车起火,99.99%是因为电池  /  来源:网络

另外,过度充电、内部短路等异常情况,也容易导致电池温度不稳,最终导致电解液燃烧。

而固态电解质,不可燃、无腐蚀、不挥发、也不存在漏液问题。

那么传统锂电面临的各种安全问题,固态锂电统统都可以解决。

就算把固态电池捅个千疮百孔,它仍然可以工作 /  来源:《超级电池》

实际上,除了解决传统锂电这两大短板,固态锂电还有循环次数高、制造形状更丰富等等优点。

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无疑,固态锂电是针对传统锂电的一次革命,它的优点好到让人无法相信。

但也有许多需要解决的问题:

固体电解质材料离子电导率偏低;固体电解质/电极间界面阻抗大,界面相容性较差,同时,充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩,导致界面容易分离;

看不懂也没关系。

只需记住它的两大问题:一是电导率偏低问题;二是界面阻抗和稳定性问题。

解决电导率低问题的本质,就是要找到一种合适的材料,其结构能让锂离子通道畅通 /  来源:《固态电解质研究进展》

所谓电导率偏低,即电子通过的效率低;

所谓界面阻抗大、界面分离,就是正负极与隔膜的连接处存在电阻大,接触不良的问题。

解决办法是找到一种合适的电解质,或者经过一些涂覆工艺处理,让它的结构能达到既让锂离子顺畅通过,又能解决接触的问题。

现在有三种主流固态电解质:聚合物、氧化物、硫化物。

来源:全固态锂电池研究进展

聚合物电解质,法国的Bolloré公司已经搞出来,负极采用金属锂,而且已在公交、共享汽车上有一定规模应用。

但使用前需预热,电池需加热至60°C以上,才能维持固态电池内的导电能力。

你们先走,我热个车

氧化物电解质,最大的问题是电导率一般比电解液还要低很多。

这条技术路线代表企业是美国的Sakti3,搞出的试验性产品也是采用的金属锂负极。

这公司已被戴森公司收购,从买家的来头应该可以猜出Sakti3的电池,主要适用于对电容量要求较小,又对安全和逼格要求颇高的戴森卷发棒之类的消费电子产品。

如此氪金的神器,当然值得用个贵电池  /  来源:戴森官网

硫化物电解质,是大多数亚洲企业选择的路线,也代表了未来固态锂电的方向。

要知道,亚洲有最大的锂电池产业链,而产业界考虑问题的方式和科研界是截然不同的。

产业界追求的是可靠性和一致性,而且各个方面都要考虑周到。

能稳妥,决不冒进。

他们倾向于在实际产业应用中通过微调、验证、推广等逐步推行的方式来实现技术工艺的迭代。

这就需要一个转化过程,需要慢慢从实验室、中试逐渐完善,然后放大成熟,实现完全可控。

还要考虑量产后各方面的供应能力和成本问题。

这一切,需要一个完整的产业链分工配合。

另外,硫化物的各项参数也相当不错,尤其是电导率较高,接近电解质,而且界面较为稳定。

对,正回应了上文提出的两大问题。

这条技术路线执行最为彻底,也较为典型的当属丰田,起家早,专利积累颇多。

丰田做的不是全固态锂金属电池,而是固态锂离子电池,几字之差,却大不相同。

他采用的是石墨类负极、硫化物电解质与高电压正极的组合的方式。

看出端倪没有?

丰田的方式,并不是颠覆式的,电池材料方案较为稳妥,正负极并没有大幅变动,只是将隔膜和电解液换成电解质。

咱们实现量产的清陶能源,其实也是这条路线。

仔细翻阅清陶能源申请的专利,不仅有名称为“一种固态锂电池的合成及一种石墨复合负极片和磷酸铁锂复合正极片的制备方法”,“一种固态电池用的硅碳复合负极及其制备方法”这些制备石墨负极的专利。

在其“一种柔性的全固态锂离子电池及其制备方法”的专利说明书中,也明确指出:“负极材料为石墨”。

来源:专利CN108400378A_一种柔性的全固态锂离子电池及其制备方法

丰田打算在2022年将他的固态锂离子电池实现商品化,而我们已经实现量产,这也从侧面说明中日韩选择的路线最靠谱,而且已具备极大的量产潜力。

那如何从这块革命性的电池上投资获利呢?

君临有三条建议。

3

第一条:等待

目前固态锂电能量产,说明技术和性能上也没有过不去的槛。

真正最大的问题是产业链配合和成本。

举个例来说,生产硫化物固态锂电所需的材料虽说都基本沿用原有的正负极材料,但存在一定的改性和调整,工艺上会发生变化,那么所需设备就要变化。

一方面,正负极材料供应商要能量产新材料;另一方面需要设备商同步研发新设备。

牵一发动全身。

成本问题后于产业链配合问题,不过并非主要。

任何新技术、新产品刚一开始出来,成本都较高,一旦生产技术成熟、产量上去了,成本自然而然就能下来。

工业生产不是科学研究,这不是爱因斯坦的相对论,一经问世可以立马更新人类的底层认知。

固态锂电是典型的工程问题,正如我们在《传统汽车的丧钟》一文中说过那样,工程问题需要头铁精神,需要每个材料、配方、比例,一个个踏踏实实的去验证,去撸一遍。

这来不得半点虚假,无法投机取巧,美好的事情终会发生,但尚需时日。

第二条:冷静

新事物代表美好预期,而预期能否真正落地,需要理性客观分析,投资更需要重视确定性。

石墨烯电池的炒作故事咱们就不提了,就像当前共识散伙后一地鸡毛的各种币。

2015年的Mate 8所谓的石墨烯电池炒作

目前还存于预热阶段的固态电池炒作,A股以珈伟新最具代表性。

2016年11月,珈伟新能发布号称“全球首例”固态锂电池与快充锂电池,并宣布石墨烯材料制备基地已经进入投产,让现场观众领略了珈伟股份走在世界前列的“革命性研究成果”。

固态锂电、快充、石墨烯,啧啧啧,看看这些让人头脑发热的关键词。

群妖毕至,事情定有蹊跷。

果不其然,12月珈伟抛出10转28的高送转预案,在随后的成交热潮中,各路妖魔鬼怪上演胜利大逃亡。

一声叹息。

当然,固态电池领域研发方面也有踏实做事的企业,A股主要有两家,一家宁德时代,一家赣锋锂业。

他们也分别代表了企业进军固态锂电的两大方向。

宁德时代,锂电制造头部企业,财大气粗,研发投入长期保持在营收的8%以上,绝对值更是独领风骚。

他走的是独立自主的研发路线。

2012年开始申请全固态锂电池相关专利, 在聚合物全固态锂电池、 硫化物全固态锂电池方面均有相应的技术储备。

目前设计制作了325mAh的聚合物全固态锂电池电芯。

赣锋锂业,是锂电池上游公司,没多少电池制造技术储备。

走的是产学结合+巨额激励的路线。

2017年底,赣锋锂业与中科院许晓雄博士合作设立子公司,投资建设第一代固态锂电池研发中试生产线,许晓雄博士也是长期研究固态电池的学者,至今已申请专利30余项。

拿出近2个亿进行项目考核和奖励。

目前其第一代固态锂电池技术通过中汽研汽车检验中心检验,能量密度约245Wh/Kg, 循环1000次后容量保持率大于90%。

虽然都拿出了产品,但离大幅量产,广泛应用还远,贡献利润就更远了。

聪明的投资者,不会对虚无缥缈的事物下注。

第三条:策略

从技术的演进路线来说,不同技术水平的电池并不是你死我活的关系,而很可能是并存共生。

就算出现了新一代电池,其他电池也不是没了活路。

锂电池90年代初发明,几十年过去了,密度较低,污染大的铅酸电池依然还活的挺好,依然工作在满街乱串的电单车上。

原因就在于其成本低、安全性尚可,而且解决了回收循环利用等问题。

不同电池有不同特点,存在不同适合自身特点的应用领域。

从宁德和赣锋的布局来看,目前固态锂电的研发还是“一竿子插到底”,正负极、固态电解质都是自己一手抓到底,锂电产业链上的材料企业大多还在观望。

材料企业不参与,对下游制造企业的挑战就会很大,需要自己建设完整的产业链,既耗时又费力,而且成本上很不划算。

所以固态电池领域真正值得注意的信号,应该是电池材料企业纷纷加大固态锂电的相关研发和送样认证。

要整个供应链上的企业都参与其中,固态锂电才算离大规模应用不远。

实际上,目前在动力电池庞大需求带来的诱人利益驱动下,电池企业的产品研发周期正在明显缩短。

91年,索尼开始商业化生产锂电池,以钴酸锂为正极、以碳为负极,主要应用在消费电子上,对电池能量密度要求不高。

下游无追求,上游也不思进取,这种体系一直沿用至今。

当锂电池开始应用到电车上,尤其是在补贴政策的指挥棒下,能量密度被空前重视。

正极材料从NCM111迅速向523、622过渡,甚至不少正极企业打算直接上811甚至9/0.5/0.5。

负极材料也开始向硅碳负极全面转变。

巨大的变化,需要大量和高强度的研发投入,这样对小企业来说是很难承受的。

就固态锂电来说,小企业也许有可能独自完成研发,但很难说有能力实现大规模量产。

宁德时代、比亚迪这类巨无霸就不一样了,他们利用自己在产业链中的强势地位或资金实力。

可以主导上下游投入到对固态锂电相关材料的研发生产,从无到有搭建一套完整产业链,实现低成本量产。

也可以投入大量资金,就像比亚迪过去干的那样,上下游通吃,打造封闭的垂直一体化产业链,也可以实现量产,但投资开销实在太大,所以现在比亚迪都开放自己的电池体系,吃不消啊。

道理就很清楚了,固态锂电能成为现实,那也是大企业的盛宴。

这是一个资产超级重、上下游很长的行业,不是阿猫阿狗,从风投那里拿个几千万投资就能随随便便颠覆的。

正因为此,我们对固态锂电的投资,也应集中到锂电制造的头部企业上。

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