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揭秘“凝聚态”：不是半固态电池，也不是过渡产品

时间:2023-04-24 09:21来源:锦缎 作者:知勇
点击: 次

乘着能源转型的时代巨潮，中国在诸多领域从一个后来者变成领头羊。特别是最近几年，新能源产业的发展速度令人叹为观止。这背后离不开电池技术的不断创新。
继首创CTP技术、钠离子电池、M3P和麒麟电池之后，4月19日，宁德时代再次点亮新的科技树——凝聚态电池。
这不仅是一项酝酿已久的重大创新，更是一次面向未来、充分满足电动化全方位要求的里程碑式突破。
新能源的“凝聚态时刻”，意味着什么？
 
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01
揭秘“凝聚态”：不是半固态电池，也不是过渡产品 

1、凝聚态电池的起源
电池技术的不断进步带来续航里程和充电效率得到显著提升，过去10年来，动力电池能量密度提升了2-3倍，乘用车续航里程从最开始100多公里到如今突破1000公里。从出租车到短距离配送货车、城市公交，再到重卡等应用场景，我们看到电气化深化的趋势已愈演愈烈。
经过一轮高速发展期，从实际电池技术发展情况看，锂离子电池能量密度的提升速度开始放缓并接近理论极限，常规的电池升级路线面临技术和制造工艺层面的重大考验。
而追求高续航、高能量密度仍是行业大趋势，要实现全面电动化和碳中和目标，没有捷径可言，产业界必须找到更先进的电化学材料体系，实现更高能量密度的突破。
然而，高能量密度和安全性往往是鱼和熊掌不可兼得。这是因为电池的能量密度越高，其材料体系就越活跃，对电池的安全性提出更苛刻的要求。这也是一直制约着电池技术突破天花板的核心症结。从业人员时常会陷入自我怀疑，锂电池商业化至今三十多年，电池技术会陷入研发和创新升级的长期瓶颈期吗？
有没有既要又要的解决方案，找到高能量密度和高安全之间的精妙平衡点？答案就藏在宁德时代的凝聚态电池里。
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2、凝聚态电池的核心技术
作为长期跟踪新能源发展的研究机构，我们第一次听到凝聚态电池就倍感振奋。
最早宁德时代公开表示研究凝聚态电池是在去年6月，当时宁德时代董事长曾毓群在重庆车展上透露，“除全固态电池、半固态电池，包括大家没有听过的凝聚态电池，宁德时代都在搞。”经过不到一年的等待，我们终于看到凝聚态电池在上海车展首次揭开神秘的面纱。
最为关注的指标，毫无疑问就是能量密度。凝聚态电池的主要优点之一是高能量密度，其单体能量密度高达500Wh/kg，打破了目前主流材料体系的天花板。500Wh/kg是什么概念？相当于松下2170圆柱电池的近两倍，刀片电池的近三倍。
凝聚态电池的发布，标志着电池领域的产业创新，显然没有进入瓶颈期。
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第二大关注的指标，自然就是安全性。这么高的能量密度，如何确保电池安全成为核心看点。前文提到电池的能量密度越高，其材料体系就越活跃，安全性难以保障。凝聚态电池能否突破这个跷跷板效应？相信大家和我们一样都想一探究竟。
具体而言，宁德时代针对超高比能化学材料的电化学反应变化，采用了高动力仿生凝聚态电解质。也就是说，宁德时代的凝聚态电池内部不是传统意义的液态电解液，而是升级为凝聚态电解质。
相比液态电解质，凝聚态电解质不易燃、零挥发，显著提升了电池的热稳定性。
当然，光靠改变电解质来实现高能量密度是远远不够的。正如宁德时代首席科学家吴凯所言，“电池有一个特点，它有N个性能指标，但之间都是强耦合，一个性能指标提高了，往往其他数额性的指标会下降。”
宁德时代的创新在于通过构建微米级别自适应网状结构调节链间相互作用力，在增强微观结构稳定性的同时，提高电池动力学性能，提升锂离子运输效率。
在电化学中，电池的安全性能和正负极材料的能量密度是强相关的。凝聚态电池显著提升了电池的安全性能，并可在保证高比能的情况下还具备高安全性。目前已开发了6系到9系的凝聚态电池，可以做到电芯解体的情况下也不起火不爆炸。
更重要的是，凝聚态电池还聚合了高比能正极、新型负极、隔离膜等一系列创新技术，而不是大家想象中的半固态电池概念。最终，凝聚态电池在实现高能量密度的同时又具备高安全性和优秀的充放电性能。
简单来说，就是改了配方，改了结构，还适配了制造工艺。
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透过凝聚态电池的创新，我们看到一个趋势，就是电池的高端化。正所谓“好马配好鞍”，新能源车的高端化升级趋势，首先带来的就是长续航、高性能动力电池的需求。
根据发布会透露，凝聚态电池的车规级版本将在今年内具备量产能力。也就是说，年内有望见到凝聚态电池量产车型落地，助力新能源车企的高端化之路再上新台阶。
总结而言，宁德时代凝聚态电池的问世，突破了长期以来限制电池行业发展的天花板，将激活以高安全和轻量化为核心诉求的全新电动场景。目前，宁德时代甚至正在进行民用电动载人飞机项目的合作开发，执行航空级的标准与测试，满足航空级的安全与质量要求。
可能不仅仅是一款创新的电池这么简单，凝聚态电池作为宁德时代创新体系的最新成果，也是其开启下一轮创新节奏、实现零碳战略的里程碑。
 
02
全面可持续发展不再遥远
 
1、将创新进行到底
自主创新是企业发展的源泉，很多伟大的企业都是在不断创新的基础上迅速发展起来的。那么什么是真正的创新？近期的AI浪潮给了我们最鲜活的答案，革命性、颠覆式的创新才是最摄人心魄的。制造业领域，我们也观察到更多类似的创新样本。
为了利用清洁高效的电力系统，替代传统化石能源为主的固定和移动能源系统，实现更多场景的电动化，宁德时代相继首创了钠离子电池、M3P、麒麟电池等技术，并均已实现产业化：
  • 2021年，宁德时代突破资源瓶颈，发布第一代钠离子电池，其电池电芯单体能量密度达到160Wh/kg，常温下充电15分钟，电量可达80%以上，在零下20摄氏度低温环境中，也拥有90%以上的放电保持率。如今，它正应用于奇瑞新能源车型，将成为主流市场上的高性价比选择。宁德时代实现了向下兼容。
 
  • 2022年6月，麒麟电池正式发布，作为宁德时代的第三代CTP技术，麒麟电池完全取消模组形态设计，并通过冷却结构上的优化，使得电池安全性、寿命、快充性能以及比能量密度进一步提升，体积利用率突破了72%，刷新系统集成度全球纪录。
 
目前续航最长纯电MPV——极氪009 ME版已开启交付，千里版极氪001也将于4月底上市。在4月18日，理想汽车宣布其第一款纯电动汽车将成为全球首款搭载4C麒麟电池的量产车型，实现充电10分钟，续航400公里，让充电像加油一样方便。宁德时代实现了横向拓展。
 
  • 作为宁德时代材料最新技术成果，凝聚态电池突破了材料体系和结构体系的桎梏，扩展到更多极限应用场景，实现了向上突破。
 
一次次完成体系化创新的秘诀在哪？我们认为，未来的产业创新不是局限在某一个环节，而是全方位的创新，突破边界、打破壁垒。用宁德时代曾毓群的话说，动力电池化学体系的创新、结构的创新、制造的创新，再加商业模式的创新，整合在一起，才能推动新能源行业的发展。
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图1：宁德时代四大创新基石，资料来源：宁德时代
在大众眼里，宁德时代毫无疑问是技术创新的集大成者——科学领路到哪里，就在哪里攀登不息。如果说腾讯善于将市场优势变为技术优势，宁德则是反过来，它通过研发和创新，变技术优势为市场优势。比如：
  • 针对钠离子电池能量密度偏低的短板，宁德时代创新开发AB混排电池技术，可实现钠锂混搭，助力钠离子电池续航达到500公里。
 
  • 针对磷酸铁锂在低温环境下的短板，通过磷酸铁锂和三元混搭，解决磷酸铁锂电池在低温环境性能不佳等问题。
 
  • 在电池使用安全方面，极氪009麒麟版配备了宁德时代最新的NP 2.0技术，首创了烟气与高压主动隔离设计，彻底消除了高温烟气可能引发的高压拉弧打火隐患。
 
  • 在电池热管理系统方面，麒麟电池改进了电池的液冷板设计，将传统方式设在底部的水冷功能件置于电芯之间，使换热面积扩大四倍，让电芯在极端情况下可快速的降温，有效阻隔电芯间的异常热量传导。
 
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图2：AB混排电池技术，资料来源：宁德时代
2、创新驱动零碳战略
纵观全球的龙头公司，已经有越来越多的名字加入了“零碳”的大军，那宁德时代的零碳战略又有什么新意？
面向碳中和时代，领先不仅仅指电池的性能和极限制造，还包括“碳领先”。
4月18日，宁德时代发布零碳战略。按照战略规划，宁德时代将在2025年实现核心运营碳中和，2035年实现价值链碳中和。
这意味着，到2025年，宁德时代的电池工厂将全部成为零碳工厂，在生产制造领域实现碳中和。到2035年，宁德时代生产的电池将全部为零碳电池，从矿产资源到电池系统实现全价值链碳中和。
这是锂电产业目前最大规模碳中和行动，难度可想而知。但在进一步了解后，我们找到了其率先在行业内宣布零碳战略的底气——技术。
为了实现零碳战略，宁德时代将通过四大创新体系，在矿砂、大宗原料、电池原材料、电芯、系统五大关键节点实现技术降碳，以技术创新作为主引擎推动零碳战略。
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一个最打动人的想象点是，当主流玩家还在关注新能源车减不减碳，行业领先者已经要去卷飞机了。
根据国际能源协会统计，2019年，全球航空业的碳排放量已经占到全球碳排放总量的2.8%。在我国，民航的二氧化碳排放占到交通领域碳排放的12%，仅次于公路交通。若不采取有效措施加以控制，到2050年，航空业的碳排放量将占到全球总碳排放量的25%。
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图3：不同运输方式二氧化碳排放量占比，资料来源：《2019年能源数据》，中信建投
2021年底，民航局印发的《“十四五”民航绿色发展专项规划》中，明确指出要综合考虑国家中长期低碳发展目标和民航高质量发展要求，有序推动民航基于市场减排机制建设。
但是，航空业是出了名的“脱碳困难户”，减排的技术挑战十分严峻。
目前，多数国家将可持续航空生物燃料和合成燃料看作航空业减排的突破点。其实大多数可持续航空燃料并不能将碳排放减少到零，它们在燃烧时仍可能产生污染，而且可持续航空燃料价格约是普通航空燃料的2-4倍，由合成燃料替代传统化石燃料暂不具备经济性。
以上方法只是传统技术的缝缝补补，不是底层式创新。能不能再大胆一点，让飞机也变成新能源的？
当然，这一梦想的技术难度极高。
航空领域不仅需要电池能量密度的大幅度突破，还需要电池做到轻量化，对燃油飞机而言，其燃油重量会随着飞行时间增长而减轻，但电池质量却是恒定的。同时，飞机运行在高空，也就到了高寒地区，需要电池在低温环境下仍有非常优秀的放电性能。（飞机在万米高空飞行的时候，舱外气温低至零下50度左右）
在今年3月1日的特斯拉电池日上，马斯克提出实现完全可持续之路的五大部分，其中之一就是可持续燃料的飞机和船舶。马斯克也是提出相似的结论，飞机和船舶运输可以考虑使用磷酸铁锂电池供电，但是能量密度等需要达到较高水平。
作为行业另一领导者宁德时代，其首席科学家吴凯表示，宁德时代正在用凝聚态电池进行民用电动载人飞机项目的合作开发，执行航空级的标准与测试，满足航空级的安全与质量要求。届时，使用清洁电力系统的电动飞机可以实现真正意义的零排放。
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从这个意义来讲，凝聚态电池开启了航空领域电动化的全新场景，将对碳中和产生积极深远的影响，而这正是技术驱动零碳战略的最新注脚。
在宁德时代的战略里，零碳是责任，也是能力。而很多企业为了达到政府要求的指标，不得不斥巨资购买碳积分。（仅2020年一年，特斯拉卖碳积分就大赚15.8亿美元）
近年来，宁德时代不断践行绿色低碳发展，2019年在业内率先使用区块链技术进行原材料溯源。比如宁德时代的电池护照就记录了包括电池信息、原材料信息、ESG评价、供应链数据等多项内容，为电池全生命周期溯源管理和循环回收贡献力量。
2021年，宁德时代宜宾基地成为业内首家电池零碳工厂，并已完成2022年碳中和认证。2022年，宁德时代推进了节能项目400余项，累计减碳45万吨，绿色电力使用比例上升至26.6%。
更进一步，若宁德时代在2035年实现价值链碳中和，将给整个动力电池产业乃至新能源产业带来巨大的变化。
管中窥豹，可见一斑。凝聚态电池的问世，不仅拉开了海陆空全域电动化的时代，更为产业发展打开了丰富的想象空间。行业龙头已经吹响了零碳革命的集结号，在这个创新奔流的时代，你准备好了吗？
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 半固态电池 凝聚态电池
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