为什么美日会继续踏空固态电池?

锂电有点忙 2024-02-08 14:20:53

在中国液态电池取得巨大优势之后,固态电池成为美日车企改道超车的最大希望。由于日美企业深厚的专利积累,国内从上到下弥漫着一股固态电池焦虑。但从研发体系和产业规律看,这一次美日还是会踏空。

尴尬的现实

一,专利遥遥领先,量产遥遥无期。

日本丰田和美国QS不断放出固态电池的快要量产的卫星,最积极的说法是2027年固态电池市场达到9亿美元。2023年全球电池市场规模已经达到1273亿美元,而且还在急剧增长。假设2027年的市场依然是1273亿,届时也仅占0.7%的市场,没有多少现实意义。

自从进入电车领域,丰田在燃料电池、氢动力、超级电池等诸多领域放了很多空炮。2010年丰田宣布2025年前量产固态电池,2023年跳票到2027年实现无人机等小体量设备上的规模化商用,全固态电池上车要到2030年。这一切似乎是燃料电池一次次延迟的再现。

QS创始人也表态,要想将这项技术真正推向市场,仍有“长路要走”。目前试验室结果仅仅实现了“1%的可能性”

二,固态电池技术难度非常大,有人将其与核聚变相提并论,短期很难获得重大突破。

QS是上市的纯电池企业,有相当多的公开信息,主要以QS来看固态电池研发。QS的主要创新是使用一种固态陶瓷材料来代替传统的液态电解质和多孔隔膜。它是一种仅为10微米厚的陶瓷隔膜,有良好导电性,又能防止锂枝晶产生。但一个电池里需要形成500m2的电解质膜,还要快速充电时的高电压之下保持稳定,这在制造工艺上难度极大。

制造此种材料需要使用制造芯片的纳米级精度的设备和工艺,从原理上看这是比芯片制造更难实现的工艺。芯片制造是在大硅片上刻蚀出nm级的电路,但大硅片本身厚重且坚固,无论转移还是刻蚀,都有规模化制造的条件。例如12吋晶圆的厚度为775微米,也就是0.775毫米,是QS的陶瓷隔膜厚度的近百倍。打个比方,制造芯片是在一块棉布上用nm级的工艺绣花,而QS直接以接近nm级的工艺来织布。对整条产线的精细化程度要求极高,对相当数量的设备要求高于芯片制造。

此外,固态电池还有硫化锂太贵,硅碳负极膨胀,固固接触,电解质传输等一大堆问题要解决。

固态电池的设想出现于20世纪70年代,30年前美国橡树岭国家实验室就宣称研发出固态电池,丰田30年前开始研发固态电池,10多年前提出量产口号,直到今天还是口号。一个设想40年了还没有实现,自有其原因。固态电池泰斗东京工业大学教授Ryoji Kanno将寻找固态电池材料比喻为“在浩瀚大海中捕捞一条无法获知其定位的鱼”。

三,常规电池小步快走,不断蚕食固态电池承诺的那些纸面优势。如果常规电池够用,何需固态电池?

人们之所以需要固态电池是为了克服传统电池的几大缺陷,里程焦虑、安全焦虑、寿命焦虑、成本焦虑、充电焦虑,但这几年这些焦虑大幅改善,有的甚至彻底被消除。

目前主流的纯电动车电池系统能量密度已经达到120-180Wh/kg之间,行驶里程达到300公里以上。如特斯拉皮卡也使用仅175Wh/kg的电池,基本版的里程可以达到430公里以上,比亚迪的主流车型的里程也能达到500公里上下。里程焦虑已经不是问题。

常规电池在零下4、5度时电池容量会打5、6折。假如满电500公里,5、6折之后200到300公里也够用了。亚、欧、美绝大多数人口生活在温带、亚热带地区,冬天气温基本保持在零下5度以上,而且低温期很短。所以低温折电也不成问题。

充电时长曾经是困扰电车的问题,但是在碳化硅上车之后,充电20-30分钟可以充满80%,充电5分钟续航100公里已经成为现实。当充电桩大面积普及之后,电车也基本具有充电即走的能力。随着碳化硅和高压部件的成熟,800V快充会普及到所有A级车和混动车,预计2025年高压车型占比将达到40%。

一些高端液态电池的指标出现飞跃,宁德时代的麒麟电池能量密度可达255 Wh/kg,28分钟可实现 10%-80%的充电,里程达到800公里。特斯拉量产的4680电池,能量密度达到240Wh/kg,里程将达到800km以上。

其实,满电跑一千公里,充电5到10分钟跑上百公里已经已经是炫耀性功能。按目前的进化速度,常规电池很快就会出现性能冗余。而且液态电池理论能量密度是370Wh/kg,尽管技术进步难度越来越大,但还是有很大进步空间,因为几乎不需要太大进步就可以实现性能冗余。以麒麟和4680来看,只要能量密度达到240Wh/kg,就会出现性能冗余。在固态电池量产遥遥无期的时候,常规电池已经逐步开始出现性能冗余了,这对需要重金投入的固态电池绝对不是好消息。

错误的产业思想

如果只是暂时的落后,日美超车依然有希望。但是丰田和QS主要通过押宝材料变革来彻底颠覆液态电池的产业路线,是将自己封闭起来彻底实现终极固态电池的做法,这是越努力越没有希望的路线错误。

一,电池技术的进步不是依靠一两个材料的进步而进步的。尽管普通电池存在原理上的诸多缺陷,但是它可以借助整个世界的技术进步来完善自己。例如液态电池之所以实现快充跑,并不是液态电池发现什么新材料,而是由于半导体领域的碳化硅技术的突破,代替了传统硅基的IGBT,使得电池充电电压从400V跨越到800V,帮助动力电池实现了快充,实现了固态电池理论上的快充。

再例如,这几年仅仅通过改变电池结构的封装技术,就实现了刀片电池,麒麟电池,4680这些先进电池的突破。还有硅基负极,电解质掺杂等技术的进步,电池性能大步前进。目前特斯拉的下一代4680电池,宁德时代的凝聚态电池也已经在路上了,它们的能量密度可以达到500Wh/kg。

二,丰田和QS构建了巨大优势的固态电池专利墙,等到一朝突破,独享专利红利。而这本身就是在延迟固态电池的产业化进程,这只会重蹈燃料电池、混合动力之类的覆辙:申请了大量专利,在最可能的技术路线前面等着所有竞争对手,但是现实却围着专利堡垒拐了个弯。

固态电池有3条技术路线,最具希望的是硫化物路线,在丰田申请了60%的硫化物专利后,韩国、中国、欧洲只得转向氧化物等路线。

一个颠覆性的新技术,在导入产业时必然要摧毁原有格局,必然要遭到旧势力的激烈对抗,使得技术导入十分缓慢。固态技术实现之后,现在制造电池的产线设备将被大量淘汰,湿法路线淘汰一半设备,干法路线淘汰三分之二。

所以现在的电池龙头们对于转向固态电池的态度是抗拒的,如果常规路线有潜力可挖,就不会转向固态电池。

第三,新型电池的成功是电池厂和车企共同的成功,是整个产业生态的成功。但QS、丰田所在的日美市场,没有足够多的企业参与生态的建设。

近几年产业界对全固态电池最大的认知突破,是全固态电池不可能一步到位,应该先实现固液混合的半固态电池,然后逐步过渡到全固态。这种小步快走的模式离不开围绕电池厂和整车厂的每个细分环节的紧密配合。

国内车企已经内卷出一片高端电动车市场,高端车需要最高端的配件来支撑高价和高品质,使得昂贵但性能突出的半固态电池得以上车。在整车发出需求号令后,各种路线的半固态、固态企业开始尝试这些新技术的产业化。目前中国具有全球60%的锂电池产能,80%以上的原产料,以及形形色色的光伏、储能、电气等电池相关领域的科技企业。它们在新旧更替之际有巨大的生存危机,必须在新的领域寻找出路,目前已经有大量企业进入固态电池、半固态电池。例如前段时间6天5板的某固态电池概念股,就是一个电缆企业转向固态电池电芯,引发市场追捧。

相比国际巨头,虽然中国企业很少有技术前瞻优势,但中国企业长期存在于极度内卷之中,闻风而动是生存本能,中国的固态电池可能会暂时落后,但不会被整体踏空。虽然低端内卷不是好事,但当数量众多的、不同领域的中国企业进入一个领域,就会出现万舸争流之势,可以频繁试错,足以弥补前瞻不足的劣势。

之前流传一些国内大厂通过两个或者多个并行团队的内部竞争,在很短时间成功开发某个产品的故事。现在各种泛电池企业的生存竞赛,事实上就是规模巨大的并行团队在共同开发固态电池,其规模相比丰田的单个实验室和研发部门具有数量级的优势。而且这些或大或小的企业是生存之争,其激励机制之活泼和动能之强劲,非国际巨头的一个研发部门所能比拟。

中国企业生态更丰富,竞争更激烈,更接近量产和市场,所以固态电池之争与液态电池没有太大区别,对手还是这些对手,逻辑还是这个逻辑,自然结果还是原来的结果。

第四,时间是电子产品最大的敌人,固态电池形成市场竞争力是一个极其漫长的过程,其价值会被时间逐渐消弥。

即便如业内乐观派预计的那样5年左右形成固态电池产业链,2030年左右开始量产,十年之后逐步形成竞争力,也就是说固态电池显山露水也在2040年之后,到那时丰田的技术专利能为它带来多大的性能优势和价格优势?

已经接近成熟的电池市场再发展16年,电池的性能一定会充分满足人们需求,其价格也一定会低到尘土中。一个已经相当便宜,性能成熟的市场,再来一个有些许技术优势、成本优势的产品,能多大程度触动消费者?

以移动硬盘为例,当1T容量的固态移动硬盘售价百元左右,其性能已经满足需求,价格也相当便宜,就没多少人会在意到底是西部数据,还是其他哪个品牌。

结语

日美企业十年磨一剑的密室技术革命,培养不了自己的产业生态,也调动不了整个产业与之共同成长,最后就不会有太大的成就。这种武侠小说中才存在的密室苦练神功,功成之后大杀四方神话故事,在现实中是不存在的。特斯拉、比亚迪和宁德时代的发展历程证实了,改造和利用原有技术,随时获得市场反馈的做法才是正确的。

中国庞大且内卷的产业生态,比丰田更加接近产业现实,保证了远超丰田的饱和投入。从半固态到全固态的过程中,一有成果马上可以量产应用,保证了中国固态电池的兜底能力。因此,即便固态电池成为技术领先的一方,极大概率也是中国企业率先实现量产突破。

况且截至目前,相当多的人对固态电池持悲观态度。最大牌的莫过于特斯拉,马斯克一直看淡固态电池,就如同看淡燃料电池一般,迄今没有固态电池计划。通用汽车也公开表态,最终永远可能不会有一种电池技术适用于所有电动汽车,固态电池并非电动车最终答案。

说到底产业技术路径不是谁都能规划的,丰田已经屡次证明,而且还将继续证明它没有马斯克那样的眼光,它对世界的认知太过静态和单一,世界如同市场一般纷繁,而非实验室一般简单。

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