当前车企搭载主流产品均为液态锂电池,而固态电池将液态电解质替换为固态电解质,能大幅降低热失控风险;通过采用金属锂负极,能将电池能量密度提升70%以上。但缺点是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。

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蔚来将1月9日发布新轿车产品及150度电池包,外界纷纷猜测,为大幅提升能量密度,该电池或为固态技术方案。

当前车企搭载主流产品均为液态锂电池,而固态电池将液态电解质替换为固态电解质,能大幅降低热失控风险;通过采用金属锂负极,能将电池能量密度提升70%以上。但缺点是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。

不过正因为看重高安全性、高续航,众多电池厂商、车企均在持续研发、验证固态电池商用化方案。如近期吸引极大关注的美国固态电池企业Quantum Scape,计划于2024年开始量产固态电池。

一、固态电池——下一代高性能锂离子电池

1991年索尼公司推出商业化液态锂离子电池,随后液态锂电池进入快速发展。

2015年至今,由于全球范围汽车电动化浪潮,车企对长续航、高安全性动力电池持续追求推动电池研发不断革新。

国内为例,目前我国动力电池已由磷酸铁锂转向高镍三元,但供应商推测,未来五年依靠现有三元体系,动力锂电池单体能量密度难以实现高于350Wh/kg的目标,即无法达到国家要求。

另外磷酸铁锂转向高镍三元过程中,许多车企出现电池自燃事故(三元电池能量密度高,但存在安全性差),引发消费者安全担忧。

正因为对更高能量密度和更高安全性的追求,目前各国均在加紧固态电池研发。

对比液态锂电池,固态电池具备以下优点:

1)固态电池将液态电解质替换为固态电解质,大大降低热失控风险;

2)固态电池电化学窗口可达5V以上,高于液态锂电池(4.2V),允许匹配高能正极和金属锂负极,大幅提升理论能量密度;

3)固态电池可简化封装、冷却系统,在有限空间进一步缩减电池重量,体积能量密度较液态锂电池(石墨负极)提升70%以上,达到500Wh/kg。

当然,固态电池现阶段也面临许多技术障碍,包括:

1)大部分固态电解质电导率比电解液小10倍以上,快充性能并不佳;

2)循环过程中物理接触变差,影响使用寿命;

3)制备工艺复杂。

综合而言,由于对更高能量密度、更高安全性的追求,目前各国都在加紧固态电池研发,以期抢占技术高点。即使实现全固态电池产业化尚需时间,但过程中的技术创新已经能被持续应用,提升产品力。

二、政府引导,固态电池进入“军备竞赛”阶段

各国政府近年陆续出台政策扶持新能源汽车行业,多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划:2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变,2030年研发出商业化全固态电池。

中国方面,部分企业已进入固态锂离子电池(半固态电池)中试阶段,2025年前或可实现量产,如宁德时代、辉能科技等。

日韩方面,丰田计划2022年实现搭载固态电池的电动车量产。目前全球范围内,日本企业的固态电池技术较为领先,许多日韩企业选择抱团研发。

欧洲则谋求在固态电池领域翻盘,欧美各大车企纷纷投资固态电池初创企业。例如美国高校衍生的初创企业Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。

很明显,固态电池领域已经进入‘军备竞赛’阶段,市场参与者众多,车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。

多数机构预期,按照目前发展情况,2025年固态电池将实现商业化量产。从演进角度,固态电池技术发展预计采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,全固态电池是最终形态。

三、锂电颠覆者?固态电池企业Quantum Scape一月暴涨10倍

美国固态电池企业Quantum Scape今年通过借壳上市,股价在过去2个月以飙涨10倍,最新市值高达414亿美元。如此巨大涨幅,Quantum Scape底气何在?

明星团队,产业巨头背书。Quantum Scape成立于2010年,由斯坦福大学科学家Jagdeep Singh、Fritz Prinz和Tim Holme创立,主要研发固态电池。

值得一提的是,Quantum Scape董事会“风云人物”聚集。Doerr——美国最大风险基金Kleiner Perkins Caufield & Byers的合伙人;JB Straubel——作为特斯拉前首席技术官、联合创始人,曾负责特斯拉电池研发工作。此外,还两名董事则与其最大股东大众集团有关。

早在2012年大众就已与Quantum Scape合作,2018年大众向Quantum Scape投资1亿美元,成为其最大股东,并宣布建立合资公司,希望实现固态电池产业化生产。

根据路演资料,Quantum Scape投资者还包括比尔盖茨、Khosla Ventures、Kleiner Perkins、Qatar Investment Authority、上汽集团和大陆集团等。截止上市前,Quantum Scape已获得超过8亿美元融资。

产品方面,12月8日Quantum Scape公布其固态电池技术最新性能数据,称其固态电池能量密度高达400Wh/kg,可为电动车提供的续航里程将高出80%,并且能在15分钟充电80%。

中金分析,Quantum Scape的固态电池路线为氧化物体系下的锆酸镧锂石榴石状复合氧化物固态电池,主流电解质体系为Li3La3Zr2O12(LLZO),即锆酸镧锂。Quantum Scape首席执行官Jagdeep Singh认为后续商业化‘任务’并不难,接下来将主要解决工程、制造问题,计划在2024年与大众合作进行固态电池量产。

凭借产品性能突破,有人才,有金主,Quantum Scape能否成为锂电池颠覆者?

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