2021年03月08日 | 当续航 1000KM 成为硬指标，锂电池技术何去何从？

造车热背后，电池革命也时常被人所提及。遗憾的是，多年过去，好像谁的命也没被革成。

去年10月，一家名叫QuantumScape的美国固态电池新创公司宣称：“我们的新型电池不但能让电动车续航翻倍、15分钟完成充电工作，甚至还比现有的锂电池更为安全。”

三个月后，大洋彼岸的中国，蔚来则在NIODay上发布了一款续航超1000km的车型。他们号称会配备固态电池技术，2022年第四季度正式开卖。

或许，QuantumScape和蔚来真可凭借固态电池带来一次真正的技术革命，但在实现这一目标之前，尚需瓦解锂电池建立的几十年的统治地位。

电池革命为何迟迟不来？锂电池为何能够统治业界超三十年却屹立不倒？

答案比较简单：打造新型电池的化学方程式尚未出现。

“自18 世纪以来，电池的基本概念从未发生改变。”悉尼大学化学家、Gelion Technology的创始主席 Thomas Maschmeyer教授说道。

所有电池的主要构件无外乎三个：正极、负极、电解质（起催化剂作用）。

在上述三大元素不可改变的大前提下，如果业界想要实现革命性的技术突破，就必须对电池的化学成分做出调整。

过去几十年来，电池研究者们在元素周期表上可没少下功夫，目的则是能够找到代替锂电池的新型化合物。

主要路线分为两种：

一、研发超越锂电池能量密度的新型电池，比如固态电池、锂硫电池、锂空气电池等。

二、在已有电池中添加更多元素，如钠离子、铝离子和镁离子电池。

不过，改变电池化学成分说起来容易做起来难，解决一个问题的同时可能会带来多个新问题。

最主要的原因是电池在化学反应中会产生能量。

以常见的锂离子电池为例，它们会用到石墨负极和金属氧化物正极（通常是钴、镍、锰、铁或铝），而电解液则是有机溶剂中的锂盐。

当锂离子电池通电时，负极与电解液中的锂发生反应，产生电子积聚在负极周围，正极发生化学反应后就会吸引这些电子，产生电子流。

这一过程被称为还原—氧化过程。（也就是化学课上学的“氧化还原”反应。）

于一次性电池（比如遥控器里的AA电池）来说，电子流只需朝着一个方向工作。

但在充电电池上，电子流的运动过程就变成可逆的了。也就是说，在正极和负极之间穿梭的电子必须买张“往返票”，而且不会消耗或破坏活性化学物质。

锂离子电池之上，氧化还原反应简直是教科书级别的。在电池材料开始退化之前，电子可以双向移动，实现数千次循环。

可惜的是，这世上万事皆有缺憾：充放电循环会产生微小的金属晶须（被称为树突），这些晶须会穿过电解液，缩短电池寿命。

在极少数情况下，锂离子电池还会起火（想想当年出现燃损事故的 Note 7）。

那么，如果换种成分，将锂换成镁呢？后者更容易开采，而且能够达到类似的能量密度。

事实证明：镁离子电池理论没问题，实践一团糟。

对锂有效的化学反应对镁不起作用，而且对钠、铝或任何其他体系都不起作用。在锂离子电池中，锂可以通过嵌入的过程扩散并稳定在石墨负极内，但镁不行。

它不但无法稳定在负极之内，镁还会在负极发生反应，形成固体电解质界面膜（SEI），进一步阻碍镁离子在电极和电解液之间的扩散。一旦这层界面膜出现，电池性能会迅速下降。

镁元素遭遇的问题并不罕见，不少要将锂元素打下神坛的化学成分都能实现充放电功能，但做得都不够完美。

显然，扩散能力弱意味着镁离子电池无法储存大量能量。锂空气电池虽然实现了高能量密度，但在稳定性方面存在问题。

至于钠，虽然它是地球上储量最为丰富的化学元素，但钠离子电池能量密度很低，根本无法用于消费电子产品或电动车。

这么多锂电池的变体中，唯一投入市场的恐怕只有锂硫电池了。

这项技术被人们所期待的最主要原因是：它能将电池能量密度提到传统锂离子电池的5倍。

不过，锂硫电池也不完美，因为锂和硫会发生化学反应，产生多硫化锂。这种物质的溶解度很高，能扩散到电解液中并穿过分隔正极和负极的隔膜。

多硫化锂可不是人们想要的氧化还原反应，因为它会覆盖负极并使其钝化，随后就是容量的迅速降低，直至电池最终罢工。

这个过程叫做多硫化物重组，二十多年来，它让研究人员们伤透了脑筋，尽管做了大量改善工作，但仍然难以找到商业化落地的变通方法。

当所有研究人员都一筹莫展、难寻进步通道时，固态电池登场了。

何为固态电池？它抛弃了传统电解液，转而使用固态电解质，而新的电解质则是固态电池的核心。

除了能够做好自己的本职工作，固态电解质还能一并扮演隔膜的角色。

固态电池正极材料选择上，高电压型电极材料就可胜任；至于负极，则可用到锂金属，以实现能量密度的大飞跃。

固态电池事实上并非新鲜事物，其研发进程开始于上世纪五十年代，最近几年因为电池革命需要被迫走上前台。

相比于传统锂电池，固态电池有几大优势：

一、安全性更好；

二、体型更加轻薄；

三、能量密度更高；

四、生产制造难度更低。

通常，动力电池系统需要先生产单体，单体封装完成后将单体之间进行串联组装。若先在单体内部进行串联，则会导致正负极短路与自放电。

固态电池电芯内部不含液体，可实现先串并联后组装，减少了组装壳体用料，封装设计得以大幅简化。

从理论上来讲，量产电动车中最强的21700NCA三元锂电池电芯（特斯拉使用），其能量密度也只有251Wh/kg。

业内人士认为，300Wh/kg将是三元锂电池难以跨越的鸿沟。

至于固态电池，其能量密度有望达到400-1000WH/kg，这可大大缓解电动车用户的里程焦虑。

此外，它的应用还能拉低电池组甚至整车的成本。

由于固态电池已经没有燃烧或爆炸之忧，BMS 等温控组件（这也是特斯拉的强项）可以彻底退役，无隔膜设计还能进一步为电池系统减负。

利好无数，但固态电池想从实验室量产上车可不简单。

眼下，固态电池仍存不少问题，譬如离子电导率低、高界面阻抗等。

此外，即使解决了材料问题，电池标准化制造等问题也会凸显出来。

当年的锂离子技术比较幸运，它在CD机替代卡带时诞生，而存储介质的转换让不少索尼的薄膜工厂闲置了下来。

当日本人意识到这些薄膜工厂能助锂电池一臂之力时，原本过时的产能又被重新激活。

也就是说，锂电池诞生之初，就已经做好了规模化量产的准备。

相比之下，固态电池的情况大不一样。

“这是完完全全地打掉重来，量产之前必须放弃过去30多年所建成的电池工厂和技术，因为固态电池与此前的技术储备毫不兼容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。

与此同时，今天锂离子电池的普及经过了三十多年的量产迭代才能出现。

1994年，最常用的18650型锂离子电池的制造成本超过10美元，容量仅为1100mAh。

到了2001年，价格降到了3美元，容量也跃升至1900mAh。

今天，此类电池已经有了超过3000mAh的容量，而且成本还在持续下降。

“没有人会与性价比过不去，锂离子电池至少还能统治整个行业10年时间。”某电池专家认为。

电池行业发展与成本息息相关，而成本与规模更是紧密相连。锂离子电池在拥有如此良好开局的情况下，依然花了15年时间才从高度专业化的产品进化成大众市场产品。

对于那些号称要在几年内彻底颠覆整个电池行业的新技术，不少人仍然持怀疑态度。

从股价上，我们也能看出一些端倪。

作为固态电池界的明星公司，QuantumScape手握200多项固态电池专利，市值曾一度冲高至500亿美元，但从去年年底到现在已经跌掉了一大半。

有人指出，虽然QuantumScape技术不错，但他们拿出的样品电池比苹果手表的电池都要小，而且从未走出过试验室。

在研究了公开的技术文件后，不少人认为QuantumScape也许最终能将固态电池推向市场，但恐怕很难满足车用要求，而且价格会非常昂贵。

眼下，业界普遍认为，固态电池真正落地时间会在2025-2030年之间。

事实上，目前已有不少巨头或多或少投资了一些固态电池新创公司。

福特、宝马与现代就联合投资了名为Solid Power的新创公司，本田则选择与NASA及加州理工合作，试图研究出可将能量密度提升10倍的新产品（不过该项目依然在用电解液）。

通用方面，不但拿到了美国能源部的200万美元奖励，还携手LG化学投资2亿美元继续开发固态锂电池，为旗下雪佛兰Bolt电动车提供弹药。

与福特建立同盟关系的大众则向美国固态电池新创公司QuantumScape投资3亿美元，不过它们的生产线2024年才能建成（1gWh），而2026年第二座工厂才会成型（20gWh），至于大规模量产要到2028年了。

相比之下，丰田走得最快，它们此前准备趁着东京奥运会发布一款搭载固态电池的电动车（已跳票）。不过，量产恐怕要再等五六年。

除此之外，丰田还联合本田、日产与松下组建了一个日本固态电池研发联盟，预计2030年能将电动车续航做到500英里（约合804千米）。

有趣的是，松下曾表示固态电池未来十年内都难以投入商用。

也许，在固态电池来临之前，锂电池可能还会统治业界一段时间。比如昨天小鹏又最新发布了他们基于磷酸铁锂电池版本的P7及G3。

理论与实践有时候不太同频。

假设固态电池真的能够快速落地，实现了某些厂商声称的1000KM续航，关于电动车，人们还会有其它焦虑吗？

当然有，而且还不少。

譬如充电速度、充电站建设，充电站背后的电网设施等等。

英国华威大学的David Greenwood教授表示，电动汽车的成功取决于无处不在的充电网络和更快的充电速度。

先看快充技术，这里首先还得明确试验室技术与商用技术之间的差别，因为真正装车后的产品就必须在极端的温度、苛刻的驾驶条件和大功率快速充电等工况下接受考验，而它们对任何技术而言都是巨大的挑战。

另外，随着电动车保有量的不断增加，以及电动车商用化的深入，快充网络将变得越来越重要。

作为年发电量占到全球四分之一的发电超级大国，电能倒不会成为制约中国电动车发展的瓶颈，其真正挑战在于配电设施、布线和变电站等。

“从技术角度来看，已经有不少公司拿出了实验室技术，但如何大规模工业化是个大问题，而按照以往经验，这个过程至少需要5-8年。”某从业人士谈到。