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但眼下，阻力出現(xiàn)了。純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)滲透率已經(jīng)增長(zhǎng)乏力，即便是曾經(jīng)的銷冠特斯拉，在2023年財(cái)報(bào)上無(wú)奈寫道，“2024年銷量增速可能會(huì)明顯低于2023年。”
限制純電車增速的根由，仍在動(dòng)力電池身上。動(dòng)輒半小時(shí)的補(bǔ)能時(shí)長(zhǎng)，低溫性能衰減導(dǎo)致北方冬季開不起來(lái)的汽車空調(diào)，以及不時(shí)燒起的熊熊大火……仍會(huì)將消費(fèi)者攔在門外。
為了徹底解決這些問(wèn)題，固態(tài)電池應(yīng)運(yùn)而生。理想中的固態(tài)電池，能量密度可以突破500Wh/kg，輕松6C充放電讓充電效率與加油相當(dāng)，電池刺穿不起火，低溫能量不跳水，循環(huán)壽命過(guò)萬(wàn)次。
如果說(shuō)，1990年日本Sony公司基于石墨負(fù)極讓鋰離子電池的正式走上商業(yè)化道路，那么接下來(lái)的2027-2030年，哪家公司率先將固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，就意味著捧起了這條路上的終極圣杯。
不僅各家公司在加緊研發(fā)步伐，固態(tài)電池的押注與突破也變成了國(guó)與國(guó)之間的你追我趕，沒(méi)有一個(gè)國(guó)家不想提前掌握下一代電池技術(shù)。中日韓再次同臺(tái)競(jìng)賽，角逐誰(shuí)先破關(guān)。
01.下一代電池技術(shù)的誕生
動(dòng)力電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液四大主材以及多種輔材構(gòu)成。如今市面上所有的動(dòng)力電池和消費(fèi)電子類電池都可以歸結(jié)為液態(tài)電池，而固態(tài)電池就是將電解液換成固態(tài)電解質(zhì)。
固態(tài)電解質(zhì)更高的熱穩(wěn)定性讓動(dòng)力電池能夠使用更高能量密度的正負(fù)極材料，這也是行業(yè)中認(rèn)為固態(tài)電池能比液態(tài)電池性能更優(yōu)秀、更全面的主要原因。
因此，固態(tài)電池的技術(shù)路線從固態(tài)電解質(zhì)出發(fā)主要可分為三種：聚合物、氧化物與硫化物。三種路線各有優(yōu)劣。
聚合物的離子電導(dǎo)率（鋰離子在正負(fù)極之間游動(dòng)的速度）最低，只有加熱才能提升電導(dǎo)率；氧化物的離子電導(dǎo)率要高于聚合物，但仍不如液態(tài)電解質(zhì)，且材料太硬容易破碎；硫化物的離子電導(dǎo)率要高于液態(tài)電解質(zhì)，材料較軟，但缺點(diǎn)是容易與空氣中的水發(fā)生副反應(yīng)。
目前來(lái)看，聚合物路線幾乎已被放棄，硫化物性能最好但也最難，氧化物做的人最多。
聚合物路線早已量產(chǎn)，2012年法國(guó)公司Blue Solutions就在電動(dòng)大巴上應(yīng)用了聚合物固態(tài)電池，但這種電池要加熱到60度才能正常使用，既不具備安全性，也不具備經(jīng)濟(jì)性。
“現(xiàn)在全世界沒(méi)有任何一家固態(tài)電池公司在做純聚合物路線。”有固態(tài)電池從業(yè)者告訴36氪。
理想的固態(tài)電解質(zhì)材料起碼要與液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率相當(dāng)，具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)制造成本偏低，容易規(guī)模量產(chǎn)。綜合以上，硫化物最為合適，性能天花板最高，但需要克服多重困難。
豐田在硫化物路線上義無(wú)反顧，2012年豐田就在全球首發(fā)硫化物固態(tài)電池。2017年時(shí)，豐田宣布將在2020-2025年間，推出十款以上采用固態(tài)電池的純電車。但事實(shí)卻一再跳票。
2023年上半年，豐田在全球范圍內(nèi)甚至只賣出去了5.9萬(wàn)輛純電汽車，這只是特斯拉在中國(guó)市場(chǎng)一個(gè)月的銷量。
執(zhí)意硫化物固態(tài)電池的豐田進(jìn)展十分緩慢，電池企業(yè)們也都摸清了固態(tài)電池的量產(chǎn)難度，紛紛在商業(yè)化上選擇了的折中方案——半固態(tài)。
半固態(tài)電池的初衷是量產(chǎn)，但要將固態(tài)電池能實(shí)現(xiàn)的性能稍減。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)混合使用。
將半固態(tài)量產(chǎn)的任務(wù)落到了中國(guó)的創(chuàng)業(yè)公司身上，贛鋒鋰電、清陶能源、北京衛(wèi)藍(lán)、重慶太藍(lán)等公司普遍選擇了氧化物路線。
進(jìn)展最快的是北京衛(wèi)藍(lán)，蔚來(lái)李斌已經(jīng)直播實(shí)測(cè)了150度半固態(tài)電池包續(xù)航確實(shí)超過(guò)1000公里。數(shù)據(jù)顯示，2023年全年，北京衛(wèi)藍(lán)的動(dòng)力電池裝機(jī)量已經(jīng)達(dá)到0.8GWh，可以搭載超過(guò)5300輛ET7。
但半固態(tài)電池這種“取巧”的方式并不被看好，其主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑也跟固態(tài)電池有較大差異。
“固態(tài)電池的核心壁壘是固態(tài)電解質(zhì)，半固態(tài)電池的核心壁壘是改良后的液態(tài)電解質(zhì)。”有電池研發(fā)人員告訴36氪。“這其實(shí)屬于液態(tài)電池范疇。”
在半固態(tài)電池量產(chǎn)之后，市場(chǎng)看到了這種路線的缺陷，也出現(xiàn)了不少聲音認(rèn)為半固態(tài)電池是“雞肋”般的存在。究其原因，半固態(tài)電池的能量密度比之液態(tài)電池并不明顯，成本不低，安全性不如全固態(tài)電池。“半固態(tài)只要達(dá)到300Wh/kg以上，針刺就會(huì)爆炸。”有電池研發(fā)人員告訴36氪。
看到了半固態(tài)電池的性能，也有人堅(jiān)守液態(tài)電池并不差。中創(chuàng)新航CTO潘芳芳就認(rèn)為，液態(tài)電池的能量密度天花板可能達(dá)到500Wh/kg。“固態(tài)能達(dá)到的能量密度，液態(tài)電池都可以更加容易的達(dá)到。”
因此，這也給了市場(chǎng)一種疑問(wèn)，遲遲未能量產(chǎn)的全固態(tài)電池，并不一定是完美的。
“如果基于現(xiàn)有的材料體系，只是把液態(tài)換成固態(tài)，在能量密度上不會(huì)有任何改善。”有電池從業(yè)者告訴36氪。
為了更好的性能，固態(tài)電池的正極材料普遍使用高鎳三元體系，而負(fù)極則分化為了硅負(fù)極和鋰金屬負(fù)極兩種路線。
國(guó)內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司多采取硅負(fù)極路線推進(jìn)固態(tài)電池量產(chǎn)，而美國(guó)電池公司SES AI Corporation(以下稱SES)等則使用了鋰金屬負(fù)極量產(chǎn)半固態(tài)電池，或者說(shuō)液態(tài)電池。
理論上來(lái)說(shuō)，固態(tài)電池所宣稱的指標(biāo)，都要依靠鋰金屬作為電池負(fù)極才能做到，但使用鋰金屬電池的難度要遠(yuǎn)高于硅負(fù)極，目前沒(méi)有任何一家公司正在推進(jìn)鋰金屬全固態(tài)電池的量產(chǎn)。
“硅負(fù)極突破到400Wh/kg以上很難，而鋰金屬負(fù)極輕松就可以做到。”SES創(chuàng)始人胡啟朝說(shuō)，“我們的電解液確實(shí)摻了一些氧化物，但我們還屬于液態(tài)電池。”
液態(tài)的鋰金屬電池，與大眾想象的固態(tài)電池，只有電解液的差異，能量密度、循環(huán)壽命、倍率性能都是理想中的樣子。
而使用硅負(fù)極，受限于材料本身，即便量產(chǎn)了全固態(tài)電池，能量密度也不可能達(dá)到500Wh/kg。有電池研發(fā)人員分析道，“寧德時(shí)代2015年就開始做鋰金屬，這是一條很重要的技術(shù)路線。”
不過(guò)，鋰金屬液態(tài)電池似乎比硅負(fù)極的固態(tài)電池進(jìn)展更快，SES已經(jīng)進(jìn)入B樣階段，胡啟朝說(shuō)，“我們計(jì)劃25年6月份進(jìn)入C樣，也就是小試裝車。”
因此，如果只是追求性能的極限，最關(guān)鍵的不只是固態(tài)電解質(zhì)，而是更高能量的正負(fù)極。在如今各種技術(shù)路線百家爭(zhēng)鳴之下，究竟哪種電池會(huì)率先到來(lái)，會(huì)更貼合當(dāng)時(shí)的實(shí)際需求，還需要時(shí)間去驗(yàn)證。
02.固態(tài)電池的“可望難可即”
在液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上，中國(guó)已經(jīng)取得了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)的動(dòng)力電池產(chǎn)量接近全球的70%，全球前十家動(dòng)力電池生產(chǎn)商有六家來(lái)自中國(guó)。但固態(tài)電池技術(shù)上，中國(guó)公司已經(jīng)落后。
豐田關(guān)于固態(tài)電池的專利超過(guò)1300項(xiàng)。而截止2023年10月，中國(guó)單個(gè)公司有關(guān)固態(tài)電池的專利，最高也沒(méi)到100項(xiàng)。
我們不能忽視固態(tài)電池的前期突破。在中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)成立儀式上，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高指出，固態(tài)電池替代液態(tài)電池1%就是預(yù)警。大概2016年，新能源汽車市場(chǎng)占有率達(dá)到1%，全球就開始向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向，對(duì)于汽車技術(shù)而言，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義。
電池技術(shù)的發(fā)展大概以三十年為一個(gè)周期。最早從1870年的鉛酸電池、1900年的鉻鎳電池、1930年的堿性鋅錳電池，以及1960年的鎳氫電池，再到1990年鋰離子電池，都是如此。
2020年以來(lái)，電池技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的換代周期，我們必須要承認(rèn)，固態(tài)電池確實(shí)在加速到來(lái)，我們已經(jīng)可以遙望。
一方面，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多既有的學(xué)科領(lǐng)域已經(jīng)被徹底改變，材料科學(xué)的研發(fā)范式正在被AI所沖擊。
以前，電池配方的研發(fā)需要將已知的元素用不同的方式進(jìn)行排列組合，只能通過(guò)大水漫灌的方式，用規(guī)模性實(shí)驗(yàn)來(lái)找到一種成功的方法。
日本豐田在過(guò)去30多年已嘗試了數(shù)萬(wàn)種電解質(zhì)應(yīng)用到電池中，這才造就了固態(tài)電池專利第一的存在。
而當(dāng)下，“使用無(wú)人實(shí)驗(yàn)室全套機(jī)器人，再加上AI，短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了220萬(wàn)個(gè)可能的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，和40多萬(wàn)個(gè)材料合成。”歐陽(yáng)明高說(shuō)。
“24小時(shí)的黑燈實(shí)驗(yàn)室與大算力平臺(tái)的加持會(huì)大大加速動(dòng)力電池的開發(fā)過(guò)程。這會(huì)對(duì)2030左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性。”
另一方面，電池上車最需要克服的數(shù)據(jù)問(wèn)題，也正被深度學(xué)習(xí)的手段解決。
胡啟朝告訴36氪，一款基于全新材料體系的電芯，最難的問(wèn)題其實(shí)是各種場(chǎng)景下，電芯運(yùn)營(yíng)中的安全控制問(wèn)題。
而深度學(xué)習(xí)軟件的出現(xiàn)，可以通過(guò)做少數(shù)實(shí)驗(yàn)來(lái)推理出電芯在各種場(chǎng)景下的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。這就像特斯拉使用道路數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練自動(dòng)駕駛算法一樣，改變?cè)镜牟豢赡堋?br />
胡啟朝也直言：“假設(shè)今天沒(méi)有相應(yīng)的軟件，我們的鋰金屬電池離上車、上飛行器還是有很大距離。”
在人工智能的加持下，固態(tài)電池正加速進(jìn)入到商業(yè)化進(jìn)程，在汽車上率先應(yīng)用的場(chǎng)景可能在混動(dòng)動(dòng)力車型。武漢大學(xué)教授艾新平認(rèn)為，固態(tài)電池突破1%替代率的機(jī)會(huì)就在混動(dòng)車上。
混動(dòng)汽車需要高功率電池，溫度較高，豐田在HEV上堅(jiān)持鎳氫電池，就是為了避免鋰離子電池高溫功率衰減的問(wèn)題，而且混動(dòng)車帶電量小，可以承擔(dān)成本壓力。
不過(guò)，就當(dāng)下時(shí)點(diǎn)來(lái)看，固態(tài)電池的量產(chǎn)進(jìn)度并不明確，除了QuantumScape宣布其A樣產(chǎn)品通過(guò)大眾子公司的耐久性測(cè)試以外，幾乎沒(méi)有公司再公布固態(tài)電池的具體進(jìn)展。
因此也要看到的是，真正的量產(chǎn)宣傳不應(yīng)該空談目標(biāo)，不談實(shí)際進(jìn)展。固態(tài)電池的研發(fā)進(jìn)程雖然在加快，但離真正的大規(guī)模商用還是很遠(yuǎn)。
遲峰（化名）在固態(tài)電池領(lǐng)域浸淫多年，他對(duì)36氪說(shuō)，90年代固態(tài)電池就已經(jīng)做出來(lái)了，各方面性能都碾壓液態(tài)電池，但到現(xiàn)在三十年都沒(méi)量產(chǎn)。“這還不能說(shuō)明難度嗎？”
舉個(gè)例子，保證電解質(zhì)和正負(fù)極之間的良好接觸對(duì)電池性能至關(guān)重要，這保證了鋰離子的傳播效率，“接觸不良”會(huì)導(dǎo)致電阻增加、能量損失或者電池壽命縮短。
傳統(tǒng)的液態(tài)電池中，電解液與正負(fù)極之間的接觸可以看做是液態(tài)的水和固態(tài)的紙張接觸，電解液的“浸潤(rùn)性”會(huì)讓兩種材料無(wú)縫貼合。而固態(tài)電池是固態(tài)電解質(zhì)，這個(gè)時(shí)候就變成了兩張固態(tài)的紙需要無(wú)縫貼合在一起。
要知道，在電池充放電的過(guò)程中，正負(fù)極會(huì)隨著循環(huán)而膨脹和收縮，因此，固態(tài)電解質(zhì)這張白紙，需要時(shí)刻無(wú)縫貼合一張會(huì)伸縮的紙（正負(fù)極），難度倍增。
遲峰對(duì)此很感慨，固態(tài)電池的規(guī)模商用，可能十年內(nèi)都很難看到，像這樣的界面問(wèn)題，“解決不了就是解決不了。”
“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室做的都是小電芯，5Ah電芯能達(dá)成的性能，放大到50Ah、150Ah，很多時(shí)候連做不都做不出來(lái)，更別說(shuō)去解決問(wèn)題了。”
當(dāng)然，技術(shù)進(jìn)步并未停滯，就像前文所說(shuō)的人工智能在電池領(lǐng)域的應(yīng)用，時(shí)間越往后推移，就會(huì)有越多的材料和技術(shù)用在固態(tài)電池研發(fā)上。
把時(shí)間拉回到十年前，我們或許也不會(huì)相信液態(tài)電池的價(jià)格能如此便宜，能量密度可以提升到支撐一輛車跑700公里。
任何一種新技術(shù)的出現(xiàn)與規(guī)模化應(yīng)用，都在解決原本“不可能”的問(wèn)題，固態(tài)電池同樣如此。新的機(jī)會(huì)已經(jīng)出現(xiàn)，各個(gè)公司也都厲兵秣馬，準(zhǔn)備上陣廝殺。
即便固態(tài)電池量產(chǎn)有距離，但沒(méi)有一家公司不想成為下一個(gè)寧德時(shí)代。
原標(biāo)題：固態(tài)電池，薛定諤的顛覆者
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