2021年12月21日 | 神奇电池在哪里？｜技术流

在全世界最厚实的钱包支持下，一群全世界最聪明的大脑正在和电池死磕。

哪怕再笃定的电动车拥趸，也不可能说眼下市面上已有的电池技术，就足以支持纯电动车的全面普及——谁不承认谁就是不客观。真·续航1000km？10分钟充满？低温不衰减？超长循环寿命？成本低一半？我们什么都想要，我们什么都需要。

锂电池在原理上并非新事物，第一款商用锂离子电池早在1991年就诞生了；但先进车用动力电池又仍有发展空间，实用化的纯电动车出现也不过是七八年前的事。所以这几年随着资本蜂拥而至，电池圈转瞬之间多了一个又一个新名词儿……

要说未来电池，固态一定是怎么都绕不开的。这些年，电动车销量猛增，我们会想固态来了会更棒；电动车续航尴尬，我们也会说固态来了就好了。再加上丰田不信任现有锂电池、押宝固态电池的策略备受议论，更让固态电池成为坊间热词。

固态电池到底“固”了啥？现在的电池不是固态是啥态？为什么这个固态就会让电池更好？又为什么咱至今用不上固态的好？

常见的圆柱电池，其实内部是卷起来的，一层正极一层负极中夹一层电解液

所谓固态电池，说的是电解质为固态而非液态。目前市面上的所有车用锂电池，虽然外面看仿佛是个实心铁盒子，内部其实无一例外都是电解液——只是液体被各种结构设计“固定”得比较好，不会像矿泉水那样随便晃荡。

把上图简化其实就是这样

如果你的初中物理还没有还给体育老师，应该至少还记得：电池是由正极、负极、电解液组成。

电池外面，负极失去电子沿着导线流向正极，因为电子带负电，所以电流是从正极流向负极；电池内部，负极上失去了电子的阳离子在电解液中流向正极，正极得到电子的阴离子则流向负极。我们用电时用到的只是电池外面那部分，电流流过导线和用电器，发光发热出功出力。

说白了就是一大型电子离子分头跑路现场，外面是电子跑掉一个，里面就是锂离子跑掉一个。那么内部离子如果流动不够“通畅”，外面电流也就不可能“通畅”，表现为充放电性能不佳。很显然，液体是最方便离子在里面游来游去的，就算你不懂化学，也应该见过化学老师比划各种溶液。

将电解质换为固态，也很显然的，离子在其间流动会更加困难：原先是从液态这头到液体那头，现在需要穿越一片固体物质。这也是目前固态电池遇到的最大难点，大电流充、放电能力不足，而高功率放电、高功率充电又是未来电动车不可或缺的。

但诱惑也同样来自固态电解质。

传统锂电池的电解液占据了相当一部分重量，而固态电解质可以更薄更轻，从而提高电池的能量密度。含锂化合物的电解液本来就易燃，液体可能泄露进一步增加了风险，需要对内隔开正负极、对外以外壳保护，也是增加重量和体积。液态电解质中，难以使用锂金属电极来提高能量密度。

也就是说电解质从液态变为固态，电池的能量密度和安全性都会有显著提高可能。但眼下，在快充快放、循环寿命、制备成本等方面，固态电池还存在着尚未彻底解决的不足。早期产品进入市场也许就在这几年，然而可以大规模商用化的成熟固态电池，几乎必定要等到2025年甚至更远。

最左

蔚来ET7的所谓固态电池，其实人家自己宣传中就已经标明了“原位固化固液混合电解质”。所谓原位固化，说白了就是这个电解质一开始并不是固态的，在涂覆到电极上之后经过某些措施或反应（具体未知），电解液在原位形成了一部分固态物质。因为这个过程结束后还残留有部分液态，所以叫做固液电解质。

所以这个半固态电池的能量密度，蔚来给出的数字是360Wh/kg（单体/电芯能量密度）。这相对于目前的常规非固态电池当然高出一截（目前最高大概在300Wh/kg），但是又并不像我们对于固态电池的幻想那么遥不可及，尤其是考虑到其正负极材料也采用了更前沿技术。

固了吗？固了，但没全固。好的方面是，用户确实能尽早享受到目前第一流的电池能量密度；遗憾之处主要是在行业技术角度，它无法充分说明蔚来掌握了足够的未来全固态电池技术。当然，第二点并不十分充分，同时也不应该掩盖第一点。

固态电池的优点之一，是更可能采用锂金属电极。而就在上个月，一直以来钻研锂金属电池的初创公司SES，在其首届SES Battery World活动上发布了名为Apollo的锂金属电池，单体能量密度达到了惊人的417Wh/kg，而这还只是锂金属电池的第一代成品。

所谓锂金属电池，锂金属指的是负极材料，而目前常用的负极材料是石墨，主流的发展趋势是掺入硅，即硅碳负极（蔚来固态也在用）。负极材料对外提供电子（放电），对内在电解质中脱出锂离子，所以负极能“存储”多少锂离子，会决定电池能量密度的上限。

硅的这个“存储”能力，要比碳高出十倍有余，自然成为了更好的选择。但直接用硅负极又不可行，因为硅负极充放电时体积变化太大，膨胀率可达300%，而石墨仅为10%。所以眼下趋势是在石墨负极中尽可能加入硅——也就是智己L7所谓“掺硅补锂”中的掺硅。

既然负极的作用是提供锂离子，为何非要另辟蹊径去找“存储”锂离子的碳和硅，而不直接使用“自带”锂离子的锂金属呢？相比碳和硅，锂金属负极只需要薄薄的一片，大幅降低了负极的重量和体积，这是锂金属电池高能量密度的重要来源。

相比传统负极材料，锂金属负极只需要很薄的一层；负极即阳极

其实广义下的锂金属电池早有，但过去的锂金属电池压根就不是充电电池，只能一次性使用。这是因为锂金属做负极虽好，但充电时锂离子需要回到负极，传统的液态电解质中，锂离子会回到负极在表面析出锂金属，这种析出经过时间推移会生长出所谓枝晶。

日积月累，枝晶生长到一定程度就可能刺破正负极间的隔膜，也可能刺破电池外壳造成危险的电解液泄露，还可能直接生长接触到正极材料引发短路。所以以往，如果以锂金属作为负极，一定是一次性或短寿命电池，用完拉倒才能不管枝晶问题。

枝晶是个危险因素

今天重新现身江湖的锂金属电池，能够跻身车用动力电池的原因，也是由于固态电解质技术的兴起和日渐成熟。析出锂在电解液中“野蛮生长”成为恼人的枝晶，那么如果电解质是固态，不就可以阻挡锐利的枝晶吗？

SES的锂金属电池就采用了部分固态的混合电解质，而固态电池的优势之一也包括了更便于启用锂金属负极。二者可以说是彼此促进甚至共进退的关系，固态电解质让锂金属负极可用，锂金属负极又让固态电解质更有优势。

锂金属负极技术也还处在较早期阶段，电解质固态化对于枝晶问题的解决程度，也尚需时间和经验去验证。目前的预计大规模量产时间，也要到2025年之后。比较看好锂金属电池的车企，主要是参与了SES几轮融资的通用和现代。

相对于电解质和负极，正极的“进阶玩法”稍单调一些。对于三元锂正极材料，主旋律就是提高镍含量、降低乃至去掉钴。这一趋势从NCM（镍：钴：锰）523到622再到811就一直在持续：镍的比例提高到80%，而钴含量被一减再减。

镍是提高能量密度的直接因素，含量高低决定着正极的可逆嵌锂容量。但镍的比例当然不是说提高就提高，过多的镍会导致正极出现阳离子混排，镍离子和锂离子彼此占据对方位置，降低电池的循环性能和寿命；高镍会加剧电池高温下的自加热现象，并导致电池内部温度和压力更易上升，使得安全性受到影响。

而钴起到的作用，正是帮助电池提高循环寿命。当锂离子可逆地进、出正极材料，即充放电时，钴可以帮助正极中的层状分子结构保持稳定；但同时，钴含量越高则正极的可逆嵌锂容量越低，表现为能量密度下降。

注意左侧，镍钴锰元素的位置

由于钴是一种有毒金属，在开采过程中伴随着大量的不人道，一直以来都被世界各地环保和人权组织所抗议。同时，钴的价格也因开采困难而非常昂贵。所以无论从道义上还是成本上，电池厂商都有足够的动力降低钴用量。

特斯拉经过多年的技术迭代，目前其三元锂电池中的钴已经降至3%，下一步还要降低至1%直至最终实现无钴。要做到低钴无钴，就必须找到其他方法，取代钴元素在正极材料分子层状结构中的稳定作用。

在国内，脱胎于长城旗下的蜂巢能源今年第一个做到了量产无钴，其目前的NMx电池去除了钴元素，单体能量密度仍保持在240Wh/kg的较高水平。无钴化的常见做法是掺杂阳离子、纳米网络包覆等方法，改良分子层状结构，以替代钴元素起到稳定作用。一直在说的蔚来半固态电池，也提到了纳米级包覆超高镍正极（低钴）。

170Wh/kg为整包能量密度

正极、负极、电解质，还只是电芯层面的车用电池技术，在电芯以外，整包技术也是提高电池整体性能的关键。

像特斯拉正在做的，以更大的4680规格替代2170规格电芯、以CTC方式减少结构冗余并同时实现无模组CTP，都是在整包层面做的优化。可见即便不寻求激进的电芯技术效果，整包层面也依然有足够多的挖掘空间。但同时，整包优化又离不开电芯层面的进步，如果不是对电芯稳定性足够有信心，像CTP和CTC也无从谈起。

如果你对电池技术的进步速度足够有信心，也许可以开始期（zuò）待（mèng）一辆采用固态电解质、锂金属负极、高镍正极、CTC电池包的纯电动车了。