产业化进展不顺,固态电池能否如期装入蔚来ET7?
卡门精选2021-01-12
新造车大公司行业
2024年会是一个乐观的半固态电池大规模应用时间节点,至于全固态,可能要到2030年。

编者按:本文来自微信公众号“出行一客”,作者 施智梁团队,未来汽车日报经授权发布。

1月9日晚,蔚来汽车(NYSE: NIO)发布首款豪华电动轿车ET7,官方称续航最高可达1000公里以上。

这样的续航里程基于电池领域的技术突破——固态电池。蔚来将在2022年第四季度量产150kWh固态电池产品,此前蔚来的电池产品已经历从70、84到100kWh的多次迭代。采用该电池产品后,2018款ES8续航可达730km,ET7的续航可达1000公里以上。

电动汽车行业主流采用液态锂电池技术,固态电池是全球相关企业面向未来的重点布局方向,但由于技术难点尚未突破,而且成本较高,业内普遍预计距离规模化量产还需要5年-10年。由此,蔚来表示搭载固态电池的车型最快在两年后上路,引发了业内强烈关注。

▲ 图源于网络

“目前采用的并非全固态,还是带有液体。”蔚来汽车创始人、董事长、CEO李斌强调,全固态电池的量产还是很远的事情,原因是市场需求很低,如果为了续航能力而牺牲成本,用户与车企都不会买单。不过李斌透露,固态电池小试已经达到了技术要求。

中国科学院物理研究所李泓博士对出行一客分析道,电池是一个复杂体系,一个新材料的商业化,必须是所有配套材料同步革新,这本身就是一个长周期;而产品开发后,还有小试、中试、量产等阶段,期间不断修正也需要时间。因此,电池技术革新往往较慢。

李泓预计,考虑到完整的供应链成型、工艺体系成熟、产能建设足够,以及足够的路试时间,2024年会是一个相对乐观的半固态电池大规模应用时间节点,至于全固态,可能要到2030年。

很大可能是半固态电池

“1000+KM”!出行一客在成都举办的“NIO Day 2020”现场观察到,尽管普通人难以理解的技术细节繁多,但当李斌宣布150kWh固态电池能为新车ET7带来超过1000公里的续航时,现场爆发出一阵欢呼和掌声。

▲ 记者王静仪拍摄

李斌介绍,这款固态电池采用原位固化固液电解质、无机预锂化碳硅负极及纳米级的超高镍正极,在能量密度和充电效率提升的同时保证寿命。相较于常规的三元锂电池,提升50%的能量密度,达到360Wh/kg。

一般认为,液态锂电池的能量密度上限为300Wh/kg,而固态电池能突破这一上限,实现同等电池体积下更高里程的续航。这一点对于采用换电模式的蔚来汽车更为重要,规模化的换电需要保持电池的尺寸一致。

相较于当前主流电池正负极、隔膜、电解液的结构,固态电池其实没有任何变化,只是用固态或半固态电解质,替代了液态的电解液。电池使用固态电解质后,既能提升电压平台从而拔高能量密度上限;又因不易燃烧、不产气等特点,极大程度上提高了电池安全性。

基于以上优势,固态电池一直是下一代锂电技术的焦点。值得一提的是,固态电解质本质上只是电池电解质部分由液态变成了固态,对其正负极材料则没有限制,因此理论上,固态电池有千万种类型,它既可以是三元锂电池,也可以是磷酸铁锂电池。

此外,由于固态电解质高安全、高电压的特点,使得诸多新型电池材料更容易得到有效应用。一旦固态电池真正具备商业化条件,基于固态电池的诸多锂电新材料应用将接踵而至,届时,锂电技术革新或将迎来质变。

李泓向出行一客指出:“固态电解质是一种通用型策略,一旦开发成功,再搭配不同的正负极材料,能满足消费类电子、无人机、动力储能、航空航天、轨道交通等诸多领域的需求。”

因此,与其将固态电池看成一种新型电池产品,不如将其当作某种解锁电池材料性能上限的技术手段,这正是业内对固态电池技术寄予厚望的原因所在。与此同时,固态电解质带来的安全性质变,是当前新能源产业迫切需要的。

基于预期量产时间和已发布的技术要点,业内认为,蔚来这款将于2022年四季度量产的固态电池大概率为半固态电池,这是液态电池向固态电池过渡的中间产品,仍然采用隔膜与电解质等物质。

蔚来暂未透露固态电池供应商的身份,“能告诉大家的是,来自业内最顶尖的公司”,李斌对出行一客说道。目前固态电池龙头企业包括江苏昆山的清陶能源和中国台湾的辉能科技等。

固态电池产业化进展不顺

尽管固态电池有着种种优势,但其产业化的进展并不顺利。

2020年3月,哪吒汽车发布了一款搭载固态电池的新车型—哪吒U。据其透露,哪吒U计划于去年10月份申报工信部公告,年底前量产500台。如今已至2021年,500台哪吒固态电池汽车却不见踪影,由此可见固态电池“真香”的同时也有着极高的开发难度。

目前固态电池所面临的主要瓶颈是固态电解质的导电率、内阻、界面阻抗及相容性等。因此,现阶段各大企业的研发重点是固态聚合物电解质、无机固体电解质的设计及制备技术、固/固界面构筑及稳定化技术;并在此基础上完善电池生产工艺及专用设备的研究,来实现产品的量产。

李泓向出行一客表示:“车企敢于开发固态电池汽车的前提是,固态电池产能至少达到1Gwh,在此基础上,考虑到完整的供应链成型、工艺体系成熟、产能建设足够,以及足够的路试时间。”

李泓判断, 2024年会是一个相对乐观的半固态电池大规模应用时间节点,至于全固态,可能要到2030年。

相对而言,清陶能源总经理李峥的预测则更为激进,他认为2022年底就是固态电池在汽车领域崭露头角的破晓时分。

“目前,固态电池已经在消费电子等领域实现了量产应用,三年内固态电池将在乘用车领域替代性使用,三年后(新车开发时间大概3年),将会有真正基于固态电池正向研发的车辆面向消费者。” 2020年5月,李峥在接受出行一客采访时表示。

2020年7月,刚刚完成E+轮融资的清陶能源,其位于宜春的固态电池量产线正式投产,产能1Gwh,已满足李泓博士判断的车型研发前提。除清陶能源能源外,辉能科技1GWh固态电池产线预计2021年开始量产,星盈科技2GWh的全固态锂电池生产线预计2024年投产。

相较主流的液态锂电池,固态电池成本较高。此前辉能科技曾测算,当产能在1GWh时,辉能的固态电芯成本是液态电芯的1.6倍;当做到7GWh时,其成本与NCM622基本持平。

▲ 记者王静仪 拍摄

蔚来ET7的起售价为44.8万元,相较于大众化车型,售价高的车型更有能力承担固态电池的高昂成本。

李斌向出行一客补充道:“从成本上来说,我们一直都不是高毛利率的公司,我们原来是负毛利。但是ET7的规模已经上来了,生产制造的分摊、供应链对我们也更友好了,所以总体上来说ET7会有一个合理的毛利率,不会影响整个公司的财务表现。”

换电站部署晚于预期,单个换电站成本超百万

研发更高密度的电池是一方面,在车辆使用过程中保持充电换电的可持续性是另一方面。

大众汽车集团(中国)CEO冯思翰(Stephan Wollenstein)曾对出行一客强调充电便利性的重要程度:“我们要考虑的是满足一辆车的充电需求,而不是让它能够行驶1000公里以上。比如到中石油加油,5分钟就加好了,而且有很多的加油站满足需求。”

截至1月9日,蔚来已经部署了177座换电站,这远落后于原本的计划。李斌曾公开表示,到2020年建成1000座换电站,如今实现了不到20%。

发布固态电池的同时,蔚来推出了性能更强的第二代换电站。每个站点占据4个车位大小,单日最大为312车次提供服务,最多装载13块电池。车辆自动泊入,用户无需下车。车内一键启动,即可自助换电。

蔚来汽车联合创始人、总裁秦力洪向出行一客介绍,抛去前期的研发分摊,换电站的硬成本有两块,一块是初期建设、人员值守、日常保养,分摊下来一个站几十万。另外一块以电费为主,不同的时间不同的地方都不一样,有的用户换电不花钱有的花钱,平均成本也是一个站几十万,300来个站可能就是2个来亿的成本水平。

▲ 图源于网络

“2个来亿对于我们今天的规模和整个公司的财务和预算状况来说,纯财务是一个不大的事。真正的挑战在于换电站的运营效率和服务的标准,比如最近有些站应对低温的准备不足导致当天没有营业,有些站没有实现24小时营业,还有很大的运营潜力可以挖。”秦力洪认为。

蔚来预计,在2021年实现500座换电站的总目标,这意味着今年要增加超过300座,平均一天一座。

李斌向出行一客表示,随着用户数量的增多,能够利用数量带来的网络效应、规模优势,去更好地部署基础设施、优化运营效率。比如说以前用户去西藏,要派充电车去保障用电,现在去得多了,就可以布超充桩,这就合算了。

过去业内总将新造车势力的优势归咎在软件部分,但当其硬件及配套服务也走在时代前列的时候,是否也该重新审视一下这群半路杀入汽车圈的不速之客。

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