中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2022年7月6日，上汽清陶固態(tài)電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室掛牌成立。當(dāng)天，上汽集團(tuán)宣布，與清陶能源合作研發(fā)的1000公里以上長(zhǎng)續(xù)航里程固態(tài)動(dòng)力電池將于2023年率先應(yīng)用于上汽自主品牌新款車型。半年時(shí)間過(guò)去了，包括新冠疫情等不確定性因素是否會(huì)影響固態(tài)電池裝車？
近日，清陶能源聯(lián)合創(chuàng)始人、總經(jīng)理李崢在接受本報(bào)記者采訪時(shí)告訴記者，雙方在2月12日再次確認(rèn)固態(tài)電池裝車量產(chǎn)的時(shí)間表不變。
動(dòng)力電池的三個(gè)“創(chuàng)新”
從高校“象牙塔”邁向產(chǎn)業(yè)“金字塔”。來(lái)自清華大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的清陶能源，專注于新能源材料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，在鋰電池材料原創(chuàng)應(yīng)用、設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新等方面不斷突破，率先實(shí)現(xiàn)了固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已成為估值近200億元的“獨(dú)角獸”。
在動(dòng)力電池領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)的最優(yōu)解是差異化的創(chuàng)新。李崢告訴記者，作為新能源汽車行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，固態(tài)鋰電池在最近幾年里取得了快速的進(jìn)展，已經(jīng)形成了一股勢(shì)力。固態(tài)鋰電池并不是單一的產(chǎn)品，而是一條全新的賽道。在這個(gè)條賽道上，整個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能的能量密度會(huì)得到更快速的提升。
清陶能源固態(tài)電池的創(chuàng)新，在技術(shù)上分為三個(gè)層面。首先是核心材料的創(chuàng)新。固態(tài)電池的核心材料是固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電池體系的發(fā)展一定是由半固態(tài)（液態(tài)電解質(zhì)質(zhì)量百分比小于15%）發(fā)展至準(zhǔn)固態(tài)/類固態(tài)（液態(tài)電解質(zhì)質(zhì)量百分比小于5%），最后發(fā)展為全固態(tài)（不含任何液態(tài)電解質(zhì)）。清陶能源通過(guò)對(duì)固態(tài)電解質(zhì)，以及正極和負(fù)極等核心材料的創(chuàng)新，包括對(duì)正極的包覆、負(fù)極材料的改性，以及固態(tài)電解質(zhì)的復(fù)合配方，避免了現(xiàn)有液態(tài)鋰電池易燃易爆現(xiàn)象。
第二是關(guān)鍵工藝創(chuàng)新。干混和干壓工藝能最大限度發(fā)揮現(xiàn)有電池材料的容量，這些工藝還能提高電池生產(chǎn)的合格率，降低成本。
第三是系統(tǒng)集成創(chuàng)新。電池形狀和成組方式能夠幫助電池組提升整體安全性和集成效率。
李崢表示，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)角度來(lái)說(shuō)，核心是材料的迭代，材料升級(jí)之后一定會(huì)有工藝的升級(jí)和設(shè)備開發(fā)跟進(jìn)，最后實(shí)現(xiàn)從半固態(tài)到全固態(tài)的轉(zhuǎn)變，液體含量不斷下降，能量密度不斷提高，安全性能得到進(jìn)一步提升。同時(shí)，通過(guò)規(guī)模化的產(chǎn)品提升產(chǎn)品的良率和一致性，從而帶來(lái)單位成本的不斷下降，實(shí)現(xiàn)多層次協(xié)同創(chuàng)新。
李崢坦言，清陶能源最重要的競(jìng)爭(zhēng)力，是自己摸索出的核心材料和生產(chǎn)工藝。企業(yè)對(duì)于核心的掌控力越強(qiáng)，未來(lái)的迭代效率就越高。
2016年之前，固態(tài)電池還處于學(xué)術(shù)上的概念。經(jīng)過(guò)多年努力，清陶能源把固態(tài)鋰電池從一個(gè)高校實(shí)驗(yàn)室的樣品級(jí)別做到了規(guī)模化量產(chǎn)。清陶能源擁有國(guó)內(nèi)首條固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線，并率先實(shí)現(xiàn)了固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化，構(gòu)建了完備的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。目前，公司量產(chǎn)（1.7gwh現(xiàn)有產(chǎn)能和10gwh在建產(chǎn)能）的第一代產(chǎn)品是半固態(tài)電池，液含量在5%-15%之間，能量密度在240-420wh/kg之間；第二代準(zhǔn)固態(tài)電池已完成了小試，現(xiàn)已進(jìn)入中試，液含量小于5%，能量密度為400-500wh/kg；第三代全固態(tài)電池內(nèi)沒(méi)有任何液體，目前已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室階段的驗(yàn)證，正在進(jìn)行產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)相關(guān)工作，能量密度在500wh/kg以上。
從實(shí)驗(yàn)室樣品到規(guī)模化量產(chǎn)
清陶能源固態(tài)電池研發(fā)的迅速發(fā)展，一方面來(lái)自企業(yè)在“核心材料+工藝設(shè)備”技術(shù)進(jìn)階的路徑上不斷迭代優(yōu)化，另一方面是企業(yè)不斷提高工程化能力和極限制造能力。李崢表示，實(shí)驗(yàn)室的展示樣品要做成有市場(chǎng)規(guī)模的商品，必須要過(guò)制造能力和工程化這一關(guān)。近年來(lái)，清陶能源分別與北汽、上汽和廣汽等多家車企在固態(tài)電池領(lǐng)域進(jìn)行合作。通過(guò)和整車廠合作，清陶能源參與到整車廠的車型規(guī)劃和路線規(guī)劃過(guò)程中，除了能掌握第一手技術(shù)數(shù)據(jù)之外，還能根據(jù)市場(chǎng)要求匹配不同的技術(shù)體系，把技術(shù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，助力車企品牌向上。
清陶能源和上汽合作由來(lái)已久。2020年6月，上汽集團(tuán)參與了清陶能源e+輪融資。2021年，上汽集團(tuán)與清陶能源共同實(shí)現(xiàn)了超高能量密度固態(tài)鋰電池的實(shí)車驗(yàn)證，采用單體能量密度為368wh/kg的固態(tài)電池，結(jié)合上汽新一代純電平臺(tái)，實(shí)測(cè)cltc綜合續(xù)航里程達(dá)1083km。同時(shí)，在電芯、模組及相應(yīng)的soh算法策略研究方面均取得突破性開發(fā)進(jìn)展。這在當(dāng)時(shí)是國(guó)內(nèi)固態(tài)電池企業(yè)披露的數(shù)據(jù)中進(jìn)展最快、能量密度最高的半固態(tài)電池。
2022年1月，上汽集團(tuán)參與了清陶能源f++輪融資。2022年7月，上汽創(chuàng)新研發(fā)總院和清陶能源共同掛牌成立了固態(tài)電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，目的是將固態(tài)電池的安全性、能量密度和上汽的整車產(chǎn)品聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)上汽車打造第二代技術(shù)底座2.0版本時(shí)，將固態(tài)電池技術(shù)路線清晰勾勒出來(lái)。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的誕生和運(yùn)作本身是協(xié)同創(chuàng)新，是用一個(gè)比較好的機(jī)制來(lái)滿足市場(chǎng)需求。
“上汽整合了自身的電池資源，和我們從新型電池材料、電芯技術(shù)、生產(chǎn)工藝研發(fā)到電池如何裝車、裝在什么車型中，以及系統(tǒng)集成領(lǐng)域的開發(fā)都在聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。”李崢說(shuō)。
經(jīng)過(guò)半年時(shí)間的努力，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室取得了階段性的成果：在上汽魔方電池體系中，對(duì)不同尺寸、不同電量、不同續(xù)航里程的固態(tài)電池產(chǎn)品矩陣做了規(guī)劃，并將如期裝車量產(chǎn)；對(duì)固態(tài)電池安全性有了一個(gè)整體、科學(xué)的評(píng)估，有助于幫助上汽降本；聯(lián)合布局第二代固態(tài)電池，能量密度將突破400wh/kg。
更高的安全性、更高的能量密度、更長(zhǎng)的續(xù)航里程、更快的充電速度、最大限度地降低能耗是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的必然選擇。隨著多年的積累，清陶能源的“核心材料+工藝設(shè)備”技術(shù)進(jìn)階路徑已經(jīng)逐步清晰，同時(shí)具備了工程化和極限制造能力。這是清陶的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也是所有電池創(chuàng)新企業(yè)最重要的必修課。在未來(lái)的發(fā)展中，面向廣闊的市場(chǎng)，清陶能源將與更多的產(chǎn)業(yè)合作伙伴同行、共生、一起成長(zhǎng)。
解密固態(tài)電池
近日，半固態(tài)電池成為汽車行業(yè)炙手可熱的話題。截至目前，已有蔚來(lái)、賽力斯、長(zhǎng)安深藍(lán)等多家車企披露半固態(tài)電池裝車進(jìn)展，贛鋒鋰電、國(guó)軒高科等電池企業(yè)均宣布半固態(tài)電池預(yù)計(jì)在2023年批量交付。
為什么要發(fā)展固態(tài)電池？
固態(tài)電池，是一種使用固態(tài)電極和固體電解質(zhì)的電池。發(fā)展固態(tài)電池，主要原因在于目前液態(tài)鋰離子電池在能量密度、安全性等方面都遇到了發(fā)展瓶頸。
打個(gè)比方，液態(tài)鋰離子電池就像鋰離子的“游泳池”，正負(fù)電極材料在電解液中相互交換離子，產(chǎn)生了電能。而在充電過(guò)程中，鋰離子在負(fù)極表面經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)形成樹枝狀的金屬鋰，如果鋰枝晶刺穿隔膜就會(huì)造成內(nèi)部短路，存在安全隱患。另外，為了保證安全性，液態(tài)鋰離子電池的能量密度已接近天花板。
要在安全性與能量密度上實(shí)現(xiàn)突破，就要從材料這個(gè)根本問(wèn)題入手。固態(tài)電池應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)把作為“游泳池水”的電解液變成固態(tài)電解質(zhì)材料，電池漏液、鋰枝晶穿刺等安全風(fēng)險(xiǎn)都得以規(guī)避。安全問(wèn)題解決后，電池就能用上更高容量的正負(fù)極材料，打開能量密度的“天花板”。
不過(guò)，受限于固態(tài)電池技術(shù)以及規(guī)模化量產(chǎn)尚不成熟，當(dāng)下能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)裝車的是半固態(tài)電池。據(jù)清陶能源測(cè)算，目前這一代的半固態(tài)電池能量密度上限有望達(dá)到400wh/kg，較液態(tài)鋰離子電池提升30%-50%。
發(fā)展固態(tài)電池的難點(diǎn)在哪里？
不可否認(rèn)的是，第一代半固態(tài)電池是將固態(tài)電解質(zhì)成型到電極的表面，但電池中依然需要一部分液體用于改善界面接觸，同樣會(huì)面臨漏液、熱失控等安全風(fēng)險(xiǎn)。所以，盡管道阻且長(zhǎng)，我們?nèi)耘f需要發(fā)展全固態(tài)電池。
在清陶能源聯(lián)合創(chuàng)始人、總經(jīng)理李崢看來(lái)，固態(tài)電池并不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的材料體系創(chuàng)新，而是材料、工藝和設(shè)備結(jié)合起來(lái)的創(chuàng)新，勢(shì)必帶來(lái)傳統(tǒng)電池廠的工藝變革、產(chǎn)線升級(jí)。
另外，固態(tài)電池的生產(chǎn)概念也已發(fā)生變化。“傳統(tǒng)的鋰電池是集成封裝的概念，電池廠采購(gòu)正極、負(fù)極、隔膜、電解液等材料封裝成電池；固態(tài)電池則是做出一整塊致密的材料，是材料成型的制成概念。”李崢告訴記者。
固態(tài)電池，走哪條技術(shù)路線？
從固態(tài)電池根據(jù)電解質(zhì)材料來(lái)分，有聚合物電解質(zhì)與無(wú)機(jī)物電解質(zhì)兩條技術(shù)路線。
聚合物材料的柔性更好，所以它的優(yōu)勢(shì)在于更易加工，固-固接觸界面也更加致密。但是，聚合物也有劣勢(shì)，即鋰離子電導(dǎo)率較低。此外，它的電池能量密度、循環(huán)壽命也相當(dāng)有限。
無(wú)機(jī)物電解質(zhì)則有相反的特性。無(wú)機(jī)物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率相對(duì)更高，但是材料顆粒度、硬度較高，加工相對(duì)不易，難以制成薄膜，不易加工成致密成品。
作為國(guó)內(nèi)研發(fā)固態(tài)電池起步較早的企業(yè)，清陶能源貫徹的材料方案是兼用無(wú)機(jī)物與聚合物打造復(fù)合材料，采納兩者之所長(zhǎng)，以無(wú)機(jī)物作為主體保障鋰離子傳導(dǎo)功能，并在固-固界面處使用聚合物，提高致密性與加工柔性，將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)。
據(jù)了解，清陶能源的量產(chǎn)能力與技術(shù)能力在業(yè)內(nèi)相對(duì)領(lǐng)先。國(guó)內(nèi)多數(shù)固態(tài)電池企業(yè)都在跟隨清陶能源這套復(fù)合材料路線。
李崢表示，“目前，清陶能源的產(chǎn)品正應(yīng)用于航空航天以及一些特殊的儲(chǔ)能領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域積累技術(shù)、迭代優(yōu)化并提升產(chǎn)能。”
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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