SES麻省固能CEO:动力电池的未来,最终将走向锂金属电池

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2021-10-27

10月初,混合锂金属电池独角兽企业SES麻省固能(前身为“SolidEnergy Systems”)宣布,旗下的上海嘉定基地正式开始电解液试生产。后者也是全球第一条用于生产高浓度锂盐电解液的可扩展试点生产线。目前每年可生产5吨电解液,未来将进一步扩大产能至每年250吨,以满足未来混合锂金属电池的需求。

据悉,SES这家公司可谓是近两年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、天齐锂业等我们熟悉的大公司。

今年7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,和一般锂离子电池的最大区别在于负极材料。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。

而此次宣布的试点生产线,针对的就是混合锂金属电池中必备的一种高浓度锂盐电解液,与锂金属混合后结构稳定,不易燃,更能使混合锂金属电池在较广的温度范围和放电倍率下,依旧保持高能量密度。

更重要的是,由于正极和锂离子电池的材料完全一样,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车电池产业链。

如此看来,SES的混合锂金属电池,似乎正一步步改变动力电池行业的未来。

日前,为了更了解这家独角兽企业、混合锂金属电池产业以及动力电池的未来,界面记者对SES的创始人兼CEO胡启朝进行了一次专访。

SES的全新汽车电池之路

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。

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,在此背景下,他创立了SolidEnergy Systems麻省固体能源公司,也就是如今SES的前身。胡启朝当年入选了《福布斯》杂志的“30位30岁以下精英”。

SES创立之初,胡启朝做的是全固态锂金属电池。从1990年代初开始,全固态锂金属电池的概念就已经出现,比索尼的锂离子电池还要早。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:与锂离子体系相比,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。但谁能想到,虽然大家对全固态锂金属电池抱有极大的期望,但在材料和工艺方面,一直存在着极大的困难与挑战。某种程度上说,全固态锂金属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电池完全一样,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。

他很快就发现,混合锂金属电池的确是更实际的技术路线。目前全球有7到8家混合锂金属电池供应商。其中,SES、QuantumScape和SolidPower都处于较领先的位置。

但是,SES是目前第一家,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。

不仅如此,SES也是全球第一家和车企签订A样品联合开发协议的锂金属电池公司。

全球第一家上市交易的混合金属电池供应商?

2015年成功转型后,SES彻底摆脱了技术和资金困境,6年内进行了5轮融资。

主要投资商包括韩国SK集团、通用汽车、现代汽车、起亚公司、淡马锡、天齐锂业、祥峰、应用材料和上汽集团等。

今年7月,SES对外宣布与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11月,SES将在纽约证券交易所以SPAC的方式上市,并还将累积获得7亿美元左右的资金。据悉到那时,除了之前提到的那些公司,吉利控股集团和LG等新的投资商也将踊跃参与其中。

合并后的实体公司,将会成为全球少有的几家动力电池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合锂金属电池供应商。以上提到的那些资金,都将成为SES未来几年公司发展,以及产品商业化与量产化的重要支持。

胡启朝表示,之所以选择和艾芬豪合作,首先看中的是艾芬豪的本体。后者本就是一家综合矿业公司,在世界多地拥有充足储量的镍矿和铜矿。其中就包含了约41亿磅镍金属的南非Platreef项目。为了应对未来电池行业的“镍荒”,SES必须有更长远的战略考量。

“因为锂并非影响电池产业发展的主要问题,而是电池正极所需的稀有金属材料,比如镍、钴等才是关键所在。因为在那些高能量密度的电池里,镍的成分往往比普通能量密度的电池高不少。”

另一个原因,就是以SPAC方式上市,SES可以用更短的时间与成本,募集到更多的资金,以支撑后续产品开发、技术拓展和商业化。

混合金属电池到底厉害在哪里?

从材质上看,锂离子电池和锂金属电池的正极材料完全一样(一般汽车的正极要占到电池的60左右)。最大区别就是双方的负极。锂离子电池的负极主要是石墨和硅,锂金属电池的负极则为锂金属和特殊电解液材料。

根据胡启朝的描述,相比我们熟悉的锂离子电池,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。常规锂离子电池的负极材料需要浆料、涂布、滚压、干燥等程序,每一个环节都需要大量的设备与时间投入。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,再按需要逐步滚压到所需要的厚度,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,比锂离子电池的成本低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,而一般锂离子电池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,续航里程超过常规电池的50以上。

第三方的测试机构曾做过验证,在充电续航方面,混合锂金属电池也是优于一般锂离子电池,15分钟内就能达到80的电量。

比如今年1月通用推出的悍马电动汽车,用传统锂离子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(Dense Deposition)",这大大延长电池的生命周期,并提升了安全性。

除了电解液外,SES混合锂金属电池使用专有的阳极保护涂层,在充电时使锂镀层更密,从而提供另一层保护。

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与"枝晶"有关的或其他的安全问题。胡启朝表示:“还有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。”

另据界面记者了解,由于混合锂金属电池的正极材料和锂离子电池完全一样,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,其实完全是从锂离子电池行业脱胎而来。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结合了传统锂离子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,既保留了全固态锂金属电池的高能量密度优点,也拥有锂离子电池高制造性的优点。”胡启朝解释。

产品已进入验证阶段,锂金属是电池的未来

“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、智能化水平更高等优势。不少业内专家认为,以硅为负极主要材料之一的锂离子电池是目前到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。”胡启朝告诉界面记者。

换言之,混合锂金属电池或将是汽车和动力电池行业的共识。

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。因此就目前看,SES的混合锂金属电池电池若能在2025年实现产业化,的确是明确踩着时间节点推进的。

去年,SES完成了工程样品第一阶段。

今年3月已经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;5月又和现代汽车与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产能,B样品和C样品也是7到10GWh产能。一般而言,量产上车需要做到10GWh。

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CATL、LG、SK等著名的锂离子企业工作过。

截止今年9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,新加坡为总部;波士顿的设施主要负责与通用的合作,主攻化学、材料和算法研发,以及一家试验工厂;而位于上海的嘉定工厂,承担的责任与任务最为复杂——既有制造工艺开发,以及电池、模组和BMS研发部门,又有大型试验工厂。

  SES波士顿工厂

SES和通用汽车已经在波士顿拥有了一条1GWh产能的A样品生产线,而位于嘉定的上海生产展示中心也将完成整个A样品的开发。

他表示:对于锂离子电池来说,1GWh的产量并不算大,但对于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能还会再进一步扩大,为下一步B和C样品的10GWh产能做准备。

结尾:

将锂金属和特殊电解液滚压成干燥的锂箔,SES从负极材料入手,使得汽车电池的能量密度、充电速度、安全性和成本等方面都有了一定提升。如今,这家电池公司不仅受到了多家能源企业和车企的青睐,产品进入验证阶段,更受到资本市场的欢迎,公司也即将在美国上市。

换言之,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电池行业,打开了一扇新世界的大门。

胡启朝说:“我明白,混合锂金属电池替代锂离子电池并不会是一蹴而就的过程,而是逐渐替代。动力电池的历史最早能追溯到1850年,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离子电池,未来会最终走向锂金属电池。锂金属是自然界最轻的金属,而用锂金属材料做成的电池也会是最轻和最小的电池,中间可能发展出不同路径,比如混合锂金属或全固态锂金属等等,但电池的终极形态会是锂金属电池。下一代锂金属电池已是汽车和动力电池行业的共识。”