文丨李子楠

编辑丨程曼琪

独家获悉，宁德时代今年加大了全固态电池的研发投入，全固态电池研发团队已扩大至1000余人。

CATL目前主攻硫化物路线，近期已进入20Ah样品试产阶段。一位知情人士表示，CATL目前的解决方案可以将三元锂电池的能量密度提高到500Wh/kg，比现有电池高40%以上，但充电速度和循环寿命尚未达到预期。

全固态电池样品试制通常从1Ah开始，不断提高单体电池的容量。 1Ah样品阶段的任务是测试电池材料的性能； 10Ah样品台主要测试电池的单体性能； 20Ah样品阶段意味着电池方案初步定型，进入生产技术探索阶段。

今年4月，宁德时代首席科学家吴凯在国际电池技术交流会上表示，宁德时代已建成10Ah全固态电池性能验证平台，在正负极材料方面取得了长足进展，全固态电池工艺及制造设备。有技术进步。

现在宁德时代进一步进入20Ah试产阶段——目前电动汽车使用的软包电芯容量为20Ah——如果现阶段样品上的安全和性能问题能够得到解决，剩下的将主要是制造工程问题。这些任务可以通过增加人力投入和实验数量来有效推进。

宁德时代董事长曾毓群将固态电池研发进展分为九个层次。他在今年9月的动力电池大会上表示，宁德时代目前处于4级，目标是2027年提升至7-8级，实现全固态电池小批量生产。

宁德时代的规划时间表与丰田汽车、LG新能源、三星SDI等类似，略快于比亚迪。不过，曾毓群在今年9月罕见地高调宣布，与竞争对手相比，宁德时代的研究“领先了一大步”，用英文来说就是“Second to none”。

曾毓群的底气或许来自于前所未有的投入。

全固态电池被业界视为锂电池的终极形态，是学术界和工业界对电池形态的终极愿景。然而，近30年来，几乎只有丰田汽车公司一家公司持续投入全固态电池的研发，且进展缓慢。

像宁德时代这样的公司投入巨额资源进行全固态电池的研发，这在电池行业尚属首次。 “1000人，按人均劳动力成本100万计算，年薪10亿。在此之前，大多数固态电池企业连几亿预算的实验室都建不了。”一位学员说道。

从跟随到押注，从无目标到2027年量产

能量密度是电池最重要的性能指标，代表着电池的效率。过去30年电池公司的大部分努力都是为了提高电池的能量密度，在相同尺寸和重量的电池中装入更多的电量。

从索尼、松下到宁德时代，近三十年来电池企业将锂电池的能量密度从120Wh/kg提升到目前的320Wh/kg左右。能量密度的提升让锂电池进入更多领域，创造更大商机，推动能源转型。

电池行业不像芯片行业那样有摩尔定律，电池的性能不会每次都翻倍。但世界从未像现在这样需要如此多的锂电池——过去五年全球锂电池产量增长了十倍，而能量密度仅增加了不到30%。

在可预见的未来，用于电动汽车和智能手机的液态锂电池的提升空间较为有限：液态三元锂电池能量密度的理论极限为350Wh/kg，只能让目前的智能手机使用一半多一个小时。 ，或者让新能源汽车一次充电多跑50公里。

沿着液态锂电池路线，永远不会有电动客机飞上天空——特斯拉创始人埃隆·马斯克曾计算过，当电池能量密度超过450Wh/kg时，电动客机的假设成立。

固态电池已成为业界公认的锂电池未来形态。

电池的主要组成部分是电解液和正负极，依靠锂离子在正负极之间的移动进行充放电来实现储能和功能。

固态电池用固态电解质代替了锂电池中常用的液态电解质（主要是六氟磷酸锂）。固体电解质的性能更加稳定和安全，可以采用能量密度更高但化学性质更危险的锂金属作为负极（目前负极材料为石墨），并可采用高镍三元材料以更高的锂含量作为正极，使锂电池的能量密度极限提高一倍，达到700Wh/kg以上。

所有锂电池企业都会说自己正在“研发”全固态电池。但在今年之前，电池行业大多数大公司只投入了数十名甚至几名工程师来保持尖端技术感。采取这种做法的主要原因有两个： 现有液态锂电池仍有改进的空间。现有技术框架下的研发将有更明确的回报和更高的投入产出比；电池行业的大公司坚信规模和金钱的作用。即使初创公司最先突破技术，他们也可以通过模仿迅速赶上。

几年前，宁德时代也做了同样的事情。

据了解，宁德时代对全固态电池的研究最早始于2016年。当时，宁德时代邀请了曾在美国橡树岭实验室工作10年的梁成都（成立于1943年，参与过曼哈顿项目（全球顶尖材料化学实验室之一）加入宁德时代担任研发体系联席总裁，直接领导宁德时代硫化物全固态电池研发项目团队。

不过，一位接近宁德时代的人士表示，梁成都当时负责全固态电池研发的人员不到100人。宁德时代对他们的定位是“了解最前沿实验室和企业的技术进展，帮助高管做技术决策”。直到2022年底，宁德时代还没有大幅增加全固态电池的研发投入。

宁德时代高管过去对固态电池一直相当谨慎。

吴凯去年年中表示，“如果丰田今天说可以生产全固态电池，我持怀疑态度。目前行业内没有人具备量产全固态电池的能力。”对于2027年能否实现量产，作为技术人员，我很难准确地说。”

但今年3月，宁德时代首席科学家吴凯罕见地在电池行业技术论坛上分享了宁德时代的全固态电池研发进展。半年后，曾毓群披露了“2027年小规模量产全固态电池”的时间表。

率先研发固态电池的丰田，自2018年以来多次推迟固态电池的装机。去年，丰田宣称将在2027年量产固态电池。国内多家初创企业企业将仅处于过渡状态的半固态电池与固态电池混淆，迫使大家在固态电池前面加上“全”字，以指代业界原本认为的固态电池。

与他们相比，电池行业普遍认为宁德时代的时间表更可靠、更现实。

到了今年年初，宁德时代开始加大对固态电池的投入。据了解，今年一季度，宁德时代引进了数十家具有中科院背景的固态电池初创企业和技术骨干。

曾毓群今年3月接受媒体采访时也表示，他每个月都会了解研发团队在固态电池方面的工作情况，所有的技术进步他都了解。团队的一位工程师告诉我们，今年年初，曾毓群就鼓励团队，“有好事别来找我，有坏事来找我，我给你们解决。” ”

在宁德时代加大固态电池投入的同时，工信部也向宁德时代、比亚迪、吉利等六家企业提供了研发补贴。

据了解，工信部已向行业提供超过60亿元的全固态电池研发补贴，但部分资金需待企业研发项目取得进展后释放。工信部目标到2027年实现全固态电池小规模量产。

一位业内人士表示，工信部经过调查，确定全固态电池理论上可以制造，但只是时间长短的问题。

重新发明电池的每个组件

在技​​术路线选择上，宁德时代选择了与丰田汽车类似的硫化物路线。吴凯在此前的技术论坛上表示，硫化物路线性能极限最高，量产进度最快。

根据所使用的固体电解质，目前固态电池有硫化物、氧化物和聚合物三种技术路线。

这三种技术路线都存在相应的基本缺陷。聚合物电解质需要加热至60℃才能获得足够的导电率，难以在正常工作条件下使用；氧化物电解质电导率低；硫化物电解液中的锂离子电导率与液体相似，但易氧化产生有毒气体。近年来，行业还产生了卤化物等新的技术路线。据了解，比亚迪目前正重点发展卤化物固态电池。

宁德时代和丰田押注的硫化物固态电池一直面临着四个极其棘手的技术难题。

液态电池中的片状正负极浸泡在液体电解液中，电解液与正负极的接触几乎没有间隙；而固态电池则将正极和负极放置在粉末压制而成的固体电解质中，正极和负极与固体接触。电解质之间有较大的间隙。这些间隙会影响电池中带电离子的流动，降低电池寿命和充电速度。电解液由液态变为固态后，在充放电过程中，电解液会因正负极的膨胀而受到挤压变形。

在正极和负极之间穿梭的带电离子就像河流中的沉积物。随着时间的推移，它们沉淀并积累，阻碍离子的通过。这种现象称为“锂枝晶”。析出的锂离子会逐渐长成叉状的尖峰。当这些尖峰刺穿电池时，电池就会短路并失效。液态锂电池也面临这个问题，但在全固态电池中使用锂含量更高的材料后，锂枝晶的沉积会比液态电池更快、更难处理。

硫化物电解质与空气中的水发生化学反应，产生有毒气体并降低电池的电导率。硫化物极强的化学性质也使其制备起来非常困难且昂贵。目前一公斤硫化物的售价超过 500 美元。

全固态电池的生产制造难度很大。正负极和电解液的制造无法重复使用现有的成熟工艺，许多工艺需要重新发明。

根据吴凯的说法，宁德时代在10Ah样品阶段就找到了解决这些问题的方法。

针对正负极与电解液接触界面的问题，CATL开发了一种用多层材料包裹正极的技术，相当于用多层薄膜来限制正极的变形。极片并提高结构稳定性。正负极与固体电解质的接触界面依靠自主研发的粘合剂来维持离子的迁移率，即导电性。

为了使固体电解质与固体正极和负极更紧密地接触，业界的常见做法是在制造电池时从外部施加超高压将它们挤压在一起。据吴凯透露的信息，宁德时代目前研发的设备可以对电池施加500Mpa的均匀压力，这是马里亚纳海沟最深处压力的五倍。

目前，CATL可将固态电池正极容量（影响电池能量密度的关键指标）提升至230mAh/g，并将正极使用寿命提升至6000次。一位业内人士表示，宁德时代目前无法稳定正极产能。从吴凯披露的正极数据来看，在6000次充放电过程中，正极容量反复下降和反弹，这会导致电池在使用过程中电量持续波动。

CATL还提出了解决锂枝晶问题的新思路。它使用可以灵活改变体积特性的材料来自动填充锂枝晶可能生长的间隙。同时，采用合金金属来改变正负极表面的亲锂性，让锂均匀沉降在表面，而不是生长成尖刺。

“这相当于在电池里塞了一块‘海绵’，当周围的压力发生变化时，让海绵填满空隙。材料必须非常特殊，必须非常柔韧，而且必须是良好的电导体。”上述人士说道。

此外，通过对硫化物电解液的改进，CATL现在可以在露点-40℃（环境干燥度的衡量标准）的环境中保持电解液的稳定性。此前，业界一般只能在露点-60℃的环境下制备硫化物。材料电解质。这降低了建设硫化物电解液生产线的成本，-40℃露点的干燥度堪比芯片制造的洁净室。 -60℃露点的干燥度基本相当于火星表面的干燥度。

除了改进材料之外，宁德时代还在干电极、等静压一体成型等制造技术上取得了突破。但摆在宁德时代面前的工程问题还有很多。为了保证全固态电池的使用寿命，电池在制成后仍然需要承受很大的压力，以保证电池内部组件的紧密接触。 CATL需要发明新的电池封装材料和封装工艺。

一位固态电池初创公司的技术总监向我们评价，根据以往的经验，无论成本如何，宁德时代很可能能够在2027年实现0.5GWh左右的量产规模。这一产能可承载数千辆电动汽车。车。目前宁德时代对全固态电池技术和人才的投入是史无前例的，其超额投入可能会加速这一进程。

宁德时代加大对全固态电池的投入几乎是水到渠成的事情。 CATL每年都会投入一半的净利润来开发更好的电池，以更好的价格销售更好的电池，并赚到足够的钱来继续推出其优势。

但过去几年电池技术的进步已经放缓，这种方法的商业回报也微乎其微。

宁德时代去年的研发投入几乎相当于动力电池行业第二至第六大企业的总和，但竞争对手仍能以低价抢占其市场份额。 CATL在中国的市场份额已从55%的高位下降至目前的40%左右。过去几年，电池行业从一个充满商业活力和技术变量的行业，变成了一个逐渐失去活力、产品同质化、极度追求低价的行业。

这倒逼宁德时代主动突破技术边界，寻找新的增量。