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熬10年这家公司实现固态电池量产,新厂规划产能为1GWh

2021-06-10 ryder

不论是新能源车或储能设备,最紧要的关键零部件之一就是电池,这几年电池行业的一项挑战就是拉高能量密度、追求更安全的方式,不论是尝试新的正极、负极材料,或是提高镍的比重,像是镍锰钴(NMC)三元电池的配比从原来的 5:3:2,提高到 6:2:2,甚至是到 8:1:1,也有人致力于研发不同于传统锂离子电池的技术,像是使用氢燃料电池的氢能源车,而固态电池(Solid-State Battery)就是被视为是下世代的电池技术。


产业界投入固态电池研究,声势最大的就是丰田(Toyota),苹果、戴森(Dyson)、电池芯巨头们如三星旗下的 SDI、LG 的 LG Chem 也没缺席,不过,当其他公司还在研发或试产,有一家公司抢先实现小容量固态电池量产及出货,这家名不见经传的辉能(ProLogium),其确实几年前就已经获得软银中国资本(SBCVC)投资,而据 DT 君知道,软银中国更继续加码投资,辉能刚于 2019 年 1 月完成由软银中国资本领投、金额 1.5 亿美元的 D 轮融资,将用以扩厂,新厂规划产能为 1GWh,预计今年底完成建置。


图 | 辉能主要投资方为软银中国资本(图片来源:软银中国资本官网)


什么是固态电池?


大多数消费电子产品或新能源车采用的锂电池有四大关键元素,分别是正极材料、负极材料、隔膜(separator)以及液体的电解质(电解液)。电解液是在阳极和阴极之间传输离子,若电池充电速度过快,锂离子和电解质反应可能会形成枝晶(dendrite)或金属须晶,进而形成短路,另外凝胶聚合物隔膜失效也会引起电极短路,使得手机或新能源车的电池爆炸事件偶有所闻。


使用电解液的电池可称为液态电池,而固态电池,顾名思义,就是以固体材料来代替现有锂电池中使用的液体成分。


简单来说,固态电池有三大优势:电池不会漏液,当损坏、被穿刺时不会萌生爆炸或着火,所以高安全性就是第一个也是最大的优点。二是高能量密度,业界认为,固态电池的密度和结构可以让更多带电离子集中在一端,传导更大的电流与提升电池容量,使能量密度能提升到 400Wh/kg 以上,优于一般的锂离子电池。


三是轻薄以及可挠曲性的潜力,使用电解液的传统锂离子电池,非得在阴极和阳级之间加入隔膜来戒备短路,一般来说隔膜的厚度约 20~30 微米,而固态电池不需隔膜,且固态电解质的厚度约莫是 3~4 微米,所以厚度比传统电池轻薄许多,如此可让电子产品或汽车在外观设计或空间利用上达到更大的效益,其可挠曲性也符合目前可折叠屏幕手机、穿戴装置的需求。


固态电池范畴有不同的技术路线,固体电解质可大致分为三类:无机电解质、固态聚合物电解质(SPE,Solid Polymer Electrolyte)、复合电解质。目前较多业者投入研究的材料包括固态聚合物、硫化物(Sulfide)、氧化物(Oxide)、薄膜(Thin Film)等。像是戴森、苹果各自收购的固态电池厂 Sakti3 和 Infinite Power Solutions,皆以薄膜为主,但制程复杂,量产难度高,先前市场传出戴森、苹果有意放弃,故现阶段发展状况不太明朗,而丰田、松下(Panasonic)、三星、宝马、宁德时代投入硫化物电解质,辉能、索尼则是聚焦在氧化物。


苹果从 2012 年就开始积极布局固态电池及充电技术的专利,2013 年收购了 Infinite Power Solutions。近两三年汽车厂布局固态电池的消息大幅浮上台面,像是丰田对外宣示将在 2022 年对外销售搭载固态电池的电动车。另外,大众汽车(Volkswagen)投资了由《麻省理工科技评论》 TR35 青年创业家 Jagdeep Singh 参与创立的固态电池初创公司 QuantumScape,去年 6 月加码投资,并取得 QuantumScape 一席董事,预计在 2025 年建立固态锂离子电池产线。


而过去的电池大国日本,陆续舍弃掉锂离子电池后,已经将研究重点转向固态电池,日本科学技术振兴机构(JST)、日本新能源产业技术开发机构 (NEDO)都积极推动,这些动态让外界开始关注这项技术。


图 | 投入固态电池的玩家(图片来源:Yole Développement)


市场关注的固态电池公司一览


( 整理:DeepTech 深科技 )


辉能又有哪些来头?


这家在大众眼中生疏的公司,其实成立已经超过 10 年。辉能科技创始人杨思枏算是台湾电子业的老将,台湾大学化工系、台湾大学材料所卒业后,先在电池公司台湾超能源任职,之后加入富士康集团旗下的软性印刷电路板(FPC)厂鸿胜,担任 RD 负责人,看好固态电池的将来性,他将电池与软板的专业结合,创立了辉能。


图 | 辉能科技创始人杨思枏(来源:辉能)


辉能以陶瓷电解质取代隔膜和电解液,开发出锂陶瓷电池(LCB,Lithium Ceramic Battery),第一款产品“可挠曲锂陶瓷电池”(FLCB,FPC Lithiun-Ceramic Battry),就是把软板作为基材和封装材,让电池可以弯曲,最高弯曲次数达 1 万次,后续又推出高容量锂陶瓷电池(PLCB)。


很幸运的,第一款 FLCB 电池就让辉能在当时拿下指标性的订单。2013 年 HTC 推出 One max 智能手机,一起搭配推出 HTC Power Flip Case 配件,外观是一个掀盖式皮套,但里头内置了电池。One max 手机背后上有三个接触点,与皮套接触时就能充电。当时虽没有太多人留意到这颗电池与一般液态锂离子电池有哪些差异,但其实是说明了小容量的固态电池得以实现量产,这个项目也成为辉能第一个开始获利的案子。


图 | 辉能的可挠曲锂陶瓷电池(来源:DT君)


之后,陆续不少有高度安全、防爆需求的客户便主动找上门来,例如英国手机配件公司 Tech21 专门做防护型的手机背盖,因为想要做有加电池的背盖,且对于摔落的防爆有很高的要求,就看上了辉能的固态电池。


另外还有智能安全帽业者,该公司开发的安全帽具备蓝牙连接、耳麦通话、测速等功能,所以安全帽里头需要内置电池,但骑车难免有发生车祸意外的风险,总不能骑士跌倒没事,却因为跌倒了导致安全帽电池爆炸,那可就出大事,因此客户同样是为了固态电池高安全性的特点,而愿意花较高的成本采购,其他的客户还有半导体设备商。


图 |大容量固态电池的市场使用推进(图片来源:Yole Développement)


实现小容量固态电池的量产,转攻布局新能源车市场


有了这些消费性电子及穿戴装置的客户带来稳定的收入,累积了数年小容量固态电池的量产经验之后,在三年前辉能开始将研发重点望向了更大的市场—电动车,开发出高电压锂陶瓷电池(BLCB)。


做小容量的固态电池跟汽车使用的大容量电池,有很大的技术差异,首先,汽车需要很高的电压,现有新能源车电池包的做法是将很多颗电池芯采用“外部串联”的方式,将其串联起来,而辉能利用“双极”(BiPolar)技术,特色是在电池芯内部笔直做串并联,单颗电池芯的额定电压可从 7.4 伏(2串),到目前汽车行业规范的最高电压 60 伏(15串),如此可以省掉外部串联的空间,也有助简化复杂的电池管理设计机制。


那么,为什么液态电池不能做 BiPolar 技术?一般液态电池的电解液在超过 4~5 伏的时候,电解液就会崩解,电池不稳定就有安全风险,因此目前惟有固态电池能做到 BiPolar。


辉能在今年 CES 上对外展示了用于新能源车的固态电池组(含电池芯),在相同的整车容量下,该电池组体积惟有传统电池的一半、重量则是传统电池的 7 成,辉能利用多维度串并联 BiPolar+3D 技术,创造单颗 85.2 伏高电压与 20KWh 大容量的电池芯,所以只要 4 颗电池便能构成一个 80KWh 的新能源车电池组。


图 | 辉能开发用于新能源车的固态电池组,在相同的整车容量下,该电池组体积惟有传统电池的一半、重量则是传统电池的 7 成(来源:DT君)


这有哪些概念呢?以特斯拉 Model 3 电池包容量 80.5KWh,使用了 4416 个电池来看,那么,辉能的电池数量约莫惟有 Model3 的 1/1104。电池数量用得少,电池管理系统得以简化,节省电池芯封装材料与连接电池芯之间的线材,而且固态电池安全性高,没有爆炸风险,因此吸引了许多车厂、电池厂的人特地到辉能的摊位查看。


据知道,目前辉能已与一家欧系汽车集团谈定合作,预计最快 2019 下半年会有一台搭载其固态电池的样车对外亮相。


不跟电池芯大厂捉对厮杀,以合作或授权方式进入中国、欧洲


尽管固态电池有不少好处,但目前仍遭遇不少难题,特别是大容量的电池,不同的固态电解质材料各有其优缺点,中国科学院物理研究所研究员李泓博士在 2018 第六届“汽车与环境”创新论坛上表示,聚合物全固态锂离子电池主要短板是非得在 60 度以上工作,容易短路;薄膜全固态锂离子电池循环性好,适应高电压,但不易放大容量。


另外,氧化物全固态锂离子电池的安全性和稳定性佳,但做到大规模量产还没有完全实现。因此,固态电池到最后使用仍有距离。


再者,目前固态电池的成本仍是远高于液态锂离子电池,有数倍的差距。为了拉近固态电池与液态锂离子电池的成本差距,辉能也改变加工模式,过去采取“片式”加工,今朝可改为“卷式”加工(roll to roll),并且张大自有产能,也与汽车厂或电池芯厂合作,目前辉能已与多家大陆、欧美车企合作,并通过车企的电性及安规探测。


电池行业可说是巨头林立的行业,因为资本投资大、进入门槛也高,像是电池芯有 SDI、LG Chem,在中国更有宁德时代、比亚迪,对于新进者或初创公司来说,往往玩不起大资本的游戏,特别是汽车行业,车厂往往会希望电池能在当地加工,小型以研发为主的电池芯业者更没有四处在海外设厂的资金,辉能很清楚自己的定位,不与巨头厮杀,还可以合作,例如授权专利技术,让有兴致的电池芯厂或车企可以自行加工制作国产固态电池。


图 | 辉能所研发的固态电池极层(inlay)(来源:DT君)


此外,辉能也准备跟欧系的车厂在欧洲共同设立 “固态锂陶瓷电池联盟”(Solid State Lithium Ceramic Battery Aliiance),为全球被授权的合作伙伴提供交流技术与市场标准的平台,缩短固态电池技术的研发时程,越过技术、安全和量产三个挑战,实现固态电池落地商业化。


“我们就做好研发,把技术转到当地,笔直提供 Turn Key 服务,销售核心材料与 10 亿级瓦时的量产设备,因为最紧要目的是把固态电池技术让越多人用越好,”辉能的高管对 DT 君说。


尽管目前大容量固态电池的量产,仍有挑战,但毫无疑问,电池的安全性和高能量密度是行业追求的两个关键方向,随着初创公司、行业巨头、科研机构的研发推动,固态电池将来的商业性是很值得期望。

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