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充電10分鐘，續航1000公里，固態(tài)電池就要來(lái)了？

2024-04-07

3月25日，智己汽車(chē)聯(lián)席CEO劉濤宣布了一個(gè)“王炸”新聞：
 
智己L6將搭載首個(gè)量產(chǎn)上車(chē)的超快充固態(tài)電池，實(shí)現超1000公里續航。
 
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今年1月，臺灣一家名叫輝能科技的公司也宣布，全球首條固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)正式量產(chǎn)，初始產(chǎn)能為每年0.5GWh，足以供應1.4萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)使用，最終規模預計將達到2GWh。
 
而在3月15日的寧德時(shí)代業(yè)績(jì)解讀會(huì )上，曾毓群卻表示，就技術(shù)層面而言，固態(tài)電池仍然面臨固態(tài)離子擴散等很多基本的科學(xué)問(wèn)題，距離商品化還很遠。
 
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一邊是量產(chǎn)上車(chē)，實(shí)現超長(cháng)續航、快速補能，另一邊是技術(shù)挺牛，但距離很遠。
 
固態(tài)電池到底是何方神圣，憑什么能給新能源汽車(chē)帶來(lái)顛覆性革命？
 
技術(shù)上的難度又在哪里，為什么豐田、上汽紛紛宣布量產(chǎn)了，寧王還在研究階段？
 
01 

固態(tài)電池，新能源“圣杯”

 

一個(gè)電池，主要由正極、負極、隔膜和電解質(zhì)四部分組成。
 
電池充放電，本質(zhì)上就是正負極得失電子的過(guò)程。
 
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打個(gè)不恰當的比方，如果正極和負極是地球上最后兩個(gè)人類(lèi)，需要借助離子運動(dòng)保留人類(lèi)的火種，那么電解質(zhì)就像一個(gè)催化劑，負責在正負極之間傳遞“荷爾蒙”（離子），讓電池正常工作；而隔膜更像一個(gè)安全監督員，負責隔絕正負極，防止“干柴烈火”，發(fā)生短路。
 
（注：全固態(tài)電池沒(méi)有隔膜）
 
目前新能源車(chē)的動(dòng)力電池，按照電解質(zhì)形態(tài)的不同，大致分為液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)三種。
 
液態(tài)電池顧名思義，電池的正負極材料浸潤在液態(tài)電解質(zhì)中，而固態(tài)電解質(zhì)采用固體材料，離子在固體之間穿梭，半固態(tài)則介于兩者之間。
 
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同樣都是電池，為什么電解質(zhì)要搞成不一樣的？
 
新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池，最重要的指標無(wú)非三點(diǎn)：能量密度、充電速度，和極端天氣下的工作效率。
 
從能量密度上來(lái)說(shuō)，液態(tài)鋰離子電池通常使用石墨作為負極材料，其理論比容量有限（約372 mAh/g）。
 
相較之下，固態(tài)電池則可以采用更高能量的電極材料，如硅基負極，其具有非常高的理論比容量（約3000mAh/g）。
 
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這主要是因為，鋰金屬在充電時(shí)容易在電極表面形成尖銳的突起，稱(chēng)為“枝晶”。如果是液態(tài)電池，這些枝晶可能會(huì )穿透隔膜，導致電池內部短路，
 
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而固態(tài)電解質(zhì)可以提供更均勻的鋰離子沉積表面，有助于抑制枝晶的生長(cháng)。
 
同時(shí)，一個(gè)電池的體積大小是固定的，理論上，真正能產(chǎn)生電的正負極材料體積越大，電池就能存更多的電。
 
反過(guò)來(lái)，電解液作為一種“催化劑”，體積小一點(diǎn)，就可以給正負極多騰出點(diǎn)空間。
 
想象一下，液態(tài)電解質(zhì)就像一杯水，只有填滿(mǎn)整個(gè)杯子，水流（離子）才可以在杯子里的各個(gè)地方流動(dòng)。
 
但如果你把水倒掉一些，那么杯子里的某些地方就會(huì )變干，離子（就像水流）就過(guò)不去，電池就沒(méi)法好好工作。
 
而且，如果水不夠多，杯子里的東西（正極和負極）就可能碰到一起，短路了，那就危險了。
 
而固態(tài)電池可以像攤煎餅一樣，攤得更薄，留給正負極的空間很大，能量密度也更大。
 
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按照2023年的數據，寧德時(shí)代的NCM811電池最大單體能量密度可達245Wh/kg，比亞迪現裝車(chē)三元鋰電池單體能量密度最大可達219Wh/kg；
 
而固態(tài)電池，根據目前各種實(shí)驗性的產(chǎn)品來(lái)看，其能量密度普遍達到了300Wh/kg以上，有的甚至達到了500Wh/kg。
 
再說(shuō)充電速度。
 
液態(tài)電解質(zhì)的分子排列比較松散，沒(méi)有固定的通道，鋰離子在其中移動(dòng)時(shí)會(huì )受到周?chē)肿拥淖璧K，這就限制了它們的移動(dòng)速度。
 
而固態(tài)電解質(zhì)的分子排列更緊密、有序，形成了類(lèi)似“滑梯”的結構，鋰離子可以更直接、更快速地通過(guò)這些通道。
 
因此，目前使用液態(tài)電池的新能源車(chē)，如果用的是慢充的充電樁（3.3kW到7.2kW之間），大概要3—8個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)，即使是用快充（50kW、120kW甚至更高），也要30分鐘到1小時(shí)，才能為電池充入80%左右的電量。
 
相較之下，固態(tài)電池，例如QuantumScape與大眾合作開(kāi)發(fā)的樣本，在室溫下可以在15分鐘內充電到80%。
 
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Quantum Scape15分鐘快速充電展示圖
 
最后來(lái)看極端天氣時(shí)的工作效率。
 
液態(tài)電解質(zhì)的液體特性，使其在低溫狀態(tài)下會(huì )變得粘稠，就像冬天沐浴露、洗發(fā)水也會(huì )變“稠”一樣，這會(huì )導致離子移動(dòng)速度減慢，降低充電效率。
 
而全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30°C和100°C的范圍內都不會(huì )凝固，不會(huì )氣化，所以溫度適應性很好。
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這么看下來(lái)，固態(tài)電池完勝啊。
 
那為什么新能源汽車(chē)還一直憋著(zhù)用液態(tài)電池，大家腦子都瓦特了？
 
當然是因為，造不出來(lái)啊。
 
 
02 

技術(shù)難點(diǎn)

 
要想實(shí)現全固態(tài)電池，人類(lèi)至少有三大難關(guān)要跨：
 
1、離子導電率問(wèn)題
 
前面提到，固態(tài)電池之所以能遠超液態(tài)/半固態(tài)電池，一個(gè)重要的原因，就是固態(tài)電解質(zhì)擁有更高效的離子傳輸通道。
 
然而，有了更高效的通道，未必意味著(zhù)離子傳輸得更快。
 
用一個(gè)比喻來(lái)解釋?zhuān)簯B(tài)電解質(zhì)就像是一個(gè)繁忙的市場(chǎng)，離子（鋰離子）需要在攤位之間穿梭，雖然空間大，但是路徑復雜，離子可能會(huì )遇到很多障礙。
 
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而固態(tài)電解質(zhì)則像是一個(gè)有明確指示牌的迷宮，雖然通道（晶格結構）可能比市場(chǎng)狹窄，但是路徑清晰，沒(méi)有那么多的混亂和障礙，所以離子可以更高效地通過(guò)。
 
不過(guò)，固態(tài)電解質(zhì)的問(wèn)題在于，這些“迷宮”的“門(mén)”（離子傳輸通道）在室溫下可能不夠寬敞，導致離子通過(guò)的速度不夠快。
 
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在固態(tài)電解質(zhì)中，離子的移動(dòng)依賴(lài)于它們在晶格結構中的跳躍。在較高的溫度下，晶格振動(dòng)增強，為離子提供了更多的能量和空間來(lái)移動(dòng)。
 
而在室溫下，這些振動(dòng)較弱，離子需要更多的能量才能在晶格中移動(dòng)，這就是為什么固態(tài)電解質(zhì)在室溫下的離子導電性，通常不如在更高溫度下。
 
2、熱膨脹系數
 
熱膨脹系數這東西，就像是材料在熱脹冷縮時(shí)的“個(gè)性”。
 
全固態(tài)電池里頭，各種材料得像好基友一樣緊密合作，如果它們的“個(gè)性”太不一樣，比如有的熱了就愛(ài)膨脹，有的卻不怎么變。
 
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想象一下，你和你的搭檔要一起做拉伸運動(dòng)，但你的搭檔一熱就變得特別軟，而你卻還是很硬，那你們倆就很難同步，時(shí)間長(cháng)了，可能會(huì )因為不協(xié)調而受傷。
 
電池也是這樣，如果材料之間因為熱膨脹系數不匹配而“受傷”，那電池的壽命就會(huì )變短，用起來(lái)就不給力了。而這也引出了下一個(gè)難點(diǎn)，那就是界面穩定性。
 
3、界面穩定性
 
在全固態(tài)電池中，固態(tài)電解質(zhì)和電極材料之間的接觸必須非常緊密，以確保離子能夠在界面處順暢地傳遞。
 
全固態(tài)電池里面有個(gè)大問(wèn)題，就是電解質(zhì)、正極、負極哪個(gè)都是硬邦邦的固體，它們在接觸的地方可不是那么和諧。由于上面提到的熱膨脹系數的原因，這些家伙挨在一起，膨脹程度不一致，就會(huì )互相擠來(lái)擠去，搞得它們接觸的地方(就是咱們說(shuō)的界面)處處生波。
 
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電池在充放電過(guò)程中，會(huì )經(jīng)歷多次的體積膨脹和收縮，界面的不穩定性會(huì )隨著(zhù)電池循環(huán)次數的增加而累積。
 
最糟的情況就是，有的材料膨脹力太大，把它們的接觸面給掀開(kāi)了，直接把它們分開(kāi)了，這就等于斷了離子傳輸的路徑，電池就無(wú)法正常工作了。
 
在這些現實(shí)的困難面前，人們先“退而求其次”，轉向了半固態(tài)電池。
 
前面提到過(guò)，由于電池在充放電過(guò)程中，正負極會(huì )因熱膨脹系數差異過(guò)大，導致電池內部產(chǎn)生應力。
 
這個(gè)問(wèn)題在液態(tài)電解質(zhì)中，可以通過(guò)電解質(zhì)的流動(dòng)性來(lái)緩沖。因此，半固態(tài)電池的“重點(diǎn)”，就是在電極和固態(tài)電解質(zhì)之間使用某種液態(tài)介質(zhì)或添加劑來(lái)減輕這種膨脹的影響。
 
前面提到的輝能科技，官網(wǎng)信息顯示，當前一代電池采用NCM811（一種鎳鈷錳三元材料）正極和硅碳負極，但正極和負極都采用了Catholyte以及Anolyte的稱(chēng)呼（意為液體、凝膠狀或固液混合物）。
 
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所以，輝能科技這次宣稱(chēng)的所謂“固態(tài)電池”，實(shí)際上是一種混合固液電池，也就是半固態(tài)電池的一種。
 
智己搭載的固態(tài)電池，也是一款半固態(tài)電池。
 
當然這么說(shuō)也沒(méi)毛病，因為一般真正做固態(tài)電池的，都會(huì )強調自己是全固態(tài)電池。
 
 
03 

量產(chǎn)難題

 

除了技術(shù)上的的各種難點(diǎn)外，固態(tài)電池最重要的問(wèn)題，是量產(chǎn)過(guò)程中各種肉疼的問(wèn)題。
 
具體來(lái)說(shuō)，問(wèn)題主要有兩個(gè)：一、材料成本高；二、制程難度大。
 
首先說(shuō)說(shuō)材料成本。
 
造成固態(tài)電池材料昂貴的原因，主要就兩個(gè)：一個(gè)是原料稀缺,另一個(gè)是生產(chǎn)工藝復雜。
 
先說(shuō)原料稀缺這塊，常用的固態(tài)電解質(zhì)大多是一些稀有金屬的化合物,比如鍺、鉍、釩等。
 
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舉例來(lái)說(shuō)，常用的硫化物固態(tài)電解質(zhì)里,也需要添加一些稀土元素（例如鋁、釔、鈰等）來(lái)提高離子電導率，這些稀土元素國內儲量也所剩無(wú)幾。其中釔在國內儲量極其貧乏,據統計僅有約1萬(wàn)噸，幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。
 
除了原料短缺之外,生產(chǎn)工藝的復雜程度也是價(jià)格高昂的一大原因。制造固體電解質(zhì)需要高溫、高壓、無(wú)水無(wú)氧等極端條件,而且對反應物純度要求超高。
 
比如硫化物固體電解質(zhì)的制備,需要在1000多攝氏度的高溫下,用真空氣氛保護加熱12個(gè)小時(shí)以上的反應才行。你想想這個(gè)能耗和時(shí)間成本有多高。
 
所以,一來(lái)原料本身就貴,二來(lái)生產(chǎn)過(guò)程又太麻煩,導致固體電解質(zhì)的制造成本實(shí)在太高。以現在最先進(jìn)的硫化物固態(tài)電解質(zhì)為例,它的價(jià)格可以高達每噸上萬(wàn)美元。
 
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再來(lái)說(shuō)說(shuō)制程難度的問(wèn)題。
 
制造固態(tài)電池的過(guò)程中,溫度和壓力的控制就跟在高空玩平衡木一樣,稍稍一走神就完蛋。比如說(shuō),固體電解質(zhì)材料在高溫下很容易發(fā)生離子遷移、相變等問(wèn)題,一旦結構被破壞,離子傳導性能就會(huì )遭重創(chuàng )。
 
有研究發(fā)現在450攝氏度下熱壓30分鐘,固體電解質(zhì)的離子電導率就會(huì )下降90%以上。
 
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再說(shuō)壓力,如果壓實(shí)不夠,電極和固體電解質(zhì)之間就會(huì )留有縫隙,造成界面接觸不良,增加內阻;
 
要控制這些精密的溫度和壓力參數，生產(chǎn)環(huán)節往往需要用到很多精密設備。例如真空熱壓機、等離子體燒結設備(SPS)等。
 
而制造環(huán)節中，只要和“精密”有關(guān)的部分，成本往往都低不了。Solid Power 這家美國固態(tài)電池公司僅僅為在科羅拉多州建立一條固態(tài)電池的演示生產(chǎn)線(xiàn)就耗資7700萬(wàn)美元，約合人民幣5億元。
 
盡管目前人類(lèi)已經(jīng)在嘗試通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)、AI建模預測優(yōu)化工藝路線(xiàn)、縮短產(chǎn)業(yè)化周期。要讓固態(tài)電池真正實(shí)現完全商業(yè)化、大規模量產(chǎn),恐怕還需要5-10年的持續努力和投入，2027—30年后是更現實(shí)的預期時(shí)間窗口。
 
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這也和目前眾多企業(yè)定下的目標接近，例如長(cháng)安汽車(chē)提出，計劃到2030年，將推出液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)等8款自研電芯，形成不低于150GWh的電池產(chǎn)能；而據清陶能源的規劃，下一代準固態(tài)電池，要到2027年才能實(shí)現量產(chǎn)。三星SDI也宣布，其能量密度為900Wh/L的全固態(tài)電池，也計劃在2027年量產(chǎn)。
 
那么，全固態(tài)電池真就造不出來(lái)嗎？各大廠(chǎng)商進(jìn)度到哪里了？
 
 
04 各路挑戰者

 

雖然真正的全固態(tài)電池，實(shí)現起來(lái)困難重重，但在強大性能的誘惑下，技術(shù)上的“硬骨頭”總是有人會(huì )啃的。
 
歐洲和美國在固態(tài)電池研發(fā)投入大，技術(shù)創(chuàng )新也多，跟汽車(chē)廠(chǎng)商合作搞研發(fā)項目也不少。但和中國、日本、韓國比，還是有點(diǎn)跟不上節奏。
 
目前來(lái)看，全球動(dòng)力電池裝機量前十名企業(yè)，中國企業(yè)有6家，占比超過(guò)50%；韓國企業(yè)3家，日本企業(yè)1家；而歐美一家都沒(méi)有。
 
中日韓三國中，韓國鋰離子電池所需的關(guān)鍵材料（陰極、陽(yáng)極、隔膜和電解質(zhì)）以及零部件高度依賴(lài)中國和日本進(jìn)口，后兩者共同占據了全球陰極市場(chǎng)的70.2%份額。
 
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所以，想看固態(tài)電池的最新進(jìn)展，就必須得關(guān)注中日韓，尤其是中日兩國的情況。
 
中國這邊，寧德時(shí)代和比亞迪在固態(tài)電池上，都研發(fā)出了各自的“看家本領(lǐng)”。
 
1、寧德時(shí)代
 
具體來(lái)說(shuō)，寧德時(shí)代這邊搞出了個(gè)叫凝聚態(tài)電池的新技術(shù)，能量密度達到了炸裂的500Wh/kg，原本續航700公里的車(chē)，裝上凝聚態(tài)電池之后，續航可以直奔1500公里以上。
 
這堪稱(chēng)對市面上所有量產(chǎn)電池的降維打擊。
 
而所謂的凝聚態(tài)，雖然名字聽(tīng)著(zhù)玄乎，其實(shí)跟咱們平時(shí)說(shuō)的固態(tài)、液態(tài)差不多，都是物質(zhì)的一種狀態(tài)。只不過(guò)這個(gè)凝聚態(tài)，它更特別，就像是介于固態(tài)和液態(tài)之間的那種感覺(jué)，有點(diǎn)兒像果凍，既不是完全硬邦邦的，也不是流動(dòng)的液體。
 
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之前提到過(guò)，全液態(tài)和全固態(tài)電解質(zhì)，存在一個(gè)兩難的問(wèn)題，前者導電性雖好，但容易和金屬鋰發(fā)生反應，且無(wú)法抑制“枝晶”的生成，后者雖然避免了前者的缺點(diǎn)，但是室溫下的導電性又不太理想。
 
而凝聚態(tài)這種電解質(zhì)的好處就是，它既不會(huì )像液體那樣到處亂流，也不會(huì )像完全的固體那樣硬邦邦的，它在保持一定流動(dòng)性的同時(shí)，還能穩定地傳遞電能。從而做到了一種最佳的平衡。
 
這樣一來(lái)，電池就能在保證安全的情況下，往其中加入更多高能量密度的電極材料，提高電池的能量密度。
 

2、比亞迪

 
在固態(tài)電池方面，除了豐田，比亞迪是第二個(gè)最早開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池的車(chē)廠(chǎng)，并且在固態(tài)電池專(zhuān)利數量方面，比亞迪以76項專(zhuān)利排名第一。
 
 
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而在具體的技術(shù)路線(xiàn)上，比亞迪在全固態(tài)鋰電池的研發(fā)上，主要探索了兩種技術(shù)路線(xiàn)：氧化物固態(tài)鋰電池和硫化物固態(tài)鋰電池。
 
而這兩種電解質(zhì)的優(yōu)勢就在于：
 
氧化物固態(tài)電解質(zhì)，通常具有較高的化學(xué)穩定性和熱穩定性，能夠在較寬的溫度范圍內工作。而且它們的電化學(xué)窗口很寬，意味著(zhù)可以在較高的電壓下穩定運行。
 
而且因為各種金屬氧化物，如鋰、鈦、鋯等元素的氧化物。在地殼中相對豐富，易于獲取，因此原料成本相對較低，易于規?；a(chǎn)。
 
但同樣地，其導電率和其他固態(tài)電解質(zhì)一樣，在常溫下都相對較低。
 
硫化物固態(tài)電解質(zhì)具有較高的離子電導率，這主要是因為其通常具有開(kāi)放的晶格結構，這種結構為鋰離子提供了較多的遷移通道；且硫化物固態(tài)電解質(zhì)的晶界電阻相對較低，這意味著(zhù)鋰離子在晶界處的傳輸阻力較小。
 
然而，硫化物電解質(zhì)在潮濕空氣中不穩定，容易與水反應生成有毒氣體（如硫化氫），并且與氧化物相比，它們的化學(xué)穩定性較差，對生產(chǎn)環(huán)境的要求較高。
 
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對比亞迪這種新能源車(chē)巨頭來(lái)說(shuō)，硫化物路線(xiàn)探索前沿技術(shù)，氧化物路線(xiàn)做技術(shù)保底，屬于“兩條腿走路”。
 

3、豐田

 
日本那邊，雖然搞固態(tài)電池的公司沒(méi)那么多，但實(shí)力不容小覷，專(zhuān)利數量高達1300項，豐田就是其中的佼佼者之一，其技術(shù)重心，和比亞迪一樣，放在了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)上。
 
豐田還在豐田市的Teiho工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)新的電池制造工藝，并且在日本的三家工廠(chǎng)進(jìn)行了預演。
 
他們計劃推出兩個(gè)版本的全固態(tài)電池，第一個(gè)版本預計在2027到2028年問(wèn)世，續航里程超過(guò)993公里，而且能在大約10分鐘內將電量從10%充到80%。第二個(gè)版本的續航里程將超過(guò)1192公里，但具體時(shí)間還沒(méi)確定。
 
豐田全固態(tài)電動(dòng)車(chē)曾進(jìn)行過(guò)路上測試，但存在循環(huán)問(wèn)題尚未全面解決，這也是硫化物路線(xiàn)的老大難問(wèn)題。
 
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05 

尾聲

從固態(tài)電池的強大性能來(lái)看，它就像是新能源車(chē)的一把火，讓新能源車(chē)徹底擺脫了“充電焦慮”和“續航恐懼”，是目前最有可能顛覆新能源汽車(chē)的技術(shù)之一，其意義不亞于第二次工業(yè)革命中，內燃機取代蒸汽機的意義，是一種真正劃時(shí)代的技術(shù)。
 
雖然目前量產(chǎn)技術(shù)上還有困難，但可以肯定的是，全固態(tài)電池最終一定會(huì )實(shí)現的，只是能否在汽車(chē)上首先應用，還要打一個(gè)問(wèn)號。
 
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在我看來(lái)，全固態(tài)電池應用的載體，首先可能是消費類(lèi)電池，而不是汽車(chē)。
 
因為從能量密度、循環(huán)壽命和體積上的要求來(lái)說(shuō)，消費類(lèi)電池，例如無(wú)人機，手機，筆記本電腦等等，比新能源車(chē)低太多太多了。
 
除此之外，固態(tài)電池另一個(gè)可能的應用方向，是不計成本的軍工用途，例如，固態(tài)電池長(cháng)續航，高能量密度的特點(diǎn)，對某些輕量化和長(cháng)續航的軍事裝備（如無(wú)人機和潛艇）來(lái)說(shuō)非常有吸引力。
 
就現狀來(lái)說(shuō)，在未來(lái)幾年內，在全球動(dòng)力汽車(chē)的電池產(chǎn)業(yè)上，不會(huì )有誰(shuí)能夠顛覆寧德時(shí)代的版圖。
 
但從長(cháng)遠來(lái)說(shuō)，未雨綢繆總是好的。
 
畢竟，每當能源行業(yè)的范式改變時(shí)，新老行業(yè)巨頭的地位都會(huì )發(fā)生交替，我們（的電池產(chǎn)業(yè)）現在已經(jīng)是全球領(lǐng)先了，如果不想重蹈通用、福特沒(méi)落的覆轍，唯有不斷突破新技術(shù)。
 
只有敢于自己顛覆自己，才可能不被后來(lái)者顛覆。

2024 /

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