文｜腦極體
電池的發(fā)展已經(jīng)走過快兩百年的歷史，如今鋰離子電池是最為出眾的二次儲(chǔ)能電池。高工作電壓、快速充放電特性、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，讓它成為當(dāng)今數(shù)碼產(chǎn)品及電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的第一選擇。
雖然鋰離子電池的性能優(yōu)秀，但發(fā)展也有其難以跨越的挑戰(zhàn)與障礙：電池的結(jié)構(gòu)特性局限了電池的性能。現(xiàn)有的電池結(jié)構(gòu)是電池衰老和存在安全隱患的根本原因。
電池發(fā)電的原理是兩個(gè)電極材料在電解液中相互交換離子，但是因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)也會(huì)使得其反應(yīng)界面一直存在，電池就處于一直在工作的狀態(tài)，造成容易衰老的局面并且也有安全隱患。
舉例來說，電動(dòng)汽車在冬天趴窩就是因?yàn)殡姵卦诘蜏厍榫诚拢阅苁У木壒?。材料科學(xué)家和電池工程師在電池材料上提出了許多辦法。例如在電解液當(dāng)中摻入大量有機(jī)溶劑，來降低電解液的凝固溫度。然而這樣卻造成電解液更加易燃，犧牲了電池的安全性。
也有科學(xué)家嘗試更換電極材料，但是電池的能量提升了，卻無法抵抗熱失控；快充的話，又會(huì)導(dǎo)致電池界面的火性太高，也無法保障其安全性。從優(yōu)化電池管理的系統(tǒng)思路上解決，卻帶來了能量密度的下降與單位成本的增加。
想要讓電池低溫高活性與高溫穩(wěn)定性的需求矛盾無解，似乎電池也有魚和熊掌不能兼得的障礙，能量密度、安全、快速充電等要素不能完美的全部集成在電池身上。如果這些問題得到解決，新能源汽車的規(guī)模發(fā)展將革新重塑汽車百年的行業(yè)。
因此動(dòng)力電池的終極發(fā)展目標(biāo)也向著安全、能量密度高、循環(huán)性能好、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)兼容前行。
固態(tài)電池作為新的鋰電池終結(jié)者方向，正在成為新能源汽車干掉燃油車的殺手锏。
動(dòng)力電池的價(jià)值進(jìn)階
新能源車什么時(shí)候可以取代燃油車，在動(dòng)力電池領(lǐng)域市場公認(rèn)一個(gè)答案是：現(xiàn)有電動(dòng)車的電池系統(tǒng)能量密度翻一倍，從普遍的 160wh／kg 到 400wh／kg。而解決電池的能量密度問題，方案一定是動(dòng)力電池的革新。
我們知道現(xiàn)在電動(dòng)車市場主流的動(dòng)力電池是三元鋰電池與硫酸鐵鋰電池，如果按照電解質(zhì)的物理狀態(tài)分類的話，這兩種電池都是典型的液態(tài)電池。如果想要消滅里程焦慮，革新新能源汽車市場，固態(tài)電池性能表征就是動(dòng)力電池發(fā)展的目標(biāo)。固態(tài)電池，也被稱為未來鋰電池的發(fā)展新方向。
動(dòng)力電池領(lǐng)域流行的選擇三元鋰與硫酸鐵鋰并不是完美的選擇。三元鋰電池，能量密度高，但耐高溫性能差，磷酸鐵鋰電池，安全性高，但能量密度上限低。液態(tài)鋰離子電池總體存在電解液氧化、電極膨脹、高溫失控等安全隱患，只能犧牲能量密度來換取穩(wěn)定性。而固態(tài)電池可以兼容兩者的短板：既可以滿足能量密度的需求，也可以兼顧安全。
固態(tài)電池，因?yàn)椴捎霉虘B(tài)物質(zhì)作為電解質(zhì)，沒有持續(xù)的反應(yīng)界面，副產(chǎn)物不會(huì)溶解在界面里，所以它會(huì)有更好的穩(wěn)定性和循環(huán)特性。同時(shí)液態(tài)電解質(zhì)面臨的干涸和泄露問題也不會(huì)存在。這使得固態(tài)電池在安全性與壽命周期方面具有遠(yuǎn)超三元鋰電池與磷酸鐵鋰的優(yōu)勢。
此外，固態(tài)電池還具有耐高溫、無腐蝕、體積小、能量密度大的特性，規(guī)避了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的主要弱點(diǎn)。據(jù)介紹，一輛固態(tài)汽車的續(xù)航里程可達(dá) 1000 公里，充電只需要 10 分鐘，隨著時(shí)間的推移，固態(tài)電池劣化也會(huì)較少。
全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)相對來說更安全、性能更優(yōu)，而傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池逐漸不能滿足先進(jìn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)：既能提升續(xù)航里程，也更加安全。因此全固態(tài)電池成為動(dòng)力電池界的發(fā)展新熱潮。
紛沓而至：占位市場先機(jī)
2020年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》明確要求，加快固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。據(jù)預(yù)測，到2030年，全球固態(tài)電池市場將超過60億美元（約合人民幣383億元），中國市場的占比將超過50％。
固態(tài)電池在實(shí)驗(yàn)室中的良好性能指標(biāo)意味著豐厚的商業(yè)價(jià)值，這也成為企業(yè)加速布局，搶占技術(shù)制高點(diǎn)的動(dòng)力。國內(nèi)外企業(yè)機(jī)構(gòu)等對于動(dòng)力電池的研發(fā)與量產(chǎn)日程都提上了議程。
豐田在動(dòng)力電池的布局也是較早，豐田的車規(guī)級固態(tài)電池?fù)碛谐^1000項(xiàng)專利，位居全球前列，而且大多是含金量較高的發(fā)明專利。在CES2022上，豐田首席科學(xué)家兼豐田研究所所長吉爾·普拉特（GillPratt）重申，第一輛采用固態(tài)電池技術(shù)的豐田汽車將在2025年前后到來。
大眾汽車集團(tuán)零部件公司首席技術(shù)官Thomas Schmall在去年接受采訪時(shí)表示，大眾汽車對開發(fā)新一代固態(tài)電池寄予厚望，公司希望在2025年形成完整的固態(tài)電池銷售模式，向市場供應(yīng)固態(tài)電池，并計(jì)劃到2030年在歐洲建立6家大型電池工廠，總年產(chǎn)能達(dá)到240GWh。
寶馬集團(tuán)發(fā)布規(guī)劃，稱計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；LG能源也正在開發(fā)全固態(tài)電池，預(yù)計(jì)2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
國內(nèi)固態(tài)電池發(fā)展的情形，也是如火如荼，技術(shù)路線則是全固體與半固體參半。電池界大佬寧德時(shí)代此前公開過兩種與固態(tài)電池相關(guān)的專利，并在去年5月份宣稱，已經(jīng)可以做出固態(tài)電池的樣品，但是距離實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有很遠(yuǎn)的路要走，預(yù)計(jì)到2030年才會(huì)面向市場推出。上汽集團(tuán)在去年6月發(fā)布消息，稱2025年將推出高安全性、高能量密度、面向商業(yè)應(yīng)用的固態(tài)鋰電池。
折中選擇瞄準(zhǔn)半固態(tài)研發(fā)的玩家則有衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶發(fā)展、國軒高科、贛鋒鋰電等，雖然他們也有全固態(tài)電池的生產(chǎn)線，但已量產(chǎn)的全固態(tài)電池主要應(yīng)用在消費(fèi)電子、特種電源等領(lǐng)域。已下線的用在新能源汽車上的半固態(tài)電池，目前處在驗(yàn)證測試階段。
蔚來此前宣傳搭載固態(tài)電池，讓業(yè)內(nèi)沸騰。上市后，這款所謂的固態(tài)電池也呈現(xiàn)最終的真面容，并不是行業(yè)內(nèi)期盼翹首等待的全固態(tài)電池，蔚來李斌玩了個(gè)商業(yè)化的包裝術(shù)語，搭載ET7轎車的電池包其實(shí)是半固態(tài)電池。但噱頭引起的關(guān)注與討論，也讓蔚來的新車出盡了風(fēng)頭，續(xù)航超過1000km的電池讓人們看到了固態(tài)電池的潛力。
無論是車企定下的時(shí)間表，還是業(yè)界研究學(xué)者與專家給出的量產(chǎn)時(shí)間，都指向了2025與2030，不過目前來說并沒有提前的跡象，以現(xiàn)在實(shí)際車企測試的結(jié)果，還有向2030年繼續(xù)推遲下去的趨勢。我們看到從走出實(shí)驗(yàn)室到規(guī)模落地還需要一段蟄伏發(fā)展的時(shí)間，規(guī)模量產(chǎn)的實(shí)際落地道阻且長。
規(guī)模量產(chǎn)的龜速爬行
相較于其他鋰離子動(dòng)力電池，固態(tài)電池的技術(shù)指標(biāo)比較優(yōu)越，但這些數(shù)據(jù)也是實(shí)驗(yàn)室里面的溫室指標(biāo)。在實(shí)際量產(chǎn)的過程中，仍然存在許多尚未攻克的瓶頸。
1.固態(tài)電池的技術(shù)指標(biāo)仍需完善。固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率較低，充電比較慢，固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差，電解質(zhì)對空氣敏感等問題。
2.制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)工藝不成熟。舉例來說，制造固態(tài)電池的氧化物和硫化物電解質(zhì)，屬于多孔隙的陶瓷材料，這類材料的特點(diǎn)就是脆，想要加工成很薄的電解質(zhì)很困難，稍有不慎就會(huì)斷裂。
3.制造成本偏高。全固態(tài)電池的制備工藝復(fù)雜，且固體電解質(zhì)較貴，現(xiàn)階段全固態(tài)電解質(zhì)鋰動(dòng)力電池的成本較高。
4.產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整，難以大規(guī)模生產(chǎn)?，F(xiàn)階段的固態(tài)電池多是實(shí)驗(yàn)室中的溫室產(chǎn)品，實(shí)際落地經(jīng)過測試的電池屈指可數(shù)，以現(xiàn)有的工藝水平和設(shè)備能力，成品的良率也無法保障，更不用說大規(guī)模的量產(chǎn)上市。
這些現(xiàn)實(shí)瓶頸的解決并不是那么容易。深耕研發(fā)固態(tài)電池長達(dá)數(shù)年之久的Fisker，這家美國車企在去年年初表示放棄研發(fā)全固態(tài)電池，這個(gè)決定也意味著多年研究固態(tài)電池的努力都打水漂。鋰電池獨(dú)角獸企業(yè)麻省固能（SES）也放棄了全固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)，選擇固液混合的半固態(tài)電池路線。最后的攻堅(jiān)階段，這些固態(tài)電池中的老玩家選擇放棄，也在一定程度上說明固態(tài)電池最后的研發(fā)沖刺階段比已經(jīng)完成的90%的里程都要艱難險(xiǎn)阻。
總之，對于固態(tài)電池來說，無論是技術(shù)指標(biāo)上的能量密度、循環(huán)壽命、安全、成本等要素，缺少哪一個(gè)，都是規(guī)模商業(yè)化路途的攔路虎。
無論企業(yè)是仍然堅(jiān)持全固態(tài)電池路線，還是折中選擇半固態(tài)路線，固態(tài)電池的技術(shù)路線都存在不確定性。行業(yè)內(nèi)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，半固態(tài)電池或許能夠在2025年左右實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，但全固態(tài)電池完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至少還要10年的時(shí)間。十年的時(shí)間線發(fā)展，固態(tài)電池最終到底是不是動(dòng)力電池的終極路線，也沒人能百分百確定。
工業(yè)產(chǎn)品從研發(fā)到驗(yàn)證與落地，沒有個(gè)十年的時(shí)間打底是走不出來的。固態(tài)電池從材料到結(jié)構(gòu)再到制造技術(shù)仍然處在探索的過程之中。作為新興的動(dòng)力電池選擇，也需要時(shí)間來沉淀與醞釀。如此這般，才能為新能源汽車的里程長久續(xù)航，顛覆革新汽車的百年行業(yè)，也為綠色出行的生態(tài)建設(shè)添磚加瓦。