固態(tài)電池：新能源下一個“超級風(fēng)口”？

動力電池是新能源領(lǐng)域的核心賽道，下一代能量密度更高、安全性能更好，同時兼顧成本經(jīng)濟(jì)性的的電池研發(fā)，必然是一個“超級風(fēng)口”。

這其中，“固態(tài)電池”是最被看好和各方投入最多的技術(shù)路徑，但鑒于其材料、制備、成本等方面的諸多高難度瓶頸，商業(yè)化之路任重道遠(yuǎn)。

同時，其他技術(shù)路徑如能在能量、安全和成本方面獲得更好的平衡，也將可能對固態(tài)電池實現(xiàn)“彎道超車”。

目下最大的賽道，無疑是新能源汽車。有人甚至說，新能源汽車在未來十年也仍會是最大的風(fēng)口。當(dāng)然，這其中包含的意思，除了產(chǎn)業(yè)本身的發(fā)展之外，也同樣體現(xiàn)了技術(shù)層面可能出現(xiàn)的重要迭代乃至革命。

在整個新能源賽賽道中，“整車”無疑是最光鮮和最吸引眼球的。但當(dāng)前整車市場的競爭堪稱慘烈。國內(nèi)被戲稱為“PPT造車”的“造車新勢力”，企業(yè)數(shù)量近500家，目前脫穎而出的也不過蔚來、小鵬、理想、零跑、威馬、哪吒等屈指可數(shù)的幾家。

同時在新能源汽車“全球老大”特斯拉持續(xù)降價、銷量暴增之后，尚未盈利的“蔚來”們，又將面臨怎樣的劇烈沖擊和未來?

所以說，當(dāng)前的整車賽道已經(jīng)擁擠不堪且危機(jī)重重，對于整車企業(yè)個體而言，未來的發(fā)展充滿著不確定性。

而新能源領(lǐng)域具備較大確定性的環(huán)節(jié)在哪?毫無疑問是動力電池。一個樸素的道理：無論誰在造車，都離不開或者說希望獲取高能量密度、高安全性又低成本的電池配備。

因而，背靠日益膨脹的新能源汽車市場，動力電池領(lǐng)域無論在效率、成本、安全等維度上的重大突破，無疑都將是一個具備高度確定性的“超級風(fēng)口”，甚至具有劃時代的意義。

動力電池領(lǐng)域公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是：如果電動車的電池能量密度能從當(dāng)前主流的160wh/kg，提升至400wh/kg，那么電動車足以完全取代傳統(tǒng)的燃油車。

面對這一創(chuàng)造歷史的機(jī)遇和巨大的市場前景，國內(nèi)外一眾電池生廠商也已開足馬力投身于下一代動力電池的研發(fā)。這其中，“固態(tài)電池”則是當(dāng)下最火熱、最被寄予厚望的“超級電池”研發(fā)技術(shù)路徑。

動力電池：新能源汽車的生命線

這兩年特斯拉持續(xù)降價，最新的拳頭產(chǎn)品“Model Y 標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版”稅后報價27.6萬元，較之其此前推出的“Model Y 長續(xù)航版”降價7萬元有余，由此引發(fā)熱銷。

特斯拉MODEL Y(圖片來源：網(wǎng)絡(luò))

而促使特斯拉可以大幅降價的底氣就來自于換裝 “磷酸鐵鋰電池”后成本驟降。

目前新能源汽車搭載的動力電池主要是“三元鋰電池”和“磷酸鐵鋰電池”兩種，我們來簡單介紹下這兩種電池。

“三元鋰電池”電池正極添加了鎳、鈷、錳等三種貴金屬，因而能量密度和充電效率較高。

但也正因為添加了這三種貴金屬，三元電池成本較高。同時也導(dǎo)致電池內(nèi)部高溫狀態(tài)下化學(xué)反應(yīng)劇烈(200℃左右會發(fā)生分解)，容易引發(fā)燃爆，為提升安全性能則需要增加更多成本。

另一種“磷酸鐵鋰電池”，則不含有貴金屬成分，因而成本較低。同時“磷酸鐵鋰”化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定(500℃左右結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定)，不易燃爆，使用壽命較長。主要缺點是能量密度、充電效率不及三元電池，同時在低溫狀態(tài)下性能較差。

但近年來寧德時代的“CTP模式”(將電芯直接集成到電池包)、比亞迪的“刀片結(jié)構(gòu)”(單體電池通過陣列方式排布插入電池包)等技術(shù)突破，已使得磷酸鐵鋰的能量密度基本達(dá)到了主流的160Wh/kg，充電效率也大幅提升。由此，磷酸鐵鋰電池低成本的優(yōu)勢也就更加凸顯。

而此次特斯拉“國產(chǎn)Model Y標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版”，正是由原先松下的三元電池“換裝”成了寧德時代的CTP模式“磷酸鐵鋰電池”，由此成本大降，也攪動了國內(nèi)新能源汽車市場的大潮。

動力電池之于新能源汽車的重要性也可見一斑。

固態(tài)電池：群雄逐鹿的下一個戰(zhàn)場

20世紀(jì)90年代以來，包含液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池(包括前述磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池)已成為當(dāng)前最成熟、應(yīng)用最廣泛的電池技術(shù)路線。

而隨著市場對電池能量密度、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求日益提升，傳統(tǒng)鋰離子電池已逐漸不能滿足需求。于是采用固體電極和固體電解液，并具備更高能量密度和安全性的“固態(tài)電池”便應(yīng)運而生。

固態(tài)電池為什么能具備更高的能量密度和安全性?

首先是其固態(tài)電解質(zhì)(主要采用有機(jī)或無機(jī)陶瓷材料)的結(jié)構(gòu)和密度，可以聚集更多帶電離子、傳導(dǎo)更大電流，同時采用金屬鋰等材料做負(fù)極，從而有效提升單位體積的電池容量和續(xù)航能力。

據(jù)分析，一輛全固態(tài)電池汽車?yán)m(xù)航里程可達(dá)約1,000公里，同時電池性能可長期保持穩(wěn)定;

第二是固態(tài)電解質(zhì)封存簡易，可以顯著節(jié)省成本，以及減輕電池重量、減小電池體積;

第三是固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，較之液態(tài)電解質(zhì)，減小了電池在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和燃爆的風(fēng)險，使用壽命穩(wěn)定。

鋰離子電池與全固態(tài)電池對比(圖片/網(wǎng)絡(luò))

有機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年，全球固態(tài)電池需求預(yù)計達(dá)500GWh，市場規(guī)模在3,000億元以上。

巨大的市場需求和應(yīng)用前景，也讓固態(tài)電池的研發(fā)成為國家戰(zhàn)略。

目前，中國、美國、日本、德國等世界主要經(jīng)濟(jì)體均制定了各自的固態(tài)電池發(fā)展規(guī)劃。總體計劃是：在2020-2025年期間致力于提升電池能量密度并逐步向固態(tài)電池轉(zhuǎn)變;2030年前后研發(fā)出商業(yè)化運用的全固態(tài)電池。

當(dāng)前，日本豐田、松下、本田，韓國LG，德國寶馬、大眾，以及國內(nèi)的寧德時代、比亞迪等動力電池巨頭，均已布局固態(tài)電池領(lǐng)域。

在時代潮流的強(qiáng)勢推動下，固態(tài)電池技術(shù)也在逐步取得重大突破。美國休斯敦大學(xué)研究團(tuán)隊日前發(fā)布成果顯示：通過溶劑輔助過程改變電池的電極微結(jié)構(gòu)，可將有機(jī)基固態(tài)鋰電池的能量密度翻倍。

在固態(tài)電池的材料方面，國內(nèi)企業(yè)也已具備批量生產(chǎn)能力。贛鋒鋰業(yè)日前宣布：公司生產(chǎn)的第二代固態(tài)鋰電池基于高鎳三元正極、含金屬鋰負(fù)極材料，能量密度超350Wh/kg，循環(huán)壽命近400次。

固態(tài)電池商業(yè)化之路：任重道遠(yuǎn)

市場渴求、政策支持，業(yè)界各路大神不惜重金傾力投入，固態(tài)電池的研發(fā)看起來一切都很美好，但事實并非如此。固態(tài)電池在技術(shù)上還存在大量需要攻關(guān)的難點，距離真正實現(xiàn)商業(yè)化還存有較長距離。

目前固態(tài)電池量產(chǎn)和商業(yè)化的主要瓶頸包括：

一是固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率較低，導(dǎo)致充電效率較低;

二是材料體系不完善。固態(tài)電池固態(tài)電解質(zhì)可以選擇有機(jī)或無機(jī)陶瓷材料，負(fù)極可以選擇預(yù)鋰化、富鋰復(fù)合和金屬鋰等材料，但總體尚無較為成熟的材料體系。固態(tài)電池的用材，或許也是人類材料科學(xué)的一個巔峰;

三是制備工藝技術(shù)難度高。作為固態(tài)電池電解質(zhì)的氧化物和硫化物電解質(zhì)，制備難度較高，以目前的工藝水平難以保證成品的合格率;

四是固態(tài)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能平衡問題尚待解決。固體電池是一個全新的體系，顛覆了液態(tài)鋰電池系統(tǒng)，很多架構(gòu)和系統(tǒng)問題需要重新設(shè)計，以目前的技術(shù)水平尚不能完全駕馭;

五是產(chǎn)業(yè)鏈配套不完善。作為主體尚處于或剛走出實驗室的固態(tài)電池，自然無法形成完整的配套產(chǎn)業(yè)鏈;

六是生產(chǎn)效率低下、制造成本居高不下。目前普通液態(tài)鋰電池成本不過200-300美元/千瓦時，而若以現(xiàn)有技術(shù)制造車用全固態(tài)電池，成本據(jù)說高達(dá)數(shù)千萬美元。

這其中，成本問題應(yīng)該是制約固態(tài)電池大規(guī)模商業(yè)化的最大瓶頸。

一個值得玩味的細(xì)節(jié)是：作為全球最大的新能源車企，特斯拉一直對固態(tài)電池問題保持緘默，反而仍然著力于傳統(tǒng)鋰電池的改進(jìn)。

2020年12月，特斯拉發(fā)布4680動力電池，展示其CTP無模組電池方案：取消電池模組設(shè)計，將960個4680電芯直接按照40x24的排列置入動力電池結(jié)構(gòu)體中，再結(jié)合正負(fù)極材料的改進(jìn)，這套電池系統(tǒng)的能量密度或?qū)⑦_(dá)到300Wh/kg。

或許特斯拉在證明：類似固態(tài)電池這樣過于先進(jìn)的技術(shù)并不一定適合于商業(yè)化;而“在商言商”，能夠大規(guī)模商業(yè)化的，必然是技術(shù)成熟、成本低廉的路徑。

固態(tài)電池之外，還有其他技術(shù)路徑嗎?

固態(tài)電池?zé)o疑是追逐下一代動力電池最火爆的技術(shù)路線，但未必是唯一選擇。因為我們的最終取向是高效能和低成本的平衡，如果其他技術(shù)路線在與固態(tài)電池的推進(jìn)過程中，在這兩方面的平衡較之后者更優(yōu)、發(fā)展更快，那鹿死誰手還真不好說。

固態(tài)電池之外，還有哪些可以選擇的動力電池技術(shù)路徑?業(yè)內(nèi)較為看好的包括燃料電池、鎂電池、鋁空氣電池、超級電容器等路線。

“燃料電池”的基本原理，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，具有轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點。

但燃料電池的發(fā)展同樣是問題重重。以當(dāng)下燃料電池領(lǐng)域最火熱的“氫燃料電池”為例，就面臨制氫儲氫和催化劑成本高昂、關(guān)鍵零部件技術(shù)瓶頸等問題。

氫燃料電池原理(圖片來源：網(wǎng)絡(luò))

“鎂電池”是以鎂為負(fù)極，某些金屬或非金屬氧化物為正極的原電池。由于鎂的熔點(約650℃)遠(yuǎn)高于鋰(約180℃)，同時鎂的儲量也遠(yuǎn)高于鋰，因而鎂電池較之鋰電池，在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面具備優(yōu)勢。

但鎂電池的障礙在于缺少合適的正極材料與鎂負(fù)極組合、充放電不穩(wěn)定等。

“鋁空氣電池”以高純度鋁為負(fù)極、氧為正極，以氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)水溶液為電解質(zhì)，鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

鋁空氣電池的理論比能量可達(dá)8,100Wh/kg，同時重量輕、環(huán)保無污染，但其比功率較低、充放電速度較慢且容易過熱。

“超級電容器”是一種通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來存儲能量的裝置，同時具備傳統(tǒng)電容器的充放電和電池的儲能特性，而且具有充電速度快、循環(huán)使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點。

但其缺點同樣十分明顯，包括電極材料能量密度較低、電解質(zhì)容易泄漏、耐壓性能較差等。

綜合而言，以固態(tài)電池為代表的下一代動力電池的各條技術(shù)路徑各有利弊，目前尚有不少技術(shù)瓶頸亟待突破，同時在有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性的平衡方面，也存在諸多問題，大規(guī)模商業(yè)化之路均任重道遠(yuǎn)。

而可以確定的一點是，假以時日，在市場需求的引致和國內(nèi)外廣泛持續(xù)研發(fā)的推動下，下一代能量密度和充放電效率更高，同時兼顧成本、安全等多方面因素平衡的某種劃時代“超級電池”，終將取代目前主流的液態(tài)鋰電池。

只不過這其中，固態(tài)電池應(yīng)該是目前各方投入最多、最被寄予厚望的技術(shù)路徑。但最終哪條技術(shù)成為“天命之選”，還是要看誰能盡早實現(xiàn)技術(shù)的根本性突破，以及更好地實現(xiàn)效率、成本等方面的完美平衡。