當(dāng)續(xù)航 1000KM 成為硬指標(biāo)，鋰電池技術(shù)何去何從？

造車熱背后，電池革命也時(shí)常被人所提及。遺憾的是，多年過去，好像誰的命也沒被革成。

去年10月，一家名叫QuantumScape的美國固態(tài)電池新創(chuàng)公司宣稱：“我們的新型電池不但能讓電動(dòng)車?yán)m(xù)航翻倍、15分鐘完成充電工作，甚至還比現(xiàn)有的鋰電池更為安全。”

三個(gè)月后，大洋彼岸的中國，蔚來則在NIODay上發(fā)布了一款續(xù)航超1000km的車型。他們號稱會配備固態(tài)電池技術(shù)，2022年第四季度正式開賣。

或許，QuantumScape和蔚來真可憑借固態(tài)電池帶來一次真正的技術(shù)革命，但在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)之前，尚需瓦解鋰電池建立的幾十年的統(tǒng)治地位。

電池革命為何遲遲不來?鋰電池為何能夠統(tǒng)治業(yè)界超三十年卻屹立不倒?

答案比較簡單：打造新型電池的化學(xué)方程式尚未出現(xiàn)。

“自18 世紀(jì)以來，電池的基本概念從未發(fā)生改變。”悉尼大學(xué)化學(xué)家、Gelion Technology的創(chuàng)始主席 Thomas Maschmeyer教授說道。

所有電池的主要構(gòu)件無外乎三個(gè)：正極、負(fù)極、電解質(zhì)(起催化劑作用)。

在上述三大元素不可改變的大前提下，如果業(yè)界想要實(shí)現(xiàn)革命性的技術(shù)突破，就必須對電池的化學(xué)成分做出調(diào)整。

過去幾十年來，電池研究者們在元素周期表上可沒少下功夫，目的則是能夠找到代替鋰電池的新型化合物。

主要路線分為兩種：

一、研發(fā)超越鋰電池能量密度的新型電池，比如固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。

二、在已有電池中添加更多元素，如鈉離子、鋁離子和鎂離子電池。

不過，改變電池化學(xué)成分說起來容易做起來難，解決一個(gè)問題的同時(shí)可能會帶來多個(gè)新問題。

最主要的原因是電池在化學(xué)反應(yīng)中會產(chǎn)生能量。

以常見的鋰離子電池為例，它們會用到石墨負(fù)極和金屬氧化物正極(通常是鈷、鎳、錳、鐵或鋁)，而電解液則是有機(jī)溶劑中的鋰鹽。

當(dāng)鋰離子電池通電時(shí)，負(fù)極與電解液中的鋰發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電子積聚在負(fù)極周圍，正極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后就會吸引這些電子，產(chǎn)生電子流。

這一過程被稱為還原—氧化過程。(也就是化學(xué)課上學(xué)的“氧化還原”反應(yīng)。)

于一次性電池(比如遙控器里的AA電池)來說，電子流只需朝著一個(gè)方向工作。

但在充電電池上，電子流的運(yùn)動(dòng)過程就變成可逆的了。也就是說，在正極和負(fù)極之間穿梭的電子必須買張“往返票”，而且不會消耗或破壞活性化學(xué)物質(zhì)。

鋰離子電池之上，氧化還原反應(yīng)簡直是教科書級別的。在電池材料開始退化之前，電子可以雙向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)千次循環(huán)。

可惜的是，這世上萬事皆有缺憾：充放電循環(huán)會產(chǎn)生微小的金屬晶須(被稱為樹突)，這些晶須會穿過電解液，縮短電池壽命。

在極少數(shù)情況下，鋰離子電池還會起火(想想當(dāng)年出現(xiàn)燃損事故的 Note 7)。

那么，如果換種成分，將鋰換成鎂呢?后者更容易開采，而且能夠達(dá)到類似的能量密度。

事實(shí)證明：鎂離子電池理論沒問題，實(shí)踐一團(tuán)糟。

對鋰有效的化學(xué)反應(yīng)對鎂不起作用，而且對鈉、鋁或任何其他體系都不起作用。在鋰離子電池中，鋰可以通過嵌入的過程擴(kuò)散并穩(wěn)定在石墨負(fù)極內(nèi)，但鎂不行。

它不但無法穩(wěn)定在負(fù)極之內(nèi)，鎂還會在負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，進(jìn)一步阻礙鎂離子在電極和電解液之間的擴(kuò)散。一旦這層界面膜出現(xiàn)，電池性能會迅速下降。

鎂元素遭遇的問題并不罕見，不少要將鋰元素打下神壇的化學(xué)成分都能實(shí)現(xiàn)充放電功能，但做得都不夠完美。

顯然，擴(kuò)散能力弱意味著鎂離子電池?zé)o法儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實(shí)現(xiàn)了高能量密度，但在穩(wěn)定性方面存在問題。

至于鈉，雖然它是地球上儲量最為豐富的化學(xué)元素，但鈉離子電池能量密度很低，根本無法用于消費(fèi)電子產(chǎn)品或電動(dòng)車。

這么多鋰電池的變體中，唯一投入市場的恐怕只有鋰硫電池了。

這項(xiàng)技術(shù)被人們所期待的最主要原因是：它能將電池能量密度提到傳統(tǒng)鋰離子電池的5倍。

不過，鋰硫電池也不完美，因?yàn)殇嚭土驎l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生多硫化鋰。這種物質(zhì)的溶解度很高，能擴(kuò)散到電解液中并穿過分隔正極和負(fù)極的隔膜。

多硫化鋰可不是人們想要的氧化還原反應(yīng)，因?yàn)樗鼤采w負(fù)極并使其鈍化，隨后就是容量的迅速降低，直至電池最終罷工。

這個(gè)過程叫做多硫化物重組，二十多年來，它讓研究人員們傷透了腦筋，盡管做了大量改善工作，但仍然難以找到商業(yè)化落地的變通方法。

當(dāng)所有研究人員都一籌莫展、難尋進(jìn)步通道時(shí)，固態(tài)電池登場了。

何為固態(tài)電池?它拋棄了傳統(tǒng)電解液，轉(zhuǎn)而使用固態(tài)電解質(zhì)，而新的電解質(zhì)則是固態(tài)電池的核心。

除了能夠做好自己的本職工作，固態(tài)電解質(zhì)還能一并扮演隔膜的角色。

固態(tài)電池正極材料選擇上，高電壓型電極材料就可勝任;至于負(fù)極，則可用到鋰金屬，以實(shí)現(xiàn)能量密度的大飛躍。

固態(tài)電池事實(shí)上并非新鮮事物，其研發(fā)進(jìn)程開始于上世紀(jì)五十年代，最近幾年因?yàn)殡姵馗锩枰黄茸呱锨芭_。

相比于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)電池有幾大優(yōu)勢：

一、安全性更好;

二、體型更加輕薄;

三、能量密度更高;

四、生產(chǎn)制造難度更低。

通常，動(dòng)力電池系統(tǒng)需要先生產(chǎn)單體，單體封裝完成后將單體之間進(jìn)行串聯(lián)組裝。若先在單體內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián)，則會導(dǎo)致正負(fù)極短路與自放電。

固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體，可實(shí)現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝，減少了組裝殼體用料，封裝設(shè)計(jì)得以大幅簡化。

從理論上來講，量產(chǎn)電動(dòng)車中最強(qiáng)的21700NCA三元鋰電池電芯(特斯拉使用)，其能量密度也只有251Wh/kg。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，300Wh/kg將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。

至于固態(tài)電池，其能量密度有望達(dá)到400-1000WH/kg，這可大大緩解電動(dòng)車用戶的里程焦慮。

此外，它的應(yīng)用還能拉低電池組甚至整車的成本。

由于固態(tài)電池已經(jīng)沒有燃燒或爆炸之憂，BMS 等溫控組件(這也是特斯拉的強(qiáng)項(xiàng))可以徹底退役，無隔膜設(shè)計(jì)還能進(jìn)一步為電池系統(tǒng)減負(fù)。

利好無數(shù)，但固態(tài)電池想從實(shí)驗(yàn)室量產(chǎn)上車可不簡單。

眼下，固態(tài)電池仍存不少問題，譬如離子電導(dǎo)率低、高界面阻抗等。

此外，即使解決了材料問題，電池標(biāo)準(zhǔn)化制造等問題也會凸顯出來。

當(dāng)年的鋰離子技術(shù)比較幸運(yùn)，它在CD機(jī)替代卡帶時(shí)誕生，而存儲介質(zhì)的轉(zhuǎn)換讓不少索尼的薄膜工廠閑置了下來。

當(dāng)日本人意識到這些薄膜工廠能助鋰電池一臂之力時(shí)，原本過時(shí)的產(chǎn)能又被重新激活。

也就是說，鋰電池誕生之初，就已經(jīng)做好了規(guī)?；慨a(chǎn)的準(zhǔn)備。

相比之下，固態(tài)電池的情況大不一樣。

“這是完完全全地打掉重來，量產(chǎn)之前必須放棄過去30多年所建成的電池工廠和技術(shù)，因?yàn)楣虘B(tài)電池與此前的技術(shù)儲備毫不兼容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。

與此同時(shí)，今天鋰離子電池的普及經(jīng)過了三十多年的量產(chǎn)迭代才能出現(xiàn)。

1994年，最常用的18650型鋰離子電池的制造成本超過10美元，容量僅為1100mAh。

到了2001年，價(jià)格降到了3美元，容量也躍升至1900mAh。

今天，此類電池已經(jīng)有了超過3000mAh的容量，而且成本還在持續(xù)下降。

“沒有人會與性價(jià)比過不去，鋰離子電池至少還能統(tǒng)治整個(gè)行業(yè)10年時(shí)間。”某電池專家認(rèn)為。

電池行業(yè)發(fā)展與成本息息相關(guān)，而成本與規(guī)模更是緊密相連。鋰離子電池在擁有如此良好開局的情況下，依然花了15年時(shí)間才從高度專業(yè)化的產(chǎn)品進(jìn)化成大眾市場產(chǎn)品。

對于那些號稱要在幾年內(nèi)徹底顛覆整個(gè)電池行業(yè)的新技術(shù)，不少人仍然持懷疑態(tài)度。

從股價(jià)上，我們也能看出一些端倪。

作為固態(tài)電池界的明星公司，QuantumScape手握200多項(xiàng)固態(tài)電池專利，市值曾一度沖高至500億美元，但從去年年底到現(xiàn)在已經(jīng)跌掉了一大半。

有人指出，雖然QuantumScape技術(shù)不錯(cuò)，但他們拿出的樣品電池比蘋果手表的電池都要小，而且從未走出過試驗(yàn)室。

在研究了公開的技術(shù)文件后，不少人認(rèn)為QuantumScape也許最終能將固態(tài)電池推向市場，但恐怕很難滿足車用要求，而且價(jià)格會非常昂貴。

眼下，業(yè)界普遍認(rèn)為，固態(tài)電池真正落地時(shí)間會在2025-2030年之間。

事實(shí)上，目前已有不少巨頭或多或少投資了一些固態(tài)電池新創(chuàng)公司。

福特、寶馬與現(xiàn)代就聯(lián)合投資了名為Solid Power的新創(chuàng)公司，本田則選擇與NASA及加州理工合作，試圖研究出可將能量密度提升10倍的新產(chǎn)品(不過該項(xiàng)目依然在用電解液)。

通用方面，不但拿到了美國能源部的200萬美元獎(jiǎng)勵(lì)，還攜手LG化學(xué)投資2億美元繼續(xù)開發(fā)固態(tài)鋰電池，為旗下雪佛蘭Bolt電動(dòng)車提供彈藥。

與福特建立同盟關(guān)系的大眾則向美國固態(tài)電池新創(chuàng)公司QuantumScape投資3億美元，不過它們的生產(chǎn)線2024年才能建成(1gWh)，而2026年第二座工廠才會成型(20gWh)，至于大規(guī)模量產(chǎn)要到2028年了。

相比之下，豐田走得最快，它們此前準(zhǔn)備趁著東京奧運(yùn)會發(fā)布一款搭載固態(tài)電池的電動(dòng)車(已跳票)。不過，量產(chǎn)恐怕要再等五六年。

除此之外，豐田還聯(lián)合本田、日產(chǎn)與松下組建了一個(gè)日本固態(tài)電池研發(fā)聯(lián)盟，預(yù)計(jì)2030年能將電動(dòng)車?yán)m(xù)航做到500英里(約合804千米)。

有趣的是，松下曾表示固態(tài)電池未來十年內(nèi)都難以投入商用。

也許，在固態(tài)電池來臨之前，鋰電池可能還會統(tǒng)治業(yè)界一段時(shí)間。比如小鵬又最新發(fā)布了他們基于磷酸鐵鋰電池版本的P7及G3。

理論與實(shí)踐有時(shí)候不太同頻。

假設(shè)固態(tài)電池真的能夠快速落地，實(shí)現(xiàn)了某些廠商聲稱的1000KM續(xù)航，關(guān)于電動(dòng)車，人們還會有其它焦慮嗎?

當(dāng)然有，而且還不少。

譬如充電速度、充電站建設(shè)，充電站背后的電網(wǎng)設(shè)施等等。

英國華威大學(xué)的David Greenwood教授表示，電動(dòng)汽車的成功取決于無處不在的充電網(wǎng)絡(luò)和更快的充電速度。

先看快充技術(shù)，這里首先還得明確試驗(yàn)室技術(shù)與商用技術(shù)之間的差別，因?yàn)檎嬲b車后的產(chǎn)品就必須在極端的溫度、苛刻的駕駛條件和大功率快速充電等工況下接受考驗(yàn)，而它們對任何技術(shù)而言都是巨大的挑戰(zhàn)。

另外，隨著電動(dòng)車保有量的不斷增加，以及電動(dòng)車商用化的深入，快充網(wǎng)絡(luò)將變得越來越重要。

作為年發(fā)電量占到全球四分之一的發(fā)電超級大國，電能倒不會成為制約中國電動(dòng)車發(fā)展的瓶頸，其真正挑戰(zhàn)在于配電設(shè)施、布線和變電站等。

“從技術(shù)角度來看，已經(jīng)有不少公司拿出了實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，但如何大規(guī)模工業(yè)化是個(gè)大問題，而按照以往經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)過程至少需要5-8年。”某從業(yè)人士談到。