选定硫化物技术路线，能量密度比现有电池增加 40% 以上。
文丨李梓楠
编辑丨程曼祺
我们独家获悉，宁德时代在今年增加了对全固态电池的研发投入，已将全固态电池研发团队扩充至超 1000 人。
宁德时代目前主攻硫化物路线，在近期已进入 20Ah 样品试制阶段。一位知情人士称，宁德时代目前的方案能将三元锂电池的能量密度做到 500 Wh/kg，比现有电池提升 40% 以上，但充电速度和循环寿命还未达预期。
全固态电池样品试制通常是从 1Ah 开始不断做大单个电池容量。在 1Ah 样品阶段的任务是检测电池材料性能优劣；10Ah 样品时主要检测电池的单体性能；20Ah 样品阶段则意味着电池方案初步定型，进入生产技术探索阶段。
今年 4 月，宁德时代首席科学家吴凯在国际电池技术交流会上就曾表示，宁德时代已建成 10Ah 全固态电池性能验证平台，且在全固态电池的正负极材料、工艺和制造设备上都有技术进展。
如今宁德时代进一步进入 20Ah 试制阶段——目前电动车使用的软包电池单体容量就是 20Ah ——如能在这一阶段的样品上解决安全和性能难题，剩下的就主要是制造工程问题，这些任务可以靠增加人力投入和实验次数来有效推进。
宁德时代董事长曾毓群将固态电池研发进度分为 9 个等级，他在今年 9 月的动力电池大会上称宁德时代目前处在等级 4 ，目标是在 2027 年提高到 7-8 级，实现全固态电池小批量生产。
宁德时代的规划的时间线与丰田汽车、 LG 新能源 、三星 SDI 等类似，略快于比亚迪。但曾毓群今年 9 月曾罕见高调宣称，与竞争对手相比，宁德时代的研究 “领先一大步”，用英文说是 “Second to none（首屈一指）”。
曾毓群的信心或许来自前所未有的投入力度。
全固态电池被业界视为锂电池的终极形态，是学术界和产业界对电池形态的终极设想。但过去 30 年间几乎只有丰田汽车一家公司在持续投入研发全固态电池，且进展缓慢。
电池业第一次有公司像宁德时代这样投入巨量资源研发全固态电池。“1000 人，人均人力成本按照 100 万算，每年开工资就得 10 个亿，这之前大部分固态电池公司连预算几个亿的实验室都建不起来。” 一位从业者说。
从跟随到押注，从没有目标到 2027 年量产
能量密度是电池最重要的性能指标，它代表了电池的使用效率。电池公司过去 30 年的努力大部分是为了提升电池的能量密度，在同等体积、重量的电池里塞入更多电量。
从索尼、松下到宁德时代，电池公司过去三十年让锂电池的能量密度从 120Wh/kg 上升到目前的约 320Wh/kg 。能量密度的提升，让锂电池足以进入更多领域，创造更大的商业机会，推动能源转型。
电池业并不存在像芯片业那样的摩尔定律，电池的性能不会每过一段时间就翻一倍。但这个世界从未像现在这样需要如此多的锂电池——全球锂电池的产量在过去 5 年翻了十倍，能量密度只增长不到 30%。
在可预见的未来，电动车、智能手机使用的液态锂电池的改进空间已相对有限：液态三元锂电池的能量密度理论极限是 350Wh/kg，这个数字只能让现在的智能手机多用半小时，或者让新能源汽车充一次电多跑 50 公里。
沿着液态锂电池路线，永远不会有电动载人客机飞上天--特斯拉创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）曾测算，电池能量密度超过 450Wh/kg 时，电动载人客机的设想才成立。
固态电池成为行业公认的锂电池未来形态。
电池的主要组成部分是电解质和正负极，靠锂离子在正负极之间的移动穿梭来充电、放电，达到储能、功能的作用。
固态电池，即把目前锂电池中普遍使用的液态电解质（主要是六氟磷酸锂）替换为固态电解质。固态电解质的性能更稳定且安全，这就可以使用能量密度更高、但化学性状更危险的锂金属充当负极（目前负极材料为石墨），用含锂量更高的高镍三元材料充当正极，让锂电池的能量密度上限翻倍至超过 700Wh/kg。
所有锂电池公司都会说自己正在 “研发” 全固态电池。但在今年以前，电池业多数大公司都只是投入数十名甚至几个工程师，维持对前沿技术的感知。这种做法主要有两个原因：现有液态锂电池仍有提升空间，在既有技术框架下研发，回报更明确、投入产出比更高；电池业的大公司笃信规模和钱的作用，就算创业公司率先突破技术，他们也可以通过模仿快速追进。
宁德时代在数年前也是这样做的。
据我们了解，宁德时代对全固态电池的研究最早始于 2016 年。当时，宁德时代邀请在美国橡树岭实验室（成立于 1943 年，曾参与曼哈顿计划，是全球最顶尖的材料化学实验室之一）工作 10 年的梁成都加入宁德时代担任研发体系联席总裁，直接带领宁德时代的硫化物全固态电池研发项目组。
但一位接近宁德时代的人士称，梁成都当时手下只有不到 100 人负责全固态电池的研发，宁德时代对他们的定位是 “搞清楚最前沿的实验室和公司的技术进展，帮高层做技术决策”。直到 2022 年末，宁德时代都没有明显增加对全固态电池的研发投入。
宁德时代高层过去对固态电池的表态都颇为谨慎。
吴凯在去年年中曾说，“如果丰田说今天能量产全固态电池，我持怀疑态度，目前全行业谁都不具备量产全固态电池的能力。至于 2027 年能否量产，作为技术人员，我也很难说得准确。”
但今年 3 月，宁德时代首席科学家吴凯罕见地在一次电池行业技术论坛上分享了宁德时代的全固态电池研发进展。半年后，曾毓群又披露了 “2027 年小规模量产全固态电池” 的时间表。
最早开始研发固态电池的丰田汽车，2018 年至今多次延后固态电池装车时间，去年，丰田汽车声称会在 2027 年量产固态电池。国内诸多初创公司则将仅仅是过渡状态的半固态电池混淆为固态电池，让所有人不得不在固态电池前加上 “全” 字以指代业界原本认为的固态电池。
与他们相比，电池业界普遍认为宁德时代的时间表更靠谱，更符合实际。
到今年初时，宁德时代开始加大对固态电池的投入。据我们了解，今年一季度，宁德时代引进了几十个固态电池初创公司和中科院背景的技术骨干。
曾毓群今年三月在接受媒体采访时也表示，他每个月都会了解研发团队在固态电池方面的工作情况，他了解所有的技术进展。一位该团队的工程师和我们说，曾毓群今年初鼓励团队称，“有好事不用找我，有坏事找我，我给你们解决。”
宁德时代加大固态电池投入的同时，各部委也给宁德时代、比亚迪、吉利在内的六家公司提供研发补贴。
据我们了解，政府给产业界的全固态电池研发补贴超过 60 亿元，但其中部分资金需要企业的研发项目取得进展后到位。政府的目标是 2027 年实现全固态电池的小规模量产。
一位行业人士称，相关部门在调研完后判断，全固态电池在理论上能做成，做出来无非是时间长短问题。
重新发明电池的每个部件
在技术路线选择上，宁德时代选择了与丰田汽车类似的硫化物路线。吴凯在此前的技术论坛上说，硫化物路线的性能上限最高且量产进度最快。
按照所使用的固态电解质区分，目前固态电池主要有硫化物、氧化物和聚合物三种技术路线。
这三种技术路线都存在相应的基础缺点。聚合物电解质需要加热到 60℃才可以获得足够的导电率，难以在普通工况使用；氧化物电解质导电率低；硫化物电解质中的锂离子导电率跟液态相近但是易氧化产生有毒气体。近年业界也产生了卤化物等新的技术路线，据我们了解比亚迪目前正着重研发卤化物的固态电池。
宁德时代和丰田押注的硫化物固态电池一直面临四个极难的技术问题。
液态电池中的薄片状正负极浸泡在液态电解质中，电解质与正负极的接触几乎没有缝隙；而固态电池则是把正负极放在粉末压制成的固态电解质中，正负极与固态电解质间存在更大空隙。这些空隙会影响带电离子在电池中的流动，降低电池的寿命和充电速度。把电解质从液体换成固体后，电解质就会被充放电过程中膨胀的正负极挤坏变形。
在正负极之间穿梭的带电离子，就像河道里的泥沙，久而久之沉淀堆积，堵塞离子穿梭的通道。这种现象被称为 “锂枝晶”，沉淀的锂离子会逐渐长成树杈状的尖刺，这种尖刺刺穿电池后会让电池短路失效。液态锂电池也面临这一问题，但全固态电池在使用含锂量更高的材料后，锂枝晶的沉积会比液态电池更快，更难处理。
硫化物电解质在空气中遇水会发生化学反应，产生有毒气体并降低电池导电率。硫化物极强的化学特性也让它非常难制备、造价高昂，目前一公斤硫化物售价超过 500 美元。
全固态电池的生产制造非常困难，在正负极、电解质制造环节都无法复用现有的成熟工艺，需要重新发明多项工艺。
根据吴凯的表态，宁德时代已在 10Ah 的样品阶段找到了解决这些难题的思路。
针对正负极和电解质接触界面问题，宁德时代研发了多层材料包裹正极的技术，相当于用多层薄膜限制极片的变形，提高结构稳定性。正负极和固态电解质的接触界面则依靠自研的粘结剂来维持离子的流动性，即导电率。
为了让固态电解质与固体正负极接触更紧密，行业惯常做法是制造电池时从外部施加超高的压力把它们挤压到一起。从吴凯披露的信息，宁德时代目前研发的设备能给电池均匀施加 500Mpa 的压力，是马里亚纳海沟最深处压力的 5 倍。
目前宁德时代能将固态电池的正极克容量（影响电池能量密度的关键指标）做到 230mAh/g ，并将正极的使用寿命提升到 6000 次。一位行业人士称，宁德时代目前还无法稳定正极的容量，从吴凯披露的正极数据看，在 6000 次充放电中正极的容量反复下跌又反弹，这会让电池在使用时电量持续波动。
宁德时代也提出了一种解决锂枝晶问题的新思路，用可以灵活改变体积性状的材料自动填充可能滋长锂枝晶的缝隙，同时用合金金属改变正负极表面的亲锂性，让锂均匀沉淀在表面，而非长成尖刺。
“这相当于在电池里塞入 ‘海绵’，当四周的压力变化后，让这个海绵去填满空隙，这个材料必须非常讲究，得有很强的柔性，又得是良好的电导体。” 前述人士说。
此外，通过对硫化物电解质的改进，宁德时代现在能让电解质在 -40℃ 露点（衡量环境干燥度的指标）的环境中保持稳定，此前业界普遍只能在 -60℃ 露点的环境中制备硫化物电解质。这降低了建造硫化物电解质产线的成本，-40℃ 露点的干燥度与芯片制造的超净间相当。而 -60℃ 露点的干燥度基本等同于火星表面。
除了对材料的改进，宁德时代也突破了干法电极、等静压一体成型等制造技术。但仍然有诸多工程难题横亘在宁德时代面前。为了保证全固态电池的使用寿命，电池在制成后仍需施加极大的压力，保证电池内部部件接触的紧密性，宁德时代需要发明新的电池包裹材料和封装工艺。
一位固态电池初创公司技术负责人对我们评价称，依照过去的经验，如果不计成本，宁德时代很有可能可以在 2027 年内实现 0.5 GWh 左右的量产规模，这一产能能搭载数千辆电动车。宁德时代当下对全固态电池的技术和人员投入都是空前的，它的超额投入可能会加速这一过程。
宁德时代增加对全固态电池的投入几乎是一件水到渠成的事。宁德时代每年将一半的净利润投去研发更好的电池，用更好的电池卖出更好的价格，赚到足够多的钱继续滚动优势。
但过去几年电池技术进步速度放慢，这种做法的商业回报并不高。
宁德时代去年的研发投入几乎是动力电池业第二到第六名之和，但竞争对手依旧可以通过低价抢夺它的市场份额，宁德时代在中国的市占率从 55% 的高点跌至目前 40% 左右。电池业在过去数年内从一个充满商业活力和技术变量的产业变为一个逐渐失去活力、产品同质化、极度追求低价的产业。
这逼迫宁德时代也不得不主动突破技术边界，寻找新的增量。
题图来源：丰田汽车
· FIN ·
