在市場(chǎng)和需求的驅(qū)動(dòng)下，越來越多的新型電池技術(shù)走到臺(tái)前

今年以來，伴隨新能源整車市場(chǎng)的高歌猛進(jìn)，動(dòng)力電池行業(yè)好不“熱鬧”。在市場(chǎng)和需求的驅(qū)動(dòng)下，在原材料漲價(jià)和競(jìng)爭(zhēng)加劇的大潮中，得益于新材料和新工藝的發(fā)展，越來越多的新型電池技術(shù)走到臺(tái)前。它們中有些即將量產(chǎn)，有些前景可期。這些變化賦予了新能源汽車及動(dòng)力電池行業(yè)更多生機(jī)與活力，但同時(shí)也意味著市場(chǎng)存在一定的變數(shù)。面對(duì)這種局面，如何做出決策、如何開展布局，將是對(duì)企業(yè)的一項(xiàng)大考。

百花齊放中的新型電池技術(shù)

近日，工信部發(fā)布的最新一批《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》顯示，廣汽新能源推出了一款新車型AIONLXPLUS。據(jù)悉，該款車憑借續(xù)駛里程超過1000km，百公里耗電量只有15.8kWh，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。此前，廣汽新能源方面就曾對(duì)這一新車型進(jìn)行推介稱，其超長(zhǎng)續(xù)駛里程主要得益于海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)。

近一兩年來，動(dòng)力電池在續(xù)駛、安全、快充等性能上的“內(nèi)卷”不斷加劇，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)特性的技術(shù)五花八門。在新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模和滲透率不斷提升的驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的步伐正在加快，為產(chǎn)業(yè)格局的重塑帶來一股新變量。

硅負(fù)極電池

據(jù)了解，廣汽埃安AION LXPLUS配裝新型鎳鈷錳三元鋰電池，系統(tǒng)能量密度達(dá)到205Wh/kg。與普通鎳鈷錳三元鋰電池不同的是，新型電池的負(fù)極加入了像海綿一樣柔軟的硅片。這種設(shè)計(jì)使硅在充放電過程中的膨脹和收縮被限制和緩沖不會(huì)碎裂，同時(shí)也像海綿吸水一樣，讓硅負(fù)極發(fā)揮大容量的優(yōu)勢(shì)，儲(chǔ)存更多能量，其核心優(yōu)勢(shì)在于大幅降低了電池的質(zhì)量和體積。

廣汽新能源官方資料顯示，通過這項(xiàng)自主研發(fā)的“海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)”，在同等電量情況下，動(dòng)力電池單體電芯可實(shí)現(xiàn)體積減小20％、重量減輕14％。這款新型電池目前的電芯能量密度可達(dá)280Wh/kg，未來通過技術(shù)迭代，這個(gè)數(shù)值有望提升至315Wh/kg。

現(xiàn)階段，我國(guó)動(dòng)力電池的負(fù)極材料主要以人造石墨為主，但其克容量已接近理論數(shù)值，難以進(jìn)一步提升，因此開發(fā)鋰電池的新型負(fù)極材料及技術(shù)成為研發(fā)重點(diǎn)。

商業(yè)化的硅材料負(fù)極一般為硅碳復(fù)合體系，隨著相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用逐步推進(jìn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年，我國(guó)硅碳負(fù)極材料出貨量為0.9萬噸，占比約為2％。

一向被稱為新能源汽車行業(yè)風(fēng)向標(biāo)的特斯拉，幾年前就將目光轉(zhuǎn)向了硅負(fù)極技術(shù)。從ModelS、ModelX開始，特斯拉就在動(dòng)力電池的石墨負(fù)極中摻入硅材料。Model3上使用的21700電池中，硅的比例再次得到提升，能量密度較上一代18650電池提升約20％。值得關(guān)注的是，特斯拉方面還表示，最新的4680電池將導(dǎo)入硅負(fù)極替代原來的碳基材料。另?yè)?jù)獲悉，特斯拉近期收購(gòu)了美國(guó)電池初創(chuàng)公司SiILion，后者擁有“包含硅顆粒的大型電池負(fù)極”專利，目前已轉(zhuǎn)移到特斯拉名下。

國(guó)內(nèi)造車新勢(shì)力在動(dòng)力電池新技術(shù)應(yīng)用上也不甘落后。今年1月，蔚來汽車方面表示，將在2022年交付150kWh電池包，正極使用納米包覆超高鎳材料，負(fù)極使用預(yù)鋰化硅碳負(fù)極，同時(shí)使用半固態(tài)電解質(zhì)，單體能量密度可達(dá)350Wh/kg。今年4月上市的智己L7，其118kWh高配版動(dòng)力電池采用與寧德時(shí)代合作的“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)，官方稱其電芯最高能量密度可達(dá)300Wh/kg，具有20萬公里零衰減和“永不自燃”的特性。

國(guó)際上，松下、三星SDI的圓柱電池此前已導(dǎo)入硅碳負(fù)極。此外，豐田、三菱、日立化成等也是主要的硅基負(fù)極材料技術(shù)專利申請(qǐng)企業(yè)。

在國(guó)內(nèi)，主流動(dòng)力電池供應(yīng)商早已看到硅負(fù)極電池的發(fā)展?jié)摿Γ葋喌稀幍聲r(shí)代、國(guó)軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬向等都展開了相關(guān)布局。比如，今年年初，國(guó)軒高科首次推出能量密度達(dá)210Wh／kg的磷酸鐵鋰電池新品。該公司表示，這一性能的提高，離不開關(guān)鍵的“高克容量硅負(fù)極材料和先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)”。

據(jù)介紹，硅碳負(fù)極材料因其比容量大，能大幅提高鋰電池的能量密度，是新一代負(fù)極材料的發(fā)展方向。東北證券的研究報(bào)告顯示，鋰電池負(fù)極從石墨體系到硅基負(fù)極將是未來的升級(jí)方向。隨著動(dòng)力電池能量密度要求的提高，硅碳負(fù)極搭配高鎳三元材料成為發(fā)展趨勢(shì)。未來兩年，隨著高鎳三元材料技術(shù)逐漸成熟，硅碳負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化即將到來。

新能源與智能網(wǎng)聯(lián)獨(dú)立研究員曹廣平對(duì)《中國(guó)汽車報(bào)》記者表示，目前硅負(fù)極或高硅含量的硅碳負(fù)極材料，優(yōu)勢(shì)在于克容量較大，理論上是現(xiàn)有石墨負(fù)極的幾倍或10倍以上，因此使用硅做負(fù)極可大副提高鋰離子電池的能量密度。硅是碳的同族元素，硅或硅碳負(fù)極材料在電化學(xué)上都能實(shí)現(xiàn)嵌鋰和脫鋰。“不過，由于硅在嵌鋰的過程中體積膨脹較大，脫鋰后又容易坍塌，所以理論上設(shè)計(jì)難度較大、使用壽命較差。”他稱。

對(duì)此，有業(yè)內(nèi)人士指出，硅碳負(fù)極適合做壽命同樣相對(duì)略短的高鎳三元正極的“搭檔”，生產(chǎn)循環(huán)壽命滿足常規(guī)使用需求、具備高能量密度的電池單體。

“現(xiàn)在，硅碳負(fù)極的成本稍高，而且還存在體積膨脹、首效低及補(bǔ)鋰技術(shù)不成熟等挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)隨著這些問題得以解決，會(huì)有更多車型配裝硅碳負(fù)極的動(dòng)力電池。”一家新能源汽車企業(yè)的相關(guān)負(fù)責(zé)人說。

“在鋰負(fù)極或鋰混合負(fù)極產(chǎn)業(yè)化之前，硅碳或硅負(fù)極很可能有一定的市場(chǎng)窗口期，其長(zhǎng)短取決于能否補(bǔ)齊自身短板以及下一代鋰負(fù)極的難題何時(shí)攻克。”曹廣平認(rèn)為。

鈉離子電池

今年，寧德時(shí)代成功帶“火”了鈉離子電池。在新品線上發(fā)布會(huì)上，寧德時(shí)代推出了電芯單體能量密度高達(dá)160Wh/kg的鈉離子電池，并計(jì)劃將下一代產(chǎn)品的能量密度提高到200Wh/kg。此外，寧德時(shí)代鈉離子電池在快充性能上優(yōu)勢(shì)明顯，在常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80％以上；在零下20℃的低溫環(huán)境中，也能擁有90％以上的放電保持率，系統(tǒng)集成效率可達(dá)80％以上。

當(dāng)前，鈉離子電池仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，動(dòng)力電池企業(yè)紛紛布局相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)能。寧德時(shí)代方面表示，計(jì)劃2023年基本形成鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈。此外，中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等也在進(jìn)行相關(guān)布局。國(guó)際上，英國(guó)FARADION、日本松下、豐田等國(guó)外企業(yè)也都在進(jìn)行鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化探索。

據(jù)了解，我國(guó)鈉儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本低廉，可用于支撐大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展。中科海鈉董事長(zhǎng)胡勇勝指出，他們研制的高容量、長(zhǎng)壽命、超低成本、環(huán)境友好新型軟碳負(fù)極材料——高溫裂解無煙煤，為鈉離子電池負(fù)極材料實(shí)用化奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)，發(fā)明專利已在中國(guó)、美國(guó)、日本獲得授權(quán)。

資料顯示，我國(guó)80％以上的鋰原料依賴進(jìn)口，而且其不斷攀升的價(jià)格也讓行業(yè)承壓明顯。相比之下，鈉資源儲(chǔ)量大，且提煉簡(jiǎn)單。據(jù)中科海鈉方面測(cè)算，受益于更低的材料成本，鈉離子電池較鋰離子電池成本通常低30％～40％。

廣發(fā)證券的研究報(bào)告顯示，2025年，國(guó)內(nèi)鈉離子電池潛在應(yīng)用場(chǎng)景需求量為123GWh，以磷酸鐵鋰電池價(jià)格計(jì)量，對(duì)應(yīng)537億元左右的市場(chǎng)空間。

此前，工信部答復(fù)政協(xié)提案表示，有關(guān)部門將支持鈉離子電池加速創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，支持先進(jìn)產(chǎn)品量產(chǎn)能力建設(shè)。

“鈉離子電池目前已小批量試產(chǎn)，但要大規(guī)模應(yīng)用還需過工藝關(guān)、質(zhì)量關(guān)、上車關(guān)、使用關(guān)，而進(jìn)一步推廣受限于能量密度較低等短板。”曹廣平介紹道。

業(yè)內(nèi)專家指出，鈉離子電池可以作為當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)路線的補(bǔ)充，不過要想大規(guī)模商業(yè)化仍需面對(duì)諸多挑戰(zhàn)。比如，鈉離子電池自重較重，作為動(dòng)力電池還要在能量密度上實(shí)現(xiàn)突破。此外，鈉離子電池的正負(fù)極、電解液等材料供應(yīng)也尚未形成規(guī)模。鈉離子電池未來應(yīng)用場(chǎng)景或主要集中在儲(chǔ)能、低速電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。

中信證券的研究報(bào)告顯示，在能源變革的大時(shí)代下，鈉離子電池在資源豐富度、成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，未來幾年隨著產(chǎn)業(yè)投入的加大，技術(shù)走向成熟、產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，有望在儲(chǔ)能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，在一定程度上形成對(duì)鋰離子電池、鉛酸電池等成熟儲(chǔ)能技術(shù)的補(bǔ)充。

鋰金屬電池

從硅負(fù)極技術(shù)的發(fā)展來看，提升動(dòng)力電池能量密度的著力點(diǎn)已從正極拓展至負(fù)極等組成部分上。在這一行業(yè)背景下，采用金屬鋰作為負(fù)極材料的鋰金屬二次電池也受到更多關(guān)注。

與鋰離子電池相比，混合鋰金屬電池的正極材料幾乎與之完全一樣。作為負(fù)極材料，鋰金屬的理論容量為3860mAh/g，約為石墨的10倍，可與現(xiàn)有高容量正極體系搭配。高能量密度的鋰金屬電池，以其材料本身的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)超出常規(guī)鋰電池40％以上的能量密度，達(dá)到400Wh/kg以上。

近日，混合鋰金屬電池供應(yīng)商SES發(fā)布了Apollo鋰金屬電池，容量高達(dá)107Ah，據(jù)稱是目前全球單體容量最大的鋰金屬電池，也是世界上首次公開展示的超過100Ah的單體鋰金屬電池。

據(jù)介紹，SES正在建設(shè)上海超級(jí)工廠，計(jì)劃于2023年竣工，總面積為3萬平方米。超級(jí)工廠坐落于嘉定國(guó)際汽車城，建成后的產(chǎn)能將達(dá)1GWh，屆時(shí)成為全球產(chǎn)能最大的鋰金屬電池工廠。SES創(chuàng)始人胡啟朝表示，混合鋰金屬電池產(chǎn)業(yè)化可能的時(shí)間點(diǎn)預(yù)計(jì)在2025年。

據(jù)介紹，與鋰離子電池相比，混合鋰金屬電池技術(shù)路線既可以提升能量密度，又可以改善安全性。曹廣平對(duì)記者表示，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，混合鋰金屬電池采用了大克容量的鋰金屬負(fù)極以及較薄固態(tài)電解質(zhì)層，可以大幅提升能量密度。

國(guó)內(nèi)主流電池企業(yè)也看到了混合鋰金屬電池未來的發(fā)展空間。寧德時(shí)代11月4日在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，公司一直緊跟國(guó)際前沿的研究，成立了21C實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前瞻性技術(shù)攻關(guān)，目前正推進(jìn)包括金屬鋰電池、全固態(tài)電池等在內(nèi)的新型技術(shù)布局。

億緯鋰能研究院先進(jìn)電池研究所彭燕秋介紹說，近年來億緯鋰能專注于金屬鋰電池的研究，通過系統(tǒng)分析各關(guān)鍵工藝及相關(guān)設(shè)備的原理，采取新型金屬鋰來料方式、新設(shè)備開發(fā)、參數(shù)優(yōu)化等策略，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)模切及半自動(dòng)疊片，金屬鋰二次電池疊片時(shí)間僅需1.7分鐘，并在鋰硫電池的開發(fā)上進(jìn)行了驗(yàn)證，后續(xù)將通過模切－疊片一體化設(shè)備的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)疊片工藝，為高比能金屬鋰二次電池提供可靠的技術(shù)支撐。

有業(yè)內(nèi)人士指出，雖然鋰金屬電池的儲(chǔ)電量相當(dāng)于鋰離子電池的10倍，但在商業(yè)化上面臨“卡脖子”的問題，即在鋰金屬電池充放電時(shí)，鋰會(huì)不均勻地聚集在電極上。這種積聚會(huì)大大縮短動(dòng)力電池的壽命，而且可能會(huì)導(dǎo)致短路甚至起火。

“鋰金屬電池技術(shù)的發(fā)展主要存在三個(gè)方面的問題，一個(gè)是容易生長(zhǎng)出鋰枝晶，它刺破隔膜可是影響安全性的大問題；二是鋰負(fù)極容易產(chǎn)生體積的劇烈膨脹，嚴(yán)重影響電池壽命；三是鋰的化學(xué)性質(zhì)活潑，在潮濕空氣等環(huán)境下就能反應(yīng)，因此生產(chǎn)需要在特殊條件下進(jìn)行，存在很多工藝上的難題有待改進(jìn)。”曹廣平告訴記者。彭燕秋也表示，鋰金屬二次電池距離實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。

近期，美國(guó)哈佛大學(xué)公布的一項(xiàng)新研究，將鋰金屬、固態(tài)電解質(zhì)兩大方向結(jié)合，取得了新突破。其研發(fā)的鋰金屬固態(tài)電池表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的狀態(tài)，在高能量密度設(shè)定下，仍可實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)超1萬次，用在電動(dòng)汽車上預(yù)期壽命可達(dá)10-15年，快充模式下10-20分鐘即可“滿血”。

4680大圓柱電池

近日，億緯鋰能發(fā)布公告稱，子公司億緯動(dòng)力擬與荊門高新區(qū)管委會(huì)簽訂合同書，分別在荊門高新區(qū)投資建設(shè)20GWh乘用車用大圓柱電池生產(chǎn)線及輔助設(shè)施項(xiàng)目、16GWh方形磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)線及輔助設(shè)施項(xiàng)目，投資項(xiàng)目固定資產(chǎn)投資總額約為62億元。

億緯鋰能董事長(zhǎng)劉金成表示，將在荊門建設(shè)的大圓柱電池項(xiàng)目，可能是全世界范圍內(nèi)最先量產(chǎn)的4680、4695電池生產(chǎn)基地。

事實(shí)上，松下、特斯拉、比克、蜂巢能源等企業(yè)也在布局4680大圓柱電池，而且一些企業(yè)的產(chǎn)品即將迎來量產(chǎn)。

前不久，松下首次發(fā)布4680電池新產(chǎn)品，存儲(chǔ)容量是現(xiàn)有電池的5倍，計(jì)劃2022年3月在日本開始試生產(chǎn)。松下方面介紹稱，4680大圓柱形電池專為滿足特斯拉電動(dòng)汽車的要求而制造，生產(chǎn)成本減半。今年，松下已在日本建立了一條4680電池測(cè)試線。松下方面還表示，如果能以比同行更高的效率生產(chǎn)這款電池，將考慮進(jìn)行大規(guī)模投資，并向特斯拉以外的車企供應(yīng)。此外，三星SDI和LG能源也完成了性能更強(qiáng)的4680電池的樣品開發(fā)，目前正在進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)完整性。

圓柱電池卷繞工藝成熟、成本低，但芯內(nèi)熱量不易散出，熱管理的效果稍差，且成組后體積能量密度稍低。對(duì)此，各企業(yè)通過不同的創(chuàng)新手段改善其存在的問題。比克電池首席科學(xué)家林建介紹稱，通過對(duì)正負(fù)極材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，比克全極耳大圓柱產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度符合預(yù)期，在兼顧能量密度的基礎(chǔ)上快充性能提升3倍，目前產(chǎn)品已為部分客戶送樣，在滿足市場(chǎng)需求的基礎(chǔ)上，測(cè)試結(jié)果部分性能優(yōu)于預(yù)期。

蜂巢能源董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官楊紅新認(rèn)為，大圓柱電池的市場(chǎng)前景廣闊，在高性能跑車、SUV等領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以此為突破口，圓柱電池可與方形、軟包電池展開競(jìng)爭(zhēng)。今年，蜂巢能源也將切入大圓柱電池領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)圓柱電池相比，4680電池的性能明顯提升：一是空間利用率提高，圓柱體積的增大可以減少電池單體數(shù)目；二是生產(chǎn)成本降低，單體能量密度增加，意味著電芯數(shù)量的減少；三是快充性能改善，15分鐘內(nèi)能充至80％的電量，功率密度峰值可達(dá)1000W/kg以上。

由于歷史原因，我國(guó)方形動(dòng)力電池所占比重較大，圓柱電池應(yīng)用式微。而現(xiàn)在，不少整車企業(yè)與供應(yīng)商又將目光重新放在升級(jí)后的大圓柱電池上。受特斯拉國(guó)產(chǎn)化的帶動(dòng)，國(guó)內(nèi)圓柱電池的裝車量逐漸重回正增長(zhǎng)，2020年達(dá)到8.35GWh，占國(guó)內(nèi)新能源汽車電池裝車量的13％。

林建表示，大圓柱電池的應(yīng)用潛力很大，特別是在高端乘用車和商用車市場(chǎng)。此外，它不僅可以配套整車，一些續(xù)駛要求較高的短途出行工具和終端設(shè)備同樣適用。圓柱電池在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值依然存在，其高一致性和低成本的優(yōu)勢(shì)仍能在一些細(xì)分領(lǐng)域找到合適的生存空間。隨著量產(chǎn)上市，大圓柱電池或得到更多車企的青睞。

來源：中國(guó)汽車報(bào) 作者：趙玲玲