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SES麻省固能CEO:动力锂电池的未来,最终将走向锂金属电池

2022-09-29   点击量:50

记者|程迪


十月初,据外媒报道,混合锂金属电池独角兽公司SES麻省固能成功建立了第一条试点生产线,以扩大生产高性能solvent-in-salt电解液。


据悉,SES是近两年全球电池产业的投资热点,目前已经获得了多家大型车企和能源巨头的重视,其中不乏通用、现代、起亚、上汽、吉利、天齐锂业等大公司。


今年七月,SES更宣布和艾芬豪资本收购公司达成最终合并协议,并将通过SPAC形式,于12一月在纽约证券交易所挂牌上市,成为全球第一家上市的锂金属电池公司。


SES的混合锂金属电池和一般锂电池的最大差别在于负极材料。它可以让车辆续航提升50%,生产成本降低18%,充电速度也有大幅提升。


而此次扩产试点生产线,针对的就是混合锂金属电池负极材料中必备的一种特殊的高浓度锂盐中溶剂电解质配方,和锂金属混合后结构稳定,具有低挥发性和自熄性,更能使混合锂金属电池在低温和高功率下,依旧保持着高能量密度和安全性。


更重要的是,由于正极和锂离电子电池的材料完全相同,混合锂金属电池完全可以采用现成的产业链体系,只需更改负极材料或形状,即可全面对接相关电动汽车电池产业链。


SES的混合锂金属电池是否代表了动力锂电池行业的未来?为了更了解混合锂金属电池产业,我们对SES创始人兼CEO胡启朝进行了一次独家专访。


麻省高材生的全新汽车电池之路


SolidEnergySystems麻省固体能源公司(简称SES)成立于2012年,是一家电动汽车高性能可充电混合锂金属电池开发者及制造商,在材料、电芯、模块、基于人工智能学习的电池安全算法和电池回收再利用方面也都有涉猎。


创始人胡启朝在2007年获得了麻省理工学院物理学学士学位,并于2012年获得了哈佛大学应用物理学博士学位,主攻固态电池方面。


图片来源:SES麻省固能


同年,美国电池行业经历了锂电池生产商A123公司的破产事件。A123的惨败让胡启朝出现了一个新思路:无论对车企、消费者还是电池公司本身,锂电池可能都不是最好的选择。


在此背景下,胡启朝创立了SolidEnergySystems麻省固体能源公司,也就是如今SES的前身。公司创立后没多长时间,胡启朝当年入选了当年的《福布斯》杂志的"30位30岁以下精英"。


SES创立之初,胡启朝选择做的是做全固态锂金属电池的另一个原因,是因为这是他从大学时代就开始深耕的熟悉领域。从1990年代初开始,全固态锂金属电池的概念就已经出现,比索尼的锂电池还要早。当时,全固态锂电池指的就是以金属锂为负极,在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组份的锂电池。


早期专业人士认为:和锂离子体系相比,用锂金属做负极的固态电池具有更好的性能,安全性、可回收性以及成本更低。但全固态锂金属电池在材料和工艺加工方面,一直存在着极大的困难和挑战。某种程度上说,全固态锂电池似乎更像是一个梦想——至今,全球尚无一家电池公司能将这一梦想实现。


胡启朝也是在试错3年后,决定改做混合锂金属电池,即60%的正极材料和锂离子金属电池完全相同,40%的负极采用锂金属和特殊电解液材料,这也是混合锂金属电池名字的由来。


目前,SES是第一家,也是唯一一家公布了第三方测试报告的混合锂金属电池公司,包括能量密度、循环、低温、高温、安全、快充等一系列测试报告。


同时,SES也是全球第一家和车企签订A样品合作开发协议的混合锂金属电池公司。


目前公司已经在6年内完成了5轮融资。重要投资者包括韩国SK集团、通用汽车、现代汽车、起亚公司、淡马锡、天齐锂业、祥峰投资集团、美国应用材料公司和上汽集团等,累计融资近2.7亿美元(约合人民币17.44亿元)。


今年七月,SES对外宣布和著名的艾芬豪资本收购公司正式合并。合并后的SES,股权价值约为36亿美元,同时还获得了4.76亿美元的募资;预计今年十一月,SES将在纽约证券交易所以SPAC的方式上市,将累积获得7亿美元左右的资金。


合并后的实体公司,将会成为全球少有的几家动力锂电池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合锂金属电池供应商。


混合锂金属电池到底厉害在哪里?


从材质上看,锂电池和锂金属电池的正极材料完全相同(一般汽车的正极要占到电池的60%左右)。最大差别就是双方的负极。锂电池的负极重要是石墨和硅,锂金属电池的负极则为锂金属和特殊电解液材料——这也是混合锂金属电池名字的由来。


根据胡启朝的描述,相比我们熟悉的锂电池,混合锂金属电池拥有三点最突出的优势:


第一:技术和资金成本更低。常规锂电池的负极材料要浆料、涂布、滚压、干燥等程序,每一个环节都要大量的设备和时间投入。而SES的锂金属电池采用滚压的方式,将高纯度锂金属滚压成比较厚的锂箔,再按要逐步滚压到所要的厚度。比如,100微米、60微米甚至20微米都可以。整个锂箔的制备过程都是在干燥环境中进行,无需溶剂,所以设备和环境的要求都会比前者简单不少。


综合下来,锂金属电池的成本,比锂电池的成本低18%左右。


第二:能量密度更高。通过滚压制得的混合锂金属电池,第三方检测报告显示,在满足电池寿命和安全要求的前提下,能量密度一般可达到400Wh/kg,而一般锂电池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,续航里程是常规锂电池的50%以上。


比如今年一月通用推出的悍马电动汽车,用传统锂电池充一次电后能跑300英里,用混合锂金属电池的话,同样情况下,充一次电可以跑500英里,续航里能程得到大幅度提升。


第三:安全性更高。SES混合锂金属电池成功地从材料、制造工艺、软件监控等多个层面提升了电池的安全性。


SES专有的获专利电解液有助于解决几十年来一直困扰着锂金属的采用和进展的问题。随着反复的充电和放电循环,锂金属阳极会形成针状苔藓结构的"枝晶",它可以穿透隔膜并让电池短路。SES研究出的电解液不仅大大减缓了"枝晶"的生长,而且还将其形态从尖锐的树枝状结构变为"密集沉积(DenseDe)",这大大延长电池的生命周期,并提升了安全性。


除了电解质之外,SES混合锂金属电池单元使用专有的阳极涂层,等于多供应一层保护,并能在充电时使锂镀层更密。


混合锂金属电池的正极材料、电解液和锂电池都完全相同,所以不仅可以采用现在电池公司所采取的措施,从电芯、模组等方面做散热,还能在正极材料的混合电解液里加入添加剂,来缓解冬季低温续航方面的问题。


软件层面,SES采用先进的人工智能驱动的算法,可以准确地监测电池单元的健康状况,并更早地发现任何即将出现的和"枝晶"有关的或其他的安全问题。


除了通过选择更合适的材料提高电池安全,胡启朝表示:"通过AI软件监控,我们可以对电池从生产线、质量管理到上车,24小时不停地进行参数监测,从而精确了解电池健康状况,在安全事故发生之前提前预测。"


另据界面新闻记者了解,由于混合锂金属电池的正极材料和锂电池完全相同,某种程度上,这两种电池的生产工艺和隔膜原材料也是相同的,甚至混合锂金属电池的工艺从极片、电池组装以及注液,再到生产设备,其实完全是从锂电池行业脱胎而来。因此双方的产业链可以进行对接。再加上SES锂金属电池采用的滚压制备方式,使得其形状也可做到和适用于高端汽车的高镍电池、以及针对大众型汽车的无镍磷酸铁锂等电池完全匹配——即正极材料和形状,完全可以根据不同市场来改变。


"一个更安全、续航里程更高的电池,等于一个更便宜的电池。SES结合了传统锂电池和全固态锂金属电池的优点,开发出的混合锂金属电池,既保留了全固态金属电池的高能量密度优势,也拥有锂电池生产工艺和可制造性的一些优点。"胡启朝解释。


不过,从寿命周期来看,混合锂金属电池和锂电池相差无几,都在50万公里以上。当然,一般当下车企给到的明确保证是在16万公里左右,实际情况是远高于此。


此外,SES也有自己的难点和痛点,就是负极材料的研发。毕竟目前全球极少有公司可以批量生产又宽又薄的锂金属材料,因此某种程度上,这种先进正是也代表着混合锂金属电池走向全面难以产业化道路上的难点之一。所以,这也将是SES的目前以及未来的重要攻克方向。


产品已进入验证阶段,但量产仍尚需时日


"综合来说,混合锂金属电池具备了更高密度、成本更低、重量更轻、安全性更高、充电速度更快、智能化水平更高等六大优势。不少业内专家认为,以硅为负极重要材料之一的锂电池是目前到2025年的主流。以锂金属和特殊电解液材料的混合锂金属电池则是要到从2025年开始逐渐上升。"胡启朝告诉界面新闻记者。


换言之,混合锂金属电池或将是汽车和动力锂电池行业的共识。


而且,目前SES的混合锂金属电池已经不止于实验室阶段,开始和部分车企进行产品验证。


所谓产品验证,其实车企专门针对动力锂电池研发方面提出的一项极为漫长的验证过程。一般包含了工程样品、A样品、B样品和C样品四个阶段共10年的漫长周期。


通常,5年左右的时间用于工程样品研发;之后3年为A样品开发生产,然后是1年B样品和1年C样品的开发生产。


据了解,SES在去年已经完成了工程样品第一阶段。并在今年三月和通用汽车达成联合开发协议,在波士顿为后者开发A样品电池;五月又和现代汽车和起亚签署联合开发协议,为现代开发A样品电池。预计明年将进行A样品的优化,2023年和2024年分别研发出B样品和C样品,2025年正式装车上路。


这一点上,SES的确走在了所有锂金属电池开发商的最前面。


据悉,SES的A样品要做到1GWh产量,B样品和C样品也是7到10GWh产量。一般而言,量产上车要做到10GWh就可以量产上车。


图片来源:SES麻省固能


SES和通用汽车已经在波士顿拥有了一条1GWh产量的A样品生产线,而位于嘉定的上海分部未来也将完成也将在年底扩大面积,开始整个A样品的开发。


据胡启朝介绍,嘉定基地占地面积6000平方米,重要做6Ah和9Ah的小电芯产品开发中心。马上,这个基地就会扩展到3万平方米左右,成为SES全球最重要的基地。未来,将涵盖电解液、锂金属负极、正极、电芯、软件、模组、安全测试等各方面能力。预计今年年底,嘉定基地就将开始生产1GWh产量的混合锂金属电池,并成为SES业务布局的核心,从基础研发、产品开发到生产工艺,乃至打通整个产业链。


胡启朝表示:有关锂电池来说,1GWh的产量并不算大,但有关混合锂金属电池来说,这将会是全球最大的生产中心。而为了控制产品质量和降低成本,SES未来还会自己生产电芯、材料、模组,甚至电池管理系统、电池安全软件等配套产品。预计未来上海生产和研发中心的产量还会再进一步扩大,为下一步B和C样品的10GWh产量做准备。


眼下,这家新兴电池公司在为自己打开了一扇新世界大门的同时,也为全球车企和相关动力锂电池行业,打开了一扇新世界的大门。


对此,胡启朝称:"混合锂金属电池替代锂电池并不会是一个一蹴而就非常迅速的过程,而是逐渐替代。"


在他看来,动力锂电池从最初的铅酸电池到后来的镍电池,再到当前市场应用最广泛的锂电子电池,未来会最终走向锂金属电池。


目前,SES在全球约有110位职员,研发人员的比例高达90%,其中很多研发人员都曾在大多来自CATL、LG、SK等著名的锂离子公司工作过。


截止今年九月,SES已在波士顿、上海、新加坡和首尔这四座城市设有重要部门。


其中,新加坡为控投总部;波士顿的设施分部重要负责和通用的合作,主攻化学、材料和算法研发,以及一家试验厂;而位于上海的嘉定厂分部,承担的责任和任务最为复杂——既有制造工艺开发,以及电池、模组和BMS研发部门,又有大型试验厂。

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