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全固态電池領域,小公司的加速度——“恩力動力”

在其他行業,十年可能已經夠好幾家公司上市了,但在電池行業,尤其在一個創新電池領域,并非易事。

2022年是戴翔帶着恩力動力在電池道路上的第十年。

随着電動汽車等行業的發展,市場對電池能量密度的需求愈來愈高,目前人們所使用的锂離子電池材料的電芯能量密度已接近其最高水準,約350Wh/kg ,依靠現有動力電池體系,2025 年後電池能量密度将難以達到國家500Wh/kg 的要求。

锂離子電池的弊病已困擾市場多年。由于锂離子電池采用的是液态電解質,低溫環境下電解質的流動性變差,放電和充電的過程都無法順利進行。當锂離子電池内部的溫度異常升高時,PE隔膜還會熔化形成隔膜阻斷,锂離子集中穿過形成大電流,導緻正負極短路并發生起火、爆炸等危險。

固态電池能從根本上解決這幾大問題,被認為是最具前景的新一代動力锂電。

首先,在能量密度上,固态電池單體的能量密度預計最高能達到 600Wh/kg以上,約為锂離子電池的2-3倍。其次,在安全性能上,固态電池的許多無機固體電解質材料不可燃,雖然聚合物固體電解質存在一定的可燃風險,但仍好于電解液。

固态電池的電化學穩定視窗能達到 5V 以上,能夠比對高性能的電極材料,可以使用超高鎳三元材料、搭載 LCO及富锂材料,還能相容金屬锂負極。

博士期間,戴翔在美國德克薩斯大學奧斯汀分校師從钴酸锂、錳酸锂和磷酸鐵锂正極材料的發明人、2019年諾貝爾獎得主、“锂離子電池之父”John.Goodenough。

畢業後戴翔在半導體、新能源材料、器件、結構、工藝、性能表征、封裝與內建等方面從事研究開發工作20餘年,曾在美國惠普公司和美國太陽能公司(Evergreen Solar)擔任技術高管。

在此期間,戴翔遇到了本碩時期的老友車勇。彼時,戴翔在清華讀固體實體學,車勇在北航的材料系。同在電池領域深耕多年,再會時,一拍即合,創立了恩力動力。

聯合創始人兼CTO車勇在東京工業大學電化學專業攻讀博士學位,同時與LGPS型(室溫下離子電導率>10-2S/cm)硫化物固态電解質的發明人、世界領先的全固态電池科學家菅野了次結下了深厚的師生情誼。獲得博士學位後,車勇先後在日本旭硝子、豐田集團北美研究院等工作15年,分别擔任電池研發帶頭人、資深經理。

“做一款電池已經是一件很難的事情,把它産業化是一件更難的事情。”戴翔對創業邦說道。

從液态電池到全固态電池的道路上,擺着材料、界面、工藝、成本四座大山,座座都讓無數專家赴湯蹈火。

業内一般認為從液态電池到全固态電池需要經過固液混合電池,即半固态電池的過渡階段。恩力動力同領域内的大多數公司一樣,先研發固液混合電池,再攻克全固态電池。

截至2021年底,恩力動力研發的第一代産品——固液混合電池的中試已基本完成。這款固液混合電池的負極采用了锂合金,可以有效提升電池的能量密度,锂合金負極也被認為是锂電池的下一代技術。

但锂合金在充電時容易析出锂枝晶破壞電池結構,為了抑制锂枝晶産生的安全風險,恩力動力采用獨特的隔膜技術将負極包覆起來。該産品目前已認證軟銀(Softbank Next-Generation Battery Lab)在内的中、日多家第三方機構的測試,實測重量能量密度達520wh/kg,實測體積能量密度達1100wh/L,且在循環100圈後,電池仍然能夠保持89%的容量。

這是繼2021年3月15日恩力動力與Softbank Corp聯合釋出了能量密度為450Wh/kg的锂金屬電池後取得的又一重大突破。該款電池的樣品及電池規格已于2021年9月29日至10月1日的東京國際二次電池展(BatteryJapan)上首次亮相。

恩力動力采用了自主研發的锂金屬電極界面控制技術,以及獨特的電解質技術,在兼顧電池循環穩定性的前提下,進一步減少了電池中非活性材料的占比,進而實作了電池能量密度的大幅提升。

恩力動力的這款固液混合電池與市面上智能手機普遍使用的锂離子電池容量大緻相當,但能量密度提升了一倍,在同等重量情況下,單次充電後手機的使用時間可大幅延長。目前,這款電池已經應用在了高端飛行器、潛水器、無人機等裝置上,并與軟銀展開了合作。

全固态電池領域,小公司的加速度——“恩力動力”

ENPOWER無人機電池模組系列産品

在向全固态電池邁進的起步階段,恩力動力就抓住了兩個發展要點,一個是要國際化,各種全固态電池标準要與國際對接,一個是要差異化,跟領域内的大廠拉開差距。

這種電池的應用領域也順應了恩力動力的發展要點之一——差異化,恩力動力創始人兼CEO戴翔告訴創業邦,“産業化的路徑我們也要差異化。我們會率先把我們的産品應用到市場,雖然量不如車用大,但它會驗證我們的産品,疊代速度會變得更快,這就是為什麼我們前期跟軟銀合作而不是跟車企合作。但後續車用的布局,我們也在洽談中。”

2022年,恩力動力還将緻力于試制單體電芯容量10Ah(10000mAh)以上的軟包電池。在電池内部材料不變的情況下,進一步提升恩力電池的能量密度,至540Wh/kg以上。恩力動力正在與産業戰略夥伴持續推進産業化落地,緻力于早日實作超高比能锂金屬電池的産業化及商業化。

全固态锂電池是恩力動力的第二代産品,計劃在2025年“上車”使用。

2017年10月,恩力動力與John.Goodenough合作開發基于锂金屬負極的全固态電池,期間共同發明了一種新型固态電解質隔膜材料,并合作申請了美國專利,此外,恩力動力還與John.Goodenough合作開發了多種锂金屬負極界面保護技術。對于第二代電池,恩力未來會選擇與多家主機廠合作,給這些主機廠提供标準化的電池。

ENPOWER全固态锂電池

電池是各種材料組合起來的一個系統,固态電池和液态電池的正負極材料大都相同,正極材料為钴酸锂、錳酸锂、三元材料、磷酸鐵锂,負極材料基本使用的是石墨。

但兩者的電解質不同,液态電池使用的主要是液态電解質,固态電池則是固體電解質。固态電解質材料如果想取代現在電解液電池,離子電導率就必須比電解液高,目前,在固态電解質材料方向上,主要有三種技術路徑:氧化物、聚合物、硫化物。

戴翔博士認為,氧化物路徑真正起的作用第一是安全性上的,第二是能夠快速産業化,氧化物路徑就是在現有的锂電池工藝配方、材料配方的基礎上做一些改變,雖改善了電池的安全性,但犧牲了一些其他性能,因為氧化物固态電解質的離子電導率不夠高,此外,由于氧化物中需要一些稀土金屬,成本随之變高。選擇從氧化物的路徑去做固液混合電池,最終真的走到研發全固态電池時,可能還是需要回頭研發硫化物。

是以在全固态電池的研發上,一開始,恩力動力就選擇了電導率最高,也是難度最大的硫化物固态電解質,離子電導率相比氧化物高兩個數量級。

2018年6月,恩力動力開始與菅野了次教授合作,開發硫化物固态電解質材料,并合作研發使用硫化物固态電解質材料的全固态電池,2021年6月,菅野了次教授已與恩力動力将合作續簽了3年,新合同是基于硫化物固态電解質材料與锂金屬負極材料的全固态電池。

目前,恩力動力已經掌握了低成本的硫化物電解質制備技術。但仍存在界面阻抗問題,在軟包電芯中會對離子的傳導産生負面影響。在這方面,恩力動力表示,由CTO車勇博士牽頭,日本研發團隊已經攻克了固态電池界面傳導問題,恩力生産的電池能夠在-40℃~100℃之間達到1000次循環。

全固态電池領域,小公司的加速度——“恩力動力”

ENPOWER硫化物固态電解質粉末

對于恩力動力的第三代産品,也已經規劃好,将是無钴無锂的固态電池。

在解決了材料、界面的問題後,就要面對電池制作工藝問題,電池的循環穩定性、性能是否能夠随着電池體積的增大而保持穩定,是恩力目前在重點突破的問題。

在成本問題上,恩力電池的成本結構中,正極占比40%,固态電解質占比20%,其餘是摻雜的其他材料。在保留了幹燥的生産環境下,省略了液态電池中注液、浸潤、化成等較長的工藝時間,縮短了生産周期,降低了生産成本。

此外,固态電池由于沒有電解液,不會存在液态電解質難分離的情況,是以回收起來更加友善,且恩力動力引入的負極锂金屬比現在使用的石墨負極更有回收價值。從克容量上看,固态還有着比液态更省輔材的特點。

截至2021年底,恩力動力的A輪融資結束後,團隊逐漸從清華大學(固安)中試孵化基地遷至大興的新廠做量産準備,成員數量已達到50人。

能夠拿到John.Goodenough和菅野了次的長期合作,在戴翔看來,主要是因為兩位電池領域的大家都看到了恩力動力方向的可行性,以及在實踐中的加速度。

恩力動力第一款采用了锂金屬負極的固液混合電池,無論在技術上還是在産業化上,目前在全世界都是最前沿的。第二款硫化物的全固态電池,在國内是比較領先的,在日本和美國有豐田和Solid Power等企業也在走這條技術路徑。

最後,戴翔表示,“第一步邁出去了,采用锂金屬負極的這款産品産品化、商業化了,是以理想還是要有的,萬一實作了呢。我們仍在堅持做第二步,全固态電池,我們認為第二步也可以實作,因為豐田實作了,豐田已經做出能夠上車跑的全固态電池。但豐田采用的是石墨負極,我們用的是锂金屬負極,锂金屬負極的能量密度更高。但是豐田至少把全固态電池做出來了、走通了,恩力也一定能走通,可能隻比他晚那麼一步。”

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