揭秘“凝聚態(tài)”：不是半固態(tài)電池，也不是過渡產(chǎn)品

時間:2023-04-24 09:21來源:錦緞 作者:知勇
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乘著能源轉(zhuǎn)型的時代巨潮，中國在諸多領(lǐng)域從一個后來者變成領(lǐng)頭羊。特別是最近幾年，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度令人嘆為觀止。這背后離不開電池技術(shù)的不斷創(chuàng)新。
繼首創(chuàng)CTP技術(shù)、鈉離子電池、M3P和麒麟電池之后，4月19日，寧德時代再次點亮新的科技樹——凝聚態(tài)電池。
這不僅是一項醞釀已久的重大創(chuàng)新，更是一次面向未來、充分滿足電動化全方位要求的里程碑式突破。
新能源的“凝聚態(tài)時刻”，意味著什么？
 
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01
揭秘“凝聚態(tài)”：不是半固態(tài)電池，也不是過渡產(chǎn)品 

1、凝聚態(tài)電池的起源
電池技術(shù)的不斷進步帶來續(xù)航里程和充電效率得到顯著提升，過去10年來，動力電池能量密度提升了2-3倍，乘用車續(xù)航里程從最開始100多公里到如今突破1000公里。從出租車到短距離配送貨車、城市公交，再到重卡等應(yīng)用場景，我們看到電氣化深化的趨勢已愈演愈烈。
經(jīng)過一輪高速發(fā)展期，從實際電池技術(shù)發(fā)展情況看，鋰離子電池能量密度的提升速度開始放緩并接近理論極限，常規(guī)的電池升級路線面臨技術(shù)和制造工藝層面的重大考驗。
而追求高續(xù)航、高能量密度仍是行業(yè)大趨勢，要實現(xiàn)全面電動化和碳中和目標(biāo)，沒有捷徑可言，產(chǎn)業(yè)界必須找到更先進的電化學(xué)材料體系，實現(xiàn)更高能量密度的突破。
然而，高能量密度和安全性往往是魚和熊掌不可兼得。這是因為電池的能量密度越高，其材料體系就越活躍，對電池的安全性提出更苛刻的要求。這也是一直制約著電池技術(shù)突破天花板的核心癥結(jié)。從業(yè)人員時常會陷入自我懷疑，鋰電池商業(yè)化至今三十多年，電池技術(shù)會陷入研發(fā)和創(chuàng)新升級的長期瓶頸期嗎？
有沒有既要又要的解決方案，找到高能量密度和高安全之間的精妙平衡點？答案就藏在寧德時代的凝聚態(tài)電池里。
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2、凝聚態(tài)電池的核心技術(shù)
作為長期跟蹤新能源發(fā)展的研究機構(gòu)，我們第一次聽到凝聚態(tài)電池就倍感振奮。
最早寧德時代公開表示研究凝聚態(tài)電池是在去年6月，當(dāng)時寧德時代董事長曾毓群在重慶車展上透露，“除全固態(tài)電池、半固態(tài)電池，包括大家沒有聽過的凝聚態(tài)電池，寧德時代都在搞。”經(jīng)過不到一年的等待，我們終于看到凝聚態(tài)電池在上海車展首次揭開神秘的面紗。
最為關(guān)注的指標(biāo)，毫無疑問就是能量密度。凝聚態(tài)電池的主要優(yōu)點之一是高能量密度，其單體能量密度高達500Wh/kg，打破了目前主流材料體系的天花板。500Wh/kg是什么概念？相當(dāng)于松下2170圓柱電池的近兩倍，刀片電池的近三倍。
凝聚態(tài)電池的發(fā)布，標(biāo)志著電池領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，顯然沒有進入瓶頸期。
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第二大關(guān)注的指標(biāo)，自然就是安全性。這么高的能量密度，如何確保電池安全成為核心看點。前文提到電池的能量密度越高，其材料體系就越活躍，安全性難以保障。凝聚態(tài)電池能否突破這個蹺蹺板效應(yīng)？相信大家和我們一樣都想一探究竟。
具體而言，寧德時代針對超高比能化學(xué)材料的電化學(xué)反應(yīng)變化，采用了高動力仿生凝聚態(tài)電解質(zhì)。也就是說，寧德時代的凝聚態(tài)電池內(nèi)部不是傳統(tǒng)意義的液態(tài)電解液，而是升級為凝聚態(tài)電解質(zhì)。
相比液態(tài)電解質(zhì)，凝聚態(tài)電解質(zhì)不易燃、零揮發(fā)，顯著提升了電池的熱穩(wěn)定性。
當(dāng)然，光靠改變電解質(zhì)來實現(xiàn)高能量密度是遠遠不夠的。正如寧德時代首席科學(xué)家吳凱所言，“電池有一個特點，它有N個性能指標(biāo)，但之間都是強耦合，一個性能指標(biāo)提高了，往往其他數(shù)額性的指標(biāo)會下降。”
寧德時代的創(chuàng)新在于通過構(gòu)建微米級別自適應(yīng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)鏈間相互作用力，在增強微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，提高電池動力學(xué)性能，提升鋰離子運輸效率。
在電化學(xué)中，電池的安全性能和正負極材料的能量密度是強相關(guān)的。凝聚態(tài)電池顯著提升了電池的安全性能，并可在保證高比能的情況下還具備高安全性。目前已開發(fā)了6系到9系的凝聚態(tài)電池，可以做到電芯解體的情況下也不起火不爆炸。
更重要的是，凝聚態(tài)電池還聚合了高比能正極、新型負極、隔離膜等一系列創(chuàng)新技術(shù)，而不是大家想象中的半固態(tài)電池概念。最終，凝聚態(tài)電池在實現(xiàn)高能量密度的同時又具備高安全性和優(yōu)秀的充放電性能。
簡單來說，就是改了配方，改了結(jié)構(gòu)，還適配了制造工藝。
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透過凝聚態(tài)電池的創(chuàng)新，我們看到一個趨勢，就是電池的高端化。正所謂“好馬配好鞍”，新能源車的高端化升級趨勢，首先帶來的就是長續(xù)航、高性能動力電池的需求。
根據(jù)發(fā)布會透露，凝聚態(tài)電池的車規(guī)級版本將在今年內(nèi)具備量產(chǎn)能力。也就是說，年內(nèi)有望見到凝聚態(tài)電池量產(chǎn)車型落地，助力新能源車企的高端化之路再上新臺階。
總結(jié)而言，寧德時代凝聚態(tài)電池的問世，突破了長期以來限制電池行業(yè)發(fā)展的天花板，將激活以高安全和輕量化為核心訴求的全新電動場景。目前，寧德時代甚至正在進行民用電動載人飛機項目的合作開發(fā)，執(zhí)行航空級的標(biāo)準與測試，滿足航空級的安全與質(zhì)量要求。
可能不僅僅是一款創(chuàng)新的電池這么簡單，凝聚態(tài)電池作為寧德時代創(chuàng)新體系的最新成果，也是其開啟下一輪創(chuàng)新節(jié)奏、實現(xiàn)零碳戰(zhàn)略的里程碑。
 
02
全面可持續(xù)發(fā)展不再遙遠
 
1、將創(chuàng)新進行到底
自主創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的源泉，很多偉大的企業(yè)都是在不斷創(chuàng)新的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的。那么什么是真正的創(chuàng)新？近期的AI浪潮給了我們最鮮活的答案，革命性、顛覆式的創(chuàng)新才是最攝人心魄的。制造業(yè)領(lǐng)域，我們也觀察到更多類似的創(chuàng)新樣本。
為了利用清潔高效的電力系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)化石能源為主的固定和移動能源系統(tǒng)，實現(xiàn)更多場景的電動化，寧德時代相繼首創(chuàng)了鈉離子電池、M3P、麒麟電池等技術(shù)，并均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化：
  • 2021年，寧德時代突破資源瓶頸，發(fā)布第一代鈉離子電池，其電池電芯單體能量密度達到160Wh/kg，常溫下充電15分鐘，電量可達80%以上，在零下20攝氏度低溫環(huán)境中，也擁有90%以上的放電保持率。如今，它正應(yīng)用于奇瑞新能源車型，將成為主流市場上的高性價比選擇。寧德時代實現(xiàn)了向下兼容。
 
  • 2022年6月，麒麟電池正式發(fā)布，作為寧德時代的第三代CTP技術(shù)，麒麟電池完全取消模組形態(tài)設(shè)計，并通過冷卻結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，使得電池安全性、壽命、快充性能以及比能量密度進一步提升，體積利用率突破了72%，刷新系統(tǒng)集成度全球紀錄。
 
目前續(xù)航最長純電MPV——極氪009 ME版已開啟交付，千里版極氪001也將于4月底上市。在4月18日，理想汽車宣布其第一款純電動汽車將成為全球首款搭載4C麒麟電池的量產(chǎn)車型，實現(xiàn)充電10分鐘，續(xù)航400公里，讓充電像加油一樣方便。寧德時代實現(xiàn)了橫向拓展。
 
  • 作為寧德時代材料最新技術(shù)成果，凝聚態(tài)電池突破了材料體系和結(jié)構(gòu)體系的桎梏，擴展到更多極限應(yīng)用場景，實現(xiàn)了向上突破。
 
一次次完成體系化創(chuàng)新的秘訣在哪？我們認為，未來的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新不是局限在某一個環(huán)節(jié)，而是全方位的創(chuàng)新，突破邊界、打破壁壘。用寧德時代曾毓群的話說，動力電池化學(xué)體系的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、制造的創(chuàng)新，再加商業(yè)模式的創(chuàng)新，整合在一起，才能推動新能源行業(yè)的發(fā)展。
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圖1：寧德時代四大創(chuàng)新基石，資料來源：寧德時代
在大眾眼里，寧德時代毫無疑問是技術(shù)創(chuàng)新的集大成者——科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息。如果說騰訊善于將市場優(yōu)勢變?yōu)榧夹g(shù)優(yōu)勢，寧德則是反過來，它通過研發(fā)和創(chuàng)新，變技術(shù)優(yōu)勢為市場優(yōu)勢。比如：
  • 針對鈉離子電池能量密度偏低的短板，寧德時代創(chuàng)新開發(fā)AB混排電池技術(shù)，可實現(xiàn)鈉鋰混搭，助力鈉離子電池續(xù)航達到500公里。
 
  • 針對磷酸鐵鋰在低溫環(huán)境下的短板，通過磷酸鐵鋰和三元混搭，解決磷酸鐵鋰電池在低溫環(huán)境性能不佳等問題。
 
  • 在電池使用安全方面，極氪009麒麟版配備了寧德時代最新的NP 2.0技術(shù)，首創(chuàng)了煙氣與高壓主動隔離設(shè)計，徹底消除了高溫?zé)煔饪赡芤l(fā)的高壓拉弧打火隱患。
 
  • 在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)方面，麒麟電池改進了電池的液冷板設(shè)計，將傳統(tǒng)方式設(shè)在底部的水冷功能件置于電芯之間，使換熱面積擴大四倍，讓電芯在極端情況下可快速的降溫，有效阻隔電芯間的異常熱量傳導(dǎo)。
 
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圖2：AB混排電池技術(shù)，資料來源：寧德時代
2、創(chuàng)新驅(qū)動零碳戰(zhàn)略
縱觀全球的龍頭公司，已經(jīng)有越來越多的名字加入了“零碳”的大軍，那寧德時代的零碳戰(zhàn)略又有什么新意？
面向碳中和時代，領(lǐng)先不僅僅指電池的性能和極限制造，還包括“碳領(lǐng)先”。
4月18日，寧德時代發(fā)布零碳戰(zhàn)略。按照戰(zhàn)略規(guī)劃，寧德時代將在2025年實現(xiàn)核心運營碳中和，2035年實現(xiàn)價值鏈碳中和。
這意味著，到2025年，寧德時代的電池工廠將全部成為零碳工廠，在生產(chǎn)制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和。到2035年，寧德時代生產(chǎn)的電池將全部為零碳電池，從礦產(chǎn)資源到電池系統(tǒng)實現(xiàn)全價值鏈碳中和。
這是鋰電產(chǎn)業(yè)目前最大規(guī)模碳中和行動，難度可想而知。但在進一步了解后，我們找到了其率先在行業(yè)內(nèi)宣布零碳戰(zhàn)略的底氣——技術(shù)。
為了實現(xiàn)零碳戰(zhàn)略，寧德時代將通過四大創(chuàng)新體系，在礦砂、大宗原料、電池原材料、電芯、系統(tǒng)五大關(guān)鍵節(jié)點實現(xiàn)技術(shù)降碳，以技術(shù)創(chuàng)新作為主引擎推動零碳戰(zhàn)略。
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一個最打動人的想象點是，當(dāng)主流玩家還在關(guān)注新能源車減不減碳，行業(yè)領(lǐng)先者已經(jīng)要去卷飛機了。
根據(jù)國際能源協(xié)會統(tǒng)計，2019年，全球航空業(yè)的碳排放量已經(jīng)占到全球碳排放總量的2.8%。在我國，民航的二氧化碳排放占到交通領(lǐng)域碳排放的12%，僅次于公路交通。若不采取有效措施加以控制，到2050年，航空業(yè)的碳排放量將占到全球總碳排放量的25%。
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圖3：不同運輸方式二氧化碳排放量占比，資料來源：《2019年能源數(shù)據(jù)》，中信建投
2021年底，民航局印發(fā)的《“十四五”民航綠色發(fā)展專項規(guī)劃》中，明確指出要綜合考慮國家中長期低碳發(fā)展目標(biāo)和民航高質(zhì)量發(fā)展要求，有序推動民航基于市場減排機制建設(shè)。
但是，航空業(yè)是出了名的“脫碳困難戶”，減排的技術(shù)挑戰(zhàn)十分嚴峻。
目前，多數(shù)國家將可持續(xù)航空生物燃料和合成燃料看作航空業(yè)減排的突破點。其實大多數(shù)可持續(xù)航空燃料并不能將碳排放減少到零，它們在燃燒時仍可能產(chǎn)生污染，而且可持續(xù)航空燃料價格約是普通航空燃料的2-4倍，由合成燃料替代傳統(tǒng)化石燃料暫不具備經(jīng)濟性。
以上方法只是傳統(tǒng)技術(shù)的縫縫補補，不是底層式創(chuàng)新。能不能再大膽一點，讓飛機也變成新能源的？
當(dāng)然，這一夢想的技術(shù)難度極高。
航空領(lǐng)域不僅需要電池能量密度的大幅度突破，還需要電池做到輕量化，對燃油飛機而言，其燃油重量會隨著飛行時間增長而減輕，但電池質(zhì)量卻是恒定的。同時，飛機運行在高空，也就到了高寒地區(qū)，需要電池在低溫環(huán)境下仍有非常優(yōu)秀的放電性能。（飛機在萬米高空飛行的時候，艙外氣溫低至零下50度左右）
在今年3月1日的特斯拉電池日上，馬斯克提出實現(xiàn)完全可持續(xù)之路的五大部分，其中之一就是可持續(xù)燃料的飛機和船舶。馬斯克也是提出相似的結(jié)論，飛機和船舶運輸可以考慮使用磷酸鐵鋰電池供電，但是能量密度等需要達到較高水平。
作為行業(yè)另一領(lǐng)導(dǎo)者寧德時代，其首席科學(xué)家吳凱表示，寧德時代正在用凝聚態(tài)電池進行民用電動載人飛機項目的合作開發(fā)，執(zhí)行航空級的標(biāo)準與測試，滿足航空級的安全與質(zhì)量要求。屆時，使用清潔電力系統(tǒng)的電動飛機可以實現(xiàn)真正意義的零排放。
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從這個意義來講，凝聚態(tài)電池開啟了航空領(lǐng)域電動化的全新場景，將對碳中和產(chǎn)生積極深遠的影響，而這正是技術(shù)驅(qū)動零碳戰(zhàn)略的最新注腳。
在寧德時代的戰(zhàn)略里，零碳是責(zé)任，也是能力。而很多企業(yè)為了達到政府要求的指標(biāo)，不得不斥巨資購買碳積分。（僅2020年一年，特斯拉賣碳積分就大賺15.8億美元）
近年來，寧德時代不斷踐行綠色低碳發(fā)展，2019年在業(yè)內(nèi)率先使用區(qū)塊鏈技術(shù)進行原材料溯源。比如寧德時代的電池護照就記錄了包括電池信息、原材料信息、ESG評價、供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)等多項內(nèi)容，為電池全生命周期溯源管理和循環(huán)回收貢獻力量。
2021年，寧德時代宜賓基地成為業(yè)內(nèi)首家電池零碳工廠，并已完成2022年碳中和認證。2022年，寧德時代推進了節(jié)能項目400余項，累計減碳45萬噸，綠色電力使用比例上升至26.6%。
更進一步，若寧德時代在2035年實現(xiàn)價值鏈碳中和，將給整個動力電池產(chǎn)業(yè)乃至新能源產(chǎn)業(yè)帶來巨大的變化。
管中窺豹，可見一斑。凝聚態(tài)電池的問世，不僅拉開了海陸空全域電動化的時代，更為產(chǎn)業(yè)發(fā)展打開了豐富的想象空間。行業(yè)龍頭已經(jīng)吹響了零碳革命的集結(jié)號，在這個創(chuàng)新奔流的時代，你準備好了嗎？
(責(zé)任編輯：子蕊)
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    2021-09-07 10:15

  • 揭秘100%可回收電池，新能源汽車和環(huán)保隔著幾條街？

    馬斯克近日表示，特斯拉的電池可100%回收，這個計劃是絕對環(huán)保的，而且成果顯著。然后，有國外專家跳出來批評，目前沒有任何現(xiàn)代電池可以被100%回收，因為存在大量不可回收材料。
    2021-08-23 08:52

  • 電池的明天可能不是鋰離子

    汽車制造商和電池制造商正在新一代電池的成分、生產(chǎn)技術(shù)和化學(xué)方面進行博弈。
    2021-08-04 18:39
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