「恩力固态」开发可以在平流层使用的锂金属电池，能量密度达450Wh/kg | 创星Portfolio
大众在与Quantum Scape合作9年后，宣布于2025年开始生产固态电池，并应用于大众电动汽车，一次充电可达500英里（约804公里）行驶里程。今年4月，大众汽车在Quantum Scape测试了新一代固态电池，并对后者追加了1亿美元投资。近日，大众首席技术官Thomas Schmall在接受采访时透露，大众对开发新一代固态电池寄予厚望。
除此国外的汽车厂商中，丰田、福特、宝马等均已明确提出固态电池投入使用的时间线。
而国内的厂商中，今年1月10日，蔚来(NIO.US)宣布正式推出150kWh电池包，使用半固态电池。搭载该电池包的蔚来ES8续航里程将达到730公里。
宁德时代也曾在今年1月公开了两份关于固态电池的专利，分别为“一种固态电解质的制备方法”、“一种硫化物固态电解质片及其制备方法”。
由此可见，固态电池即将成为未来兵家必争之地。
电池技术，一直被认为是新能源汽车普及的瓶颈，锂离子电池的高温安全性、低温能效、能量密度、自重等问题无法得到根本的解决；其他如钠离子电池的能量密度低，在动力层面应用空间受限；氢燃料电池则因为高昂的成本，在乘用车领域无法大范围推广。
恩力固态，是目前国内为数不多从事固态锂电池研发生产的初创公司。在固态电解质材料、固态电解质隔膜、负极材料等方面已完成实验室研发，进入工艺开发阶段。其硫化物为电解质的全固态原型电池可实现-40-100ºC稳定工作温度区间、5C以上充放电、600次以上循环（100%DOD）。另一款基于固态电池技术积累开发而成的锂金属电池品，经客户验证能量密度达450Wh/kg。
就锂离子电池和固态锂电池的发展问题，恩力固态的CEO车勇博士和36氪聊了聊。
01
锂金属二次电池与固态电池
二十一世纪以来，随着微电子技术的不断发展，电子设备日益增多，消费者对电源提出了越来越高的要求，从而使锂（离子）电池进入了大规模的实用阶段，逐步替代着铅酸电池等传统电池。
目前，锂离子电池已大量应用在消费电子产品、新能源汽车、航空航天及储能领域等，市场需求呈现逐年持续快速增长的态势。根据IIT的统计预测，预计到2022年全球锂电池总需求量和市场规模将分别达到125.4 GWh和422亿美元，未来年复合年增长率预计分别为14.9%和12.9%，将继续维持在较高水平。随着新能源汽车及智能电网等应用领域的快速发展，针对锂二次电池性能也提出了更高的要求。
金属锂负极以极高的容量（3860mAh/g）和最负的电势（-3.040V vs 标准氢电极）被称为二次锂电池“圣杯”电极。应用金属锂为负极的锂金属二次电池也被认为是高比能电池的终极形态。
事实上，锂金属二次电池的商业化历史要比今天的锂离子电池还要早一些，一家叫做Moli Energy的加拿大公司早在1987年就推出了锂金属二次电池成品，用二硫化钼作为正极，金属锂作为负极。能量密度超过100Wh/kg，在业内引起很大震动。这家公司之后于1989年推出其第二代产品，正极采用二氧化锰,负极继续采用金属锂。但在此时，其第一代产品开始出现安全事故，之后不得不全部召回并支付了巨额赔偿。1989年底公司破产清算，次年初被NEC收购。
NEC后来又制造了50万支电芯投入试验，历时2年，当时绝大部分电芯都出现了故障，而导致故障的“真凶”就是锂枝晶。
在同一时间段，获得2019年诺贝尔化学奖的John Goodenough等三位科学家（及一些并不为世人所知的科学家和工程师们）分别在锂离子电池的正极、负极、电解液、隔膜等方面取得了一系列重大突破。1990年2月14日，索尼正式对外发布了一款全新的采用钴酸锂正极和碳负极的锂离子二次电池，达到4.1V的电压，80 Wh / kg的能量密度。从此锂锂离子电池的大规模产业化拉开序幕，而锂金属二次电池便从市场上消失了。
直到近年全球各地对固态电池的研发兴起，又将锂金属负极再次推向台面。2020年9月固态锂电池研发公司Quantum Scape在美国上市，其实验室样品采用锂金属负极（反应），续航距离为普通锂离子电池的1.8倍，15分钟可充满 80%，电池不易劣化，38万公里时可以保持80%容量。股价迅速由10美元涨到130美元，其身后的投资者包括大众、比尔盖茨、索罗斯等。今年6月宣布即将在美国纳斯达克以SPAC方式上市的另一家美国初创企业Solid Power采用了硫化物固态电解质的同时也选择了锂金属负极这一选项。
事实上，在之前的三十年间，美日的多家研究机构对于固态锂电池的研究从未停止，主要包括诺贝尔奖得主锂离子电池之父John Goodenough教授在美国德克萨斯大学奥斯汀分校的实验室、日本东京工业大学菅野了次教授的实验室等。他们分别从不同的技术路线在固态电解质材料等方面取得了技术突破，技术路线主要包括氧化物和硫化物电解质材料。而当固态电解质材料的研发取得了突破后，人们希望可以重新利用锂金属为负极材料，利用固态电池体系去解决困扰业界三十余年的锂枝晶等难题。
2021年3月，据日经报道，一家初创公司恩力固态（Enpower Greentech Inc.）与Softbank软银株式会社联合发布新闻，由双方共同研发的能量密度450Wh／kg级别的锂金属电池于近期成功验证，将应用于软银的平流层通信无人机。此外，双方在延长锂金属电池循环寿命的相关核心技术方面也取得了进展。相关核心技术包括能抑制锂金属枝晶的超薄（10nm以下）镀膜技术，以及能同时实现高电压和高库伦效率（充放电效率）的固态电解质界面技术。
02
固态锂电池和锂离子电池的差异
自从特斯拉在2008年推出第一款使用锂离子电池组作为动力的Roadster，国际锂离子电池的市场格局发生了巨大的变化。产能从日本向中国、韩国转移，2020年，中国的锂离子电池产量达188.5亿支，年产能160GWh。2016-2020年，年均复合增长率超过20%，但是最近两年来，虽然有大量新能源车型落地，电池的年增长率却降到12%-14%之间。
可见虽然政策和市场都有重大的倾斜，电池在整车的成本占比又超过30%，但是新能源汽车的发展并没有给电池的产量带来量级的提升。并不是因为电池产能所限，我们可以从公开数据中看到，国际锂价相对变化区间不大，在2017-2018电池用碳酸锂价格甚至腰斩。限制锂离子电池在新能源汽车领域更大范围应用的原因是其本身的性能。
1 成本和能量密度
数据显示，过去十年，锂电池的成本下降了近85%，2011年是3800元/KWh，2020年下降到578元/KWh。与此同时，锂离子电池能量密度提升了近3倍，2011年是80Wh/kg，2020年上升到270Wh/kg。但是这个能量密度已经接近了物理极限，未来进一步提升的空间很小。对于汽车而言，重要的指标续航里程也很难提升，除非加大电池组，但是目前长续航车型整车质量已经很大，因此能量密度在很大程度上制约了续航里程的提升。
一些固态电池开发者如Quantum Scape、Solid Power等，电池能量密度均已超过380Wh/kg。即对应同样重量的电池组，汽车的续航里程可提升30%-80%。未来随着研发的深入和工艺水平的提升，能量密度还将有进一步提升的空间。
从成本的角度来考量，固态锂电池中没有额外添加贵金属之类物质，但是减少了液体的电解质成分，按照主要成分金属锂的同比价格，在研发和工艺成本被摊薄后，同样电量的固态锂电池成本会比锂离子电池还要低一些。
2 安全性和稳定性
1995年索尼生产锂离子电池的日本群山工厂起火，100万18650电池付之一炬，起火原因是老化试验的电池爆炸。之后索尼对于锂离子电池增加了针刺等非常规试验以提高安全性，但是之后戴尔笔记本起火，导致索尼召回1000万块电池，并支付4.44亿美元赔偿。之后索尼将电池业务出售给村田制作所。
三星手机电池的多次爆炸起火事故则导致了其中国手机业务跌至谷底。
而在新能源汽车领域，不针对某一个特定品牌，电池的起火爆炸等事故都并不罕见。
在锂离子电池中，当电池内部温度因为各种原因异常升高时，PE隔膜熔化形成隔膜阻断。锂离子会集中穿过形成大电流，导致正负极短路和起火、爆炸。
而固态锂电池，因为没有电解液，不存在这种特殊的临界状态，即使进行针刺试验使其破裂，也没有起火爆炸的风险。
恩力固态的硫化物全固态电池目前已经实现600次以上的循环100%DOD，电池仅衰减20%。而在实验室环境，也实现了10C的充电，即6分钟电池充满电。
这同时衍生了另一个问题，目前的锂离子电池，很难实现超充，而超充是解决续航的最快路径。比如在超充领域布局最早的特斯拉，对应3C的超充尚没有普及到大部分车型，而可能近期会推出的V4超充仅针对Cybertruck一款车型。
对于以硫化物为电解质的固态锂电池，超充的制约条件却来自电网那一端。
3 低温可用性
无论是手机，还是新能源汽车，在冬季都面临电量危机，前一分钟可能还有50%的电量，之后可能瞬间归零。更严重的问题是，无法充电。
因为锂离子电池负极采用液态电解质，在低温环境电解质的流动性变差，放电和充电的过程都无法顺利进行。
软银之所以看好固态电池方向，除了高能量密度的因素外，固态电池优异的低温性能也应该是在极低温的平流层通信无人机上使用恩力固态电池的原因。
03
恩力的产品发展路径
恩力固态是一家全球化的公司，在美国、日本和中国均设有研发机构，合作伙伴包括诺贝尔奖得主锂离子电池之父John Goodenough教授、日本东京工业大学菅野了次教授。
恩力固态采用硫化物电解质技术路线，相比于Quantum Scape为代表的氧化物技术路线，硫化物具有更高的离子导电率和温度适应性。现在恩力在硫化物固态电解质、固态电解质隔膜方面已经进入量产工艺准备阶段。Q2021年将启动100MWh产线建设。
恩力利用其在固态电池的技术积累，也开发出了半固态的锂金属电池。目前恩力的3500mAh锂金属电池已经进入中试阶段，年内将向大客户小批量供货，用于无人机等项目。并已开始布局下一阶段2021-2022即将开始的规模量产。届时，其固态电池和锂金属电池产能将达到200MWh，产品将应用于高附加值的商用电子产品和高端消费电子产品领域。
参考锂离子电池从研发成功到大规模商用的发展路径，固态锂电池也将经历相似的过程。在早期市场阶段开始小规模试产，在同时将精力投入工艺设备的研发，随着工艺的成熟成本不断下降，最终实现工业化生产，并投入规模化的市场应用。对于固态锂电池而言，新能源汽车这个应用场景是必然的趋势。
车勇把公司当前的发展阶段定位于产业化前期，重点是通过对消费测高性能电池市场的拓展，不断磨练工艺水平，提高产品良率，最终构建完整的固态电池供应链体系，并降低固态电池的生产制备成本。至于是否向动力电池市场渗透，车勇认为这反而是一个水到渠成的事情。
预期在2022-2023年，恩力将实现GWh级别的固态电池产能，利用固态电池的性能优势进入多种应用场景。在2024-2026年，达到10GWh级别的产能，进入新能源汽车领域。
四 目前固态锂电池在全球范围的发展状况
在固态锂电池领域，还有如下一些企业或产业同盟的发展动向值得关注。
1）固态锂电池开发方面领先的企业是拥有超过1000项专利的丰田。据计算，在与现有电池尺寸相同的情况下，丰田开发的全固态电池可使续航距离延长至2倍以上。丰田在电池开发方面与松下展开合作，目前纯电动汽车用锂电池的成本为每千瓦时约合1.3万日元，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与丰田等合作的项目提出了这样的目标：通过确立量产技术和实现量产效果等，到2025年把全固态电池的成本降至每千瓦时1.5万日元，到2030年降至1万日元，达到与锂电池同等的水平。
2）大众汽车计划最早于2022年与合作伙伴Quantum Scape开始试生产，大众曾多次投资已上市企业Quantum Scape，其固态电池续航距离能比锂离子电池延长1.8倍，达到730公里。充电15分钟即可达到总电量的80％。据悉电池不易劣化，行驶38万公里之后，容量仍能保持最初的80％。大众计划2024～2025年开始量产，最初的年产能为1GWh，之后计划增加20GWh的产能。规模相当于目前欧洲电池总产能的一半多，可满足数十万辆纯电动汽车的使用需求。QuantumScape(QS-US) 通过SPAC方式上市，目前市值约为120亿美元。
3）美国初创企业Solid Power 2021年5月在福特、BMW、能源投资公司 Volta Energy Technologies 领投的募资中筹集到 1.3 亿美元，用于电动车电池生产。并且正计划以SPAC方式上市，预计估值为 12 亿美元。宝马和福特宣布扩大对Solid Power的出资规模。据悉Solid Power的全固态电池理论上可使续航距离最高达到锂电池的2倍。宝马计划于2022年采购测试用电池，2025年之前开始对配备全固态电池的车辆进行路测，2030年之前上市。
4）三星SDI于5月25日宣布，将在2025年之前开发大型全固态电池单元和原型全固态电池单元，并于2027年开始量产。从2008年开始，三星SDI与三星高级技术学院、日本三星研发研究所等合作开发全固态电池。这些机构一直负责设计研发活性材料，2020年3月，三星技术研究院开发了一项独创技术，可以提高全固态电池的使用寿命和安全性，同时将其尺寸减半。
5）法国博洛雷集团（Bolloré）从2011年就开始尝试固态电池在电动车领域的商业化，其自主研发的电动汽车Bluecar搭载30kWh金属锂聚合物电池，续航为120km。大约有2900辆投放到了巴黎汽车共享服务项目Autolib，这也是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。
BatScap选择全固态中的聚合物技术路线，正极材料采用LFP，负极材料采用金属锂，电解质采用聚环氧乙烷（PEO），但其Pack能量密度仅为100Wh/kg，且工作温度要求60~80℃，必须持续将电池加热至60°C以上来维持电池内部的导电能力。
6）德国博世+美国SEEO，成立于2007年的SEEO是美国劳伦斯伯克利国家实验室唯一授权拥有核心专利的电池公司，2015年博世（BOSCH）收购美国SEEO，并与日本GSYUASA（汤浅）公司、三菱重工共同建立了新工厂，主攻固态阳极锂离子电池。当时SEEO开发的固态电池就已实现350Wh/kg的能量密度，约是同等体积锂电池的两倍能量。但在2018年初，由于博世的战略变化，不再自行生产电池，也就宣告放弃对SEEO的投入。
7）2018年6月，日本经济产业省与日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）宣布启动新一代高效电池“全固态电池”核心技术的开发。该项目预计总投资100亿日元（约合5.8亿元人民币），丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术，到2030年前后将每千瓦时电池组的成本降至目前的三分之一左右。
8）Solid Energy日产、现代、村田制作所、TDK、三洋化成、三井金属、古河机械金属、旭硝子、出光兴产、日了造船等也都在进行这个领域的研发。
9）中国台湾厂商辉能科技在试产混成固态电池，其中液态部分不到3%。负极将从石墨转向高SiOx含量(14%以上——100%)的硅氧复合物。在2025年左右，SiOx硅比例达到100%程度的时候，与锂离子电池电池相比在能量密度上就会有明显的优势。
10）蔚来宣布，它将在2022年第四季度推出具有360Wh / kg的能量密度的固态电池，以蔚来量产的时间来看，它那种应该不是增长的固态电池，而是半固态电池，外界一直在猜测其电池合作方。
11）卫蓝新能源则在北京房山与江苏溧阳拥有两大生产基地。溧阳工厂计划生产无人机电池，产能设计2亿瓦时，生产可5C连续放电的270Wh/kg混合固液电池。在动力电池领域，卫蓝新能源完成了300Wh/kg以上高镍三元正极的混合固态电池设计开发，循环寿命达到1200次以上，预计在2022年量产。
12）清陶能源先后获得北汽、上汽、广汽等车企投资，并与合众新能源达成合作，共同推进固态电池的研发与应用，双方对新款哪吒U进行了近两年的联合研发和测试。2018年，清陶能源建成国内首条半固态电池产线，主要投用于特种电源、高端数码等领域。2019年7月，清陶能源年产10GWh半固态锂电池项目签约在江西省宜春市。
来源：36氪
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