车东西（公众号：chedongxi）
作者 | 晓芳
编辑 | Juice
宁德时代捅破天花板的凝聚态电池技术究竟是什么？
在才过去不久的上海车展上，宁德时代推出了新的动力电池——凝聚态电池。官方称其单体能量密度可以达到500Wh/kg，拔高了动力电池能量密度的天花板。
而工信部颁布的《中国制造2025》蓝皮书中显示，单体能量密度500Wh/kg是我国动力电池产业2030年的目标，从这点来看，宁德时代发布的凝聚态电池领先了行业7年。
凝聚态电池一时之间也成为行业内热议的技术和产品。
但凝聚态电池究竟要靠什么技术实现，宁德时代并没有透露很多，只给出了几行讳莫如深的文字：
“采用了高动力仿生凝聚态电解质，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。”
很显然，仅凭一段描述，大部分人都会产生“每个字都懂，但合在一起就看不懂”的想法。
为了搞明白宁德时代这项技术背后的原理，车东西通过一番梳理也找到了一些门道。
虽然宁德时代表示凝聚体电池并不属于半固态电池，但行业内的多数观点都认为，凝聚态电池采用了凝聚态电解质，从这点来看，可以被定义为半固态电池。
但宁德时代不认可半固态电池的说法可能是因为凝聚态电池不是简单的将液态电解质换成凝胶状电解质，而是从配方、结构、制造工艺等多个方面进行了调整。
那么宁德时代是如何实现这一技术的呢？核心技术是什么？目前行业内的是否还有其他的玩家在布局这一产品？
一、续航里程更长 安全性更高
在凝聚态电池的发布会上，宁德时代一上来就给出了一个重磅数字——500Wh/kg，即凝聚态电池的单体能量密度最高可达500Wh/kg。
▲凝聚态电池单体能量密度最高为500Wh/kg
这个数字是一个什么样的概念呢？
根据工信部颁布的《中国制造2025》蓝皮书，到2025年、2030年，我国动力电池单体能量密度分别需要达到400Wh/kg、500Wh/kg。这也就是说，宁德时代发布的凝聚态电池的单体能量密度已经超过了2025年的目标，达到了2030的目标，直接next level。
而更高的能量密度意味着，在相同的重量和体积下，可以增加车辆的续航里程，现有市场上动力电池的单体能量密度最高可达300Wh/kg左右，续航里程可达600km左右，经过粗略计算，宁德时代的凝聚态电池上车后，电车的续航里程可进军四位数。
同时，除能量密度高外，凝聚态电池的另一个优势就是快速充电能力，充电3分钟就可以达到500km的续航，全部充满预计仅需15分钟左右。
另外，由于凝聚态电池较传统液态锂电池电解液，溶剂使用量减少，同时添加氧化物固态电解质、聚合物等化合物，虽然仍保留液态成分，但不具有流淌性，电池会更加稳定，不易发生泄露和自燃，安全性更高。
所以，总的来说，凝聚态电池将具有更高的能量密度、更快的充电速度以及更高的安全性等优势。
二、正负极材料改变 制造工艺升级
讲了这么多凝聚态电池的优势，我们再回到凝聚态电池本身，它究竟是什么神秘技术，才能拥有这么多的优势？
这里先给出一个笼统的概念，宁德时代的凝聚态电池一方面可以理解为聚合物电池的升级版，另一方面也可理解为半固态锂电池的一种方案。为什么这么说呢？我们也许能从宁德时代官方给出的关于凝聚态电池的描述中找到答案。
“采用了高动力仿生凝聚态电解质，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。”
▲宁德时代凝聚态电池发布会PPT
“高动力仿生凝聚态电解质”，即其电解质不再是单纯的液态，而是“凝聚态”。
凝聚态指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质，固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的超流态，超导态，玻色-爱因斯坦凝聚态，磁介质中的铁磁态，反铁磁态等，也都是凝聚态。
而凝聚态电池的“凝聚态”是指电解质的物理状态，可以简单理解为“果冻状”，介于固、液体之间，这跟聚合物电池和半固态电池的电解质类似。
而较传统液态锂电池电解液，其溶剂使用量减少，同时添加了氧化物固态电解质、聚合物等化合物，虽然仍保留液态成分，但不具有流淌性，这一点更像聚合物电池中的电解质。
不过相比于聚合物电池，宁德时代提到凝聚态电池的优点有“提升锂离子运输效率”，而对于单纯的聚合物电池来说，由于一些聚合物大分子，如PEO（聚氧化乙烯）在室温下会高度结晶，所以聚合物电解质会存在室温下锂离子电导率比较低的问题，这时候可以将聚合物作为一个基体来承载电解液，这就是凝胶态电解质。
▲聚氧化乙烯（图源网络）
凝胶态电解质的聚合物大分子链处于一种交联的状态，形成了三维有机交联网络，这样一来保障了较强的可塑性和电导率。但凝胶态电解质由于分子链的交联密度大，力学稳定性好，其末端的分子链被束缚，自由度比较低，跟电极的界面接触性降低。
为了解决这个问题，宁德时代的一个电池专利显示，在末端单独添加未交联的高分子链，以非共价交联的形式与三维空间形成临时的物理交联点，这样一方面，聚合物的主体确保了力学稳定性，也确保了末端分子链的自由度，从而改善了界面接触性。
▲宁德时代的锂金属电池及其应用专利
这个专利是宁德时代去年8月申请的，宁德时代第一次公开提出凝聚态电池是在去年6月的重庆车展上，所以，这个专利很有可能就是宁德时代凝聚态电池的相关专利。
其次，宁德时代还提到了凝聚态电池还聚合了包括超高比能正极、新型负极、隔离膜、工艺等一系列创新技术，使之既具有优秀的充放电性能，又具备高安全性能。
▲宁德时代凝聚态电池发布会PPT
宁德时代所说的“超高比能正极”和“新型负极”表明其正负极材料不会采用传统液态锂离子电池的方案，很多媒体猜测，其正极将采用高镍三元，负极采用硅基石墨，同时，正负极材料也会不断迭代，正极可以替换为超高镍三元材料、超高镍9系或者富锂锰基，负极会逐步替换为金属锂。
其隔离膜仍会保留，在隔膜上再涂附一层固态电解质，比如锂镧锆氧这类的氧化物电解质，以此来增加锂离子的迁移量。而凝聚态电池单体能量密度能达到500Wh/kg，除了采用半固态方案以外，它的电芯封装的材料应该做了简化，让单体非储能部分的重量降低了。
同时，对于其提到的创新工艺来说，东吴证券和国联证券报告都指出，宁德时代第一代凝聚态电池将采用卷绕/叠片+软包/方形两种工艺封装形式；第二代将只采用叠片+软包工艺封装路线。
▲凝聚态电池的迭代（图源雪球：调研最前线）
总而言之，根据宁德时代的一些说法，我们可以推测其凝聚态电池可以说是半固态电池的一种方案或是聚合物电池的升级版，其改用了更高比能的正负极材料、结构，并适配了相关的制造工艺。
三、固态难出实验室 半固态或成动力电池终点
提到半固态电池就不得不说起固态电池，现在很多业内人士认为锂电池是沿着液态→半固态→固态的趋势发展着的。
▲液态-半固态-固态的能量密度对比（图源中国科学院物理研究所）
目前来看，液态电池是市场的主流，其采用了可燃的液态有机电解液，需要有隔膜将正负极反应区隔开，但当锂电池出现短路等情况时，电池将在短时间内释放出大量的热量，温度急剧升高，导致热失控，此时易燃的液态电解液就被点燃，导致电池起火或爆炸。
▲液态锂离子电池工作原理（图源网络）
所以，为了保证安全，采用液态电解质的锂离子电池往往要增加额外的重量、体积和成本，正负极材料的选择也会受限，进而阻碍电池的能量密度。
因此，抛弃液态电解质和隔膜，采用固态电解质一直以来被很多人认为是行业未来，其会带来电池安全和能量密度的革命性提升。
但固态电池目前还处于实验室阶段，投入固态电池研究十数年的丰田也一直难以量产落地，固态电池仍需解决电导率低、电极/电解质界面兼容性和稳定性差等瓶颈问题。
这里所说的“界面”可以简单理解为电解质与正负极的接触面积，在液态锂电池中，电解液可以充分包裹住正负极，其接触面积很充分，但固态电池的电解液由于是全固态就远远不如液态电池的接触的充分。其导致的结果就是，随着固态电池使用次数增加，正负极与电解质之间的空隙会越来越大，虚接问题会越来越严重，使得固态电池整体循环寿命相比液态电池大幅缩水。
此时，采用固液混合电解质的半固态电池由于安全性较液态锂离子电池更高，界面接触性较固态电池更好，同时商业化落地更易实现而被行业青睐，蔚来预计今年量产装车的150kWh电池包便属于这一技术路线，所以，现在也有不少业内人士认为半固态电池或成为动力电池的终点。
四、多家布局半固态电池 量产在即
现在很多动力电池厂商在加速半固态电池的量产落地，尤其是从2022年开始，国内不少电池厂商都开始布局半固态电池。
▲我国2022-2023年投产半固态电池主要企业
2022年3月，卫蓝新能源表示，其正在与蔚来合作，在ET7车型上推出长续航1000公里，能量密度为360Wh/kg的混合固液态电池。
2022年5月28日，国轩高科研发出了单体能量密度为360Wh/kg的半固态电池，2023年2月23日，国轩高科在投资者互动平台上表示，半固态电池预计于2023年实现装车交付。
2022年11月1日，孚能科技采用半固态电解质的SPS软包电池生产线在江西省赣州市开工，预计在2023年下半年实现量产，并应用于合作车企的高性能车型上。
2022年12月15日，东风汽车发布新产品追光，其中搭载82kWh电池包版本的车型采用半固态电池，首批新车将于2023年上半年上市交付。同时，在2022年年初，50辆搭载赣锋半固态电池的东风风神E70完成交付。
2023年2月7日，赣锋锂电研发的三元固液混合锂离子电池拟应用于赛力斯纯电动SUV SERES 5，计划于2023年上市。
此外，更早布局半固态电池的蜂巢能源自主研发的果冻电池已符合半固态电池的标准，目前已投产使用。
可以看出，不少电池厂商都将在今年拿出自己的半固态电池成果，届时我们或许能看到半固态电池量产上车的盛况，不过，也或许会出现不少“跳票王”。
结语：凝聚态电池或年内量产落地
近两年，从电池的发展来看，似乎已经陷入了一个瓶颈期，特别是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着技术和制造工艺层面的重大考验。
而宁德时代的凝聚态电池，或者说不少电池厂商在研究的半固态电池都在努力突破技术桎梏，但是，目前还没有厂商实现半固态上车并大规模量产落地的目标。
不过，据宁德时代方面介绍，宁德时代正在探索凝聚态电池的车规级应用版本，将在今年年内实现量产落地。所以，关于凝聚态电池到底只是宁德时代的一个概念技术，还是宁德时代的“王炸”技术，或许今年就能揭晓。
