鉅大LARGE | 點擊量：365次 | 2023年10月16日
尋找下一個CATL，電池材料革命五大突破口
1799年，意大利物理學家伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導線中有電流通過，于是他把許多鋅片和銀片之間墊上浸透鹽水的紙板，用導線把兩端連接起來。世界上第一個電池——伏特電堆，就這樣誕生了。
兩百多年過去，電池已經(jīng)成為人類日常生活離不開的東西，而今天的電池也遠非當初的模樣。
今天常見的鋰電池誕生于20世紀60年代，1991年開始由日本索尼公司實現(xiàn)商業(yè)化，隨后逐步應用到手機、電腦、汽車上。
在電動汽車取代燃油汽車的歷史進程中，鋰電池扮演著重要角色。2021年我國新能源汽車市場出現(xiàn)爆發(fā)式上升，離不開電池技術持續(xù)迭代的功勞。
在確保安全性的前提下提高能量密度，一直是動力鋰電池技術發(fā)展的核心。圍繞該核心，動力鋰電池研發(fā)人員一直在進行電化學材料體系的創(chuàng)新研究。
鋰電池的電芯包括正負極、電解質、隔膜等，從電芯層面提高電池能量密度，就要從這些組成部分入手。
從NCM111到NCM523，再從NCM622到NCM811，三元正極材料一直在向高鎳化方向發(fā)展，同時，低鈷乃至無鈷逐漸成為主流。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在負極材料方面，目前除了石墨，硅基負極材料、鋰金屬負極材料的研發(fā)及應用也迎來新突破。
在電解質材料方面，其形態(tài)正由電解液向凝膠電解質（半固態(tài)）、準固態(tài)電解質、全固態(tài)電解質發(fā)展。
因此，鋰電池能量密度提升的路徑很清晰，就是正極材料+負極材料+電解質三管齊下。
2021年年初蔚來公布的150kWh電池包，恰好契合這條技術升級路線。該電池包在正極、負極、電解質等層面均有創(chuàng)新，分別應用了超高鎳正極材料、高性能硅碳復合負極材料及固液電解質，大幅提升車型里程。搭載該電池包的蔚來ET7續(xù)航里程將超過1000km。
鋰電池在動力鋰電池領域占據(jù)主導地位，但隨著電動汽車規(guī)模的快速上升，有限的鋰資源遲早會讓全行業(yè)面對危機。這才讓鈉離子電池有了可乘之機。更豐富的儲量、更好的低溫性能，鈉離子電池或許并不能取代鋰電池，但它已經(jīng)登上汽車電動化的舞臺。
鈉離子之后，還有更多的"×離子電池"在蠢蠢欲動。
放眼全球，印度電池研發(fā)公司Saturnose在2021年宣布了一個驚人的消息，其增強蝕變鋁離子電池計劃在2022年實現(xiàn)商業(yè)化，而且要取代鋰電池。據(jù)稱，這種鋁離子電池能量密度有望超過600Wh/kg，且比鋰電池技術便宜50%。
2021年八月，華裔美國科學院院士、斯坦福大學化學系教授戴宏杰的課題組發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究成果——可充電鈉/氯氣和鋰/氯氣電池，解決了一類電池半個世紀以來無法二次充電的問題。這種電池系統(tǒng)以具有高度微孔的碳材料為正極，以金屬鈉或鋰為負極，以氯氣為氧化劑，以亞硫酰氯為電解液，可存儲的電量是常見可充電鋰電池的6倍。
和此同時，鋰電池鈮技術、鎂電池、鋅電池、鈉硫電池等新型電池技術的研發(fā)數(shù)據(jù)也在實驗室里不斷刷新。
自電池發(fā)明的那天起，人類就沒有停止對電池技術的改進。當電池遇上汽車產(chǎn)業(yè)的百年巨變，它迎來了一個前所未有的大市場，各種動力鋰電池技術百花齊放。
回顧2021年，動力鋰電池領域熱鬧非凡：鈉離子電池橫空出世，無鈷電池量產(chǎn)裝車，硅負極電池產(chǎn)業(yè)化落地，金屬鋰電池產(chǎn)品出爐，半固態(tài)電池也開始了產(chǎn)業(yè)化試水。
這五大電池技術都是從材料層面進行的創(chuàng)新。從實驗室到產(chǎn)業(yè)化，它們演繹著電化學的魅力，在被你看見之前，每一項電池技術無不經(jīng)歷了艱難的錘煉過程。誰說電池技術停滯不前？科學家可不答應。
鈉離子電池
在20世紀70年代，人們就開始了對鈉離子電池的研發(fā)。目前，全世界有20多家公司從事鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化方面的開發(fā)。
因為CATL的入局，鈉離子電池成為過去一年電池行業(yè)的大熱點，走進大眾視野。
2021年七月二十九日，CATL公布鈉離子電池，其正極材料采用了克容量較高的普魯士白材料，負極材料使用了具有獨特孔隙結構的硬碳材料。
基于材料體系的突破，CATL第一代鈉離子電池電芯單體能量密度達160Wh/kg，略低于磷酸鐵鋰電池，但在低溫和快充方面有明顯優(yōu)勢，在零下20°C低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。未來，CATL第二代鈉離子電池能量密度將提升至200Wh/kg。
在制造工藝方面，鈉離子電池可以實現(xiàn)和鋰電池生產(chǎn)設備、工藝的完美兼容，產(chǎn)線可進行快速切換，完成產(chǎn)量快速布局。目前CATL已啟動鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局，到2023年將形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。
除了CATL，依托中科院物理所鈉離子電池技術的中科海鈉也正在推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化。
2021年十二月十八日，中科海鈉和三峽能源、三峽資本及安徽省阜陽市人民政府達成合作，將共同建設全球首條鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線。該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)量5GWh，分兩期建設，一期1GWh將于2022年正式投產(chǎn)。
總的來說，目前鈉離子電池尚處于產(chǎn)業(yè)化初期。而長遠來看，它將成為鋰電池的有益補充。
無鈷電池
鈷全球探明的儲量僅有710萬噸左右，有機構預測在2026年后鈷資源就將供應不足。為了降低對鈷金屬的依賴，少鈷乃至無鈷已經(jīng)是不少電池公司都在進行的一個研發(fā)方向。
2021年八月二十九日，蜂巢能源宣布其無鈷電池包系統(tǒng)正式搭載長城歐拉純電SUV車型櫻桃貓，實現(xiàn)量產(chǎn)裝車。
從最為基礎的材料環(huán)節(jié)出發(fā)，蜂巢能源通過陽離子摻雜技術、單晶技術和納米網(wǎng)絡化包覆，顯著改善無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排問題以及循環(huán)壽命的問題，使無鈷材料跨過關鍵障礙，走向規(guī)?；瘧秒A段。
櫻桃貓搭載的無鈷電池包系統(tǒng)總電量82.5kWh，系統(tǒng)能源密度達170Wh/kg,支持常溫工況續(xù)航里程超600km。
目前，蜂巢能源無鈷電池共規(guī)劃了四款量產(chǎn)產(chǎn)品，分別是無鈷H系列115Ah電芯、155Ah電芯，HPlus系列157Ah電芯以及無鈷E系列115Ah電芯。其中無鈷H系列電芯能量密度為240Wh/kg。
2021年十二月十六日，蜂巢能源的無鈷電池量產(chǎn)線在馬鞍山生產(chǎn)基地投用。五年深耕無鈷電池，蜂巢能源成為全球第一家真正實現(xiàn)無鈷電池產(chǎn)業(yè)化的電池公司。
除了蜂巢能源，松下、LG、CATL等動力鋰電池公司也都在努力降低鈷的使用率。根據(jù)CATL的電池技術路線規(guī)劃，預計到2024年左右會推出無鈷電池。
硅負極電池
從20世紀90年代起，將硅材料應用于鋰電池負極的研發(fā)就出現(xiàn)了。直到2014年左右，硅碳負極、硅氧負極的產(chǎn)業(yè)化才得以實現(xiàn)。
為何要用硅作負極材料？這是因為硅材料的理論克容量高達4200mAh/g，遠高于石墨材料的372mAh/g。但硅負極材料的缺點也很明顯，那就是其體積膨脹率達320%，遠高于現(xiàn)有的石墨材料10%左右的膨脹率，這就意味著其使用壽命偏低。
因此，在實際應用中，硅負極材料一般是石墨和硅的混合體。比如，2017年，松下將硅基負極應用于TSLAModel3的電池中，就是通過在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入5%-10%的硅，使電池容量新增到550mAh/g以上，單體能量密度達300Wh/kg。
CATL、力神電池、國軒高科、比亞迪、比克動力、微宏動力等都在加快硅碳負極體系的研發(fā)和生產(chǎn)。
2021年一月八日，國軒高科公布能量密度為210Wh/kg的軟包磷酸鐵鋰電芯，在磷酸鐵鋰化學體系中首次成功地應用了硅負極材料。
2021年一月九日，蔚來于NIODay上宣布2022年將交付150kWh電池包，該電池包單體能量密度可達350Wh/kg，也使用了預鋰化硅碳負極。
2022年一月五日，廣汽埃安AIONLXPlus上市，其千里版續(xù)航達到1008km，電池包容量144.4kWh，能量密度達到205Wh/kg。該電池包應用了廣汽集團自研的海綿硅負極片電池技術。
海綿硅負極片電池技術的原理就是：讓電池內(nèi)部的硅負極片變得像海綿相同柔軟有彈性，使硅在充放電過程中的膨脹收縮被限制和緩沖，不會碎裂；讓硅負極發(fā)揮出大容量的優(yōu)勢，像海綿吸水相同儲存更多的能量。
海綿硅負極片電池技術由涉及正負極材料、粘結劑、電芯設計、工藝制造等一系列技術群組成，通過這些技術，動力鋰電池單體電芯在同等電量的情況下，體積能夠減小20%，重量能夠減輕14%，電池電芯能量密度可達到280Wh/kg。
廣汽埃安正計劃投資3.36億元建設自研電池電芯試制線，海綿硅負極片電池技術有望走向規(guī)?；慨a(chǎn)。
此外，智己汽車首款純電智能轎車智己L7搭載的動力鋰電池，是由智己汽車和CATL采用"摻硅補鋰"技術合作研發(fā)而成的，其電芯最高能量密度可達300Wh/kg，可將車輛NEDC續(xù)航提升到1000km。
混合鋰金屬電池
在負極材料上進行創(chuàng)新的，還有混合鋰金屬電池。
2021年十一月四日，鋰金屬電池制造商SES麻省固能（SolidEnergySystems）宣布，公司已經(jīng)開發(fā)出一款107Ah混合鋰金屬電池，重量為0.982kg，能量密度為417Wh/kg、935Wh/L。
SES混合態(tài)鋰金屬電池沿用鋰電池的正極材料，但負極材料是鋰金屬，電解液則是高濃度鋰鹽電解液。SES創(chuàng)始人兼CEO胡啟朝表示，這樣的材料改良可以解決鋰枝晶難題，"每次充電枝晶仍然形成，但是之前是非常尖的形狀，容易穿破隔膜導致短路，現(xiàn)在是非常平非常密的形狀，不會刺破隔膜。"
從制造工藝的角度來看，SES所生產(chǎn)的混合態(tài)鋰金屬電池，約有60%的制造環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池完全相同，差別重要在于負極和電解液部分。
SES成立于2012年，公司早期階段曾研發(fā)全固態(tài)鋰電池，但進展并不順利，后決定轉換技術路線至混合鋰金屬電池。
SES已經(jīng)和通用汽車和現(xiàn)代汽車展開合作，計劃2022年推出車用級鋰金屬電池A樣品，并在2025年正式開啟鋰金屬電池的商業(yè)化量產(chǎn)。
目前，SES正在上海嘉定國際汽車城建設動力鋰電池超級廠，總面積達30000平方米，計劃于2023年竣工，建成后的產(chǎn)量將達到1GWh。
半固態(tài)電池
和液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電池用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解質和隔膜，在能量密度和安全性方面均有提升。
不過，固態(tài)鋰電池的技術路線并不是一步到位的，而是從半固態(tài)到準固態(tài)再到全固態(tài)，這三個階段液體電解質質量百分比分別為<10%、<5%、0。目前，介于液態(tài)鋰電池和全固態(tài)鋰電池之間的固液混合電池，即半固態(tài)鋰電池，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化試水。
2021年十二月十日，首批搭載贛鋒鋰電混合固液鋰電池的東風E70電動汽車在江西新余試車成功。這是半固態(tài)電池在國內(nèi)純電動汽車中首次實現(xiàn)裝車。
東風E70搭載的是贛鋒鋰電第一代固態(tài)電池，該款混合固液鋰電池采用氧化物電解質和柔性固態(tài)隔膜，模組采用鋁合金框架+上下高精度拼縫激光焊接技術，整體成組率為86%以上，能量密度在260Wh/kg左右。
國軒高科為國內(nèi)高端純電動汽車配套半固態(tài)電池實現(xiàn)了續(xù)航里程超1000km。目前其半固態(tài)電池在性能方面能夠做到610Wh/L、300Wh/kg、循環(huán)1000次的程度。
蜂巢能源在半固態(tài)電池技術研發(fā)方面也有了突破，基于凝膠電解液研發(fā)了果凍電池。它具有高電導、自愈合、阻燃等特點，能在幾乎不降低電性能的同時阻止熱擴散，耐熱溫度提高到150°C。
孚能科技的半固態(tài)電池在2021年已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，預計2023-2025年導入第二代，2027年左右導入第三代。
衛(wèi)藍新能源針對車用領域推出的固液混合電池，能量密度已達到270Wh/kg，預計2022年下半年可以為客戶供應批量驗證。
目前，業(yè)內(nèi)的普遍共識是，固態(tài)電池在電動汽車上的應用要在2030年以后，而在此之前，半固態(tài)電池會快速發(fā)展并成為主流。
