寧德時代全固態電池開始樣品驗證，團隊達上千人

文丨李梓楠

編輯丨程曼祺

我們獨家獲悉，寧德時代在今年增加了對全固態電池的研發投入，已將全固態電池研發團隊擴充至超 1000 人。

寧德時代目前主攻硫化物路線，在近期已進入 20Ah 樣品試製階段。一位知情人士稱，寧德時代目前的方案能將三元鋰電池的能量密度做到 500 Wh/kg，比現有電池提升 40% 以上，但充電速度和迴圈壽命還未達預期。

全固態電池樣品試製通常是從 1Ah 開始不斷做大單個電池容量。在 1Ah 樣品階段的任務是檢測電池材料效能優劣；10Ah 樣品時主要檢測電池的單體效能；20Ah 樣品階段則意味著電池方案初步定型，進入生產技術探索階段。

今年 4 月，寧德時代首席科學家吳凱在國際電池技術交流會上就曾表示，寧德時代已建成 10Ah 全固態電池效能驗證平臺，且在全固態電池的正負極材料、工藝和製造裝置上都有技術進展。

如今寧德時代進一步進入 20Ah 試製階段——目前電動車使用的軟包電池單體容量就是 20Ah ——如能在這一階段的樣品上解決安全和效能難題，剩下的就主要是製造工程問題，這些任務可以靠增加人力投入和實驗次數來有效推進。

寧德時代董事長曾毓群將固態電池研發進度分為 9 個等級，他在今年 9 月的動力電池大會上稱寧德時代目前處在等級 4 ，目標是在 2027 年提高到 7-8 級，實現全固態電池小批次生產。

寧德時代的規劃的時間線與豐田汽車、 LG 新能源 、三星 SDI 等類似，略快於比亞迪。但曾毓群今年 9 月曾罕見高調宣稱，與競爭對手相比，寧德時代的研究 “領先一大步”，用英文說是 “Second to none（首屈一指）”。

曾毓群的信心或許來自前所未有的投入力度。

全固態電池被業界視為鋰電池的終極形態，是學術界和產業界對電池形態的終極設想。但過去 30 年間幾乎只有豐田汽車一家公司在持續投入研發全固態電池，且進展緩慢。

電池業第一次有公司像寧德時代這樣投入巨量資源研發全固態電池。“1000 人，人均人力成本按照 100 萬算，每年開工資就得 10 個億，這之前大部分固態電池公司連預算幾個億的實驗室都建不起來。” 一位從業者說。

從跟隨到押注，從沒有目標到 2027 年量產

能量密度是電池最重要的效能指標，它代表了電池的使用效率。電池公司過去 30 年的努力大部分是為了提升電池的能量密度，在同等體積、重量的電池裡塞入更多電量。

從索尼、松下到寧德時代，電池公司過去三十年讓鋰電池的能量密度從 120Wh/kg 上升到目前的約 320Wh/kg 。能量密度的提升，讓鋰電池足以進入更多領域，創造更大的商業機會，推動能源轉型。

電池業並不存在像晶片業那樣的摩爾定律，電池的效能不會每過一段時間就翻一倍。但這個世界從未像現在這樣需要如此多的鋰電池——全球鋰電池的產量在過去 5 年翻了十倍，能量密度只增長不到 30%。

在可預見的未來，電動車、智慧手機使用的液態鋰電池的改進空間已相對有限：液態三元鋰電池的能量密度理論極限是 350Wh/kg，這個數字只能讓現在的智慧手機多用半小時，或者讓新能源汽車充一次電多跑 50 公里。

沿著液態鋰電池路線，永遠不會有電動載人客機飛上天--特斯拉創始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）曾測算，電池能量密度超過 450Wh/kg 時，電動載人客機的設想才成立。

固態電池成為行業公認的鋰電池未來形態。

電池的主要組成部分是電解質和正負極，靠鋰離子在正負極之間的移動穿梭來充電、放電，達到儲能、功能的作用。

固態電池，即把目前鋰電池中普遍使用的液態電解質（主要是六氟磷酸鋰）替換為固態電解質。固態電解質的效能更穩定且安全，這就可以使用能量密度更高、但化學性狀更危險的鋰金屬充當負極（目前負極材料為石墨），用含鋰量更高的高鎳三元材料充當正極，讓鋰電池的能量密度上限翻倍至超過 700Wh/kg。

所有鋰電池公司都會說自己正在 “研發” 全固態電池。但在今年以前，電池業多數大公司都只是投入數十名甚至幾個工程師，維持對前沿技術的感知。這種做法主要有兩個原因：現有液態鋰電池仍有提升空間，在既有技術框架下研發，回報更明確、投入產出比更高；電池業的大公司篤信規模和錢的作用，就算創業公司率先突破技術，他們也可以透過模仿快速追進。

寧德時代在數年前也是這樣做的。

據我們瞭解，寧德時代對全固態電池的研究最早始於 2016 年。當時，寧德時代邀請在美國橡樹嶺實驗室（成立於 1943 年，曾參與曼哈頓計劃，是全球最頂尖的材料化學實驗室之一）工作 10 年的梁成都加入寧德時代擔任研發體系聯席總裁，直接帶領寧德時代的硫化物全固態電池研發專案組。

但一位接近寧德時代的人士稱，梁成都當時手下只有不到 100 人負責全固態電池的研發，寧德時代對他們的定位是 “搞清楚最前沿的實驗室和公司的技術進展，幫高層做技術決策”。直到 2022 年末，寧德時代都沒有明顯增加對全固態電池的研發投入。

寧德時代高層過去對固態電池的表態都頗為謹慎。

吳凱在去年年中曾說，“如果豐田說今天能量產全固態電池，我持懷疑態度，目前全行業誰都不具備量產全固態電池的能力。至於 2027 年能否量產，作為技術人員，我也很難說得準確。”

但今年 3 月，寧德時代首席科學家吳凱罕見地在一次電池行業技術論壇上分享了寧德時代的全固態電池研發進展。半年後，曾毓群又披露了 “2027 年小規模量產全固態電池” 的時間表。

最早開始研發固態電池的豐田汽車，2018 年至今多次延後固態電池裝車時間，去年，豐田汽車聲稱會在 2027 年量產固態電池。國內諸多初創公司則將僅僅是過渡狀態的半固態電池混淆為固態電池，讓所有人不得不在固態電池前加上 “全” 字以指代業界原本認為的固態電池。

與他們相比，電池業界普遍認為寧德時代的時間表更靠譜，更符合實際。

到今年初時，寧德時代開始加大對固態電池的投入。據我們瞭解，今年一季度，寧德時代引進了幾十個固態電池初創公司和中科院背景的技術骨幹。

曾毓群今年三月在接受媒體採訪時也表示，他每個月都會了解研發團隊在固態電池方面的工作情況，他了解所有的技術進展。一位該團隊的工程師和我們說，曾毓群今年初鼓勵團隊稱，“有好事不用找我，有壞事找我，我給你們解決。”

寧德時代加大固態電池投入的同時，工信部也給寧德時代、比亞迪、吉利在內的六家公司提供研發補貼。

據我們瞭解，工信部給產業界的全固態電池研發補貼超過 60 億元，但其中部分資金需要企業的研發專案取得進展後到位。工信部的目標是 2027 年實現全固態電池的小規模量產。

一位行業人士稱，工信部在調研完後判斷，全固態電池在理論上能做成，做出來無非是時間長短問題。

重新發明電池的每個部件

在技術路線選擇上，寧德時代選擇了與豐田汽車類似的硫化物路線。吳凱在此前的技術論壇上說，硫化物路線的效能上限最高且量產進度最快。

按照所使用的固態電解質區分，目前固態電池主要有硫化物、氧化物和聚合物三種技術路線。

這三種技術路線都存在相應的基礎缺點。聚合物電解質需要加熱到 60℃才可以獲得足夠的導電率，難以在普通工況使用；氧化物電解質導電率低；硫化物電解質中的鋰離子導電率跟液態相近但是易氧化產生有毒氣體。近年業界也產生了鹵化物等新的技術路線，據我們瞭解比亞迪目前正著重研發鹵化物的固態電池。

寧德時代和豐田押注的硫化物固態電池一直面臨四個極難的技術問題。

液態電池中的薄片狀正負極浸泡在液態電解質中，電解質與正負極的接觸幾乎沒有縫隙；而固態電池則是把正負極放在粉末壓制成的固態電解質中，正負極與固態電解質間存在更大空隙。這些空隙會影響帶電離子在電池中的流動，降低電池的壽命和充電速度。把電解質從液體換成固體後，電解質就會被充放電過程中膨脹的正負極擠壞變形。

在正負極之間穿梭的帶電離子，就像河道里的泥沙，久而久之沉澱堆積，堵塞離子穿梭的通道。這種現象被稱為 “鋰枝晶”，沉澱的鋰離子會逐漸長成樹杈狀的尖刺，這種尖刺刺穿電池後會讓電池短路失效。液態鋰電池也面臨這一問題，但全固態電池在使用含鋰量更高的材料後，鋰枝晶的沉積會比液態電池更快，更難處理。

硫化物電解質在空氣中遇水會發生化學反應，產生有毒氣體並降低電池導電率。硫化物極強的化學特性也讓它非常難製備、造價高昂，目前一公斤硫化物售價超過 500 美元。

全固態電池的生產製造非常困難，在正負極、電解質製造環節都無法複用現有的成熟工藝，需要重新發明多項工藝。

根據吳凱的表態，寧德時代已在 10Ah 的樣品階段找到了解決這些難題的思路。

針對正負極和電解質接觸介面問題，寧德時代研發了多層材料包裹正極的技術，相當於用多層薄膜限制極片的變形，提高結構穩定性。正負極和固態電解質的接觸介面則依靠自研的粘結劑來維持離子的流動性，即導電率。

為了讓固態電解質與固體正負極接觸更緊密，行業慣常做法是製造電池時從外部施加超高的壓力把它們擠壓到一起。從吳凱披露的資訊，寧德時代目前研發的裝置能給電池均勻施加 500Mpa 的壓力，是馬裡亞納海溝最深處壓力的 5 倍。

目前寧德時代能將固態電池的正極克容量（影響電池能量密度的關鍵指標）做到 230mAh/g ，並將正極的使用壽命提升到 6000 次。一位行業人士稱，寧德時代目前還無法穩定正極的容量，從吳凱披露的正極資料看，在 6000 次充放電中正極的容量反覆下跌又反彈，這會讓電池在使用時電量持續波動。

寧德時代也提出了一種解決鋰枝晶問題的新思路，用可以靈活改變體積性狀的材料自動填充可能滋長鋰枝晶的縫隙，同時用合金金屬改變正負極表面的親鋰性，讓鋰均勻沉澱在表面，而非長成尖刺。

“這相當於在電池裡塞入 ‘海綿’，當四周的壓力變化後，讓這個海綿去填滿空隙，這個材料必須非常講究，得有很強的柔性，又得是良好的電導體。” 前述人士說。

此外，透過對硫化物電解質的改進，寧德時代現在能讓電解質在 -40℃ 露點（衡量環境乾燥度的指標）的環境中保持穩定，此前業界普遍只能在 -60℃ 露點的環境中製備硫化物電解質。這降低了建造硫化物電解質產線的成本，-40℃ 露點的乾燥度與晶片製造的超淨間相當。而 -60℃ 露點的乾燥度基本等同於火星表面。

除了對材料的改進，寧德時代也突破了幹法電極、等靜壓一體成型等製造技術。但仍然有諸多工程難題橫亙在寧德時代面前。為了保證全固態電池的使用壽命，電池在製成後仍需施加極大的壓力，保證電池內部部件接觸的緊密性，寧德時代需要發明新的電池包裹材料和封裝工藝。

一位固態電池初創公司技術負責人對我們評價稱，依照過去的經驗，如果不計成本，寧德時代很有可能可以在 2027 年內實現 0.5 GWh 左右的量產規模，這一產能能搭載數千輛電動車。寧德時代當下對全固態電池的技術和人員投入都是空前的，它的超額投入可能會加速這一過程。

寧德時代增加對全固態電池的投入幾乎是一件水到渠成的事。寧德時代每年將一半的淨利潤投去研發更好的電池，用更好的電池賣出更好的價格，賺到足夠多的錢繼續滾動優勢。

但過去幾年電池技術進步速度放慢，這種做法的商業回報並不高。

寧德時代去年的研發投入幾乎是動力電池業第二到第六名之和，但競爭對手依舊可以透過低價搶奪它的市場份額，寧德時代在中國的市佔率從 55% 的高點跌至目前 40% 左右。電池業在過去數年內從一個充滿商業活力和技術變數的產業變為一個逐漸失去活力、產品同質化、極度追求低價的產業。

這逼迫寧德時代也不得不主動突破技術邊界，尋找新的增量。