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但眼下，阻力出現(xiàn)了。純電動汽車的市場滲透率已經(jīng)增長乏力，即便是曾經(jīng)的銷冠特斯拉，在2023年財報上無奈寫道，“2024年銷量增速可能會明顯低于2023年。”
限制純電車增速的根由，仍在動力電池身上。動輒半小時的補能時長，低溫性能衰減導致北方冬季開不起來的汽車空調(diào)，以及不時燒起的熊熊大火……仍會將消費者攔在門外。
為了徹底解決這些問題，固態(tài)電池應運而生。理想中的固態(tài)電池，能量密度可以突破500Wh/kg，輕松6C充放電讓充電效率與加油相當，電池刺穿不起火，低溫能量不跳水，循環(huán)壽命過萬次。
如果說，1990年日本Sony公司基于石墨負極讓鋰離子電池的正式走上商業(yè)化道路，那么接下來的2027-2030年，哪家公司率先將固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，就意味著捧起了這條路上的終極圣杯。
不僅各家公司在加緊研發(fā)步伐，固態(tài)電池的押注與突破也變成了國與國之間的你追我趕，沒有一個國家不想提前掌握下一代電池技術(shù)。中日韓再次同臺競賽，角逐誰先破關(guān)。
01.下一代電池技術(shù)的誕生
動力電池由正極、負極、隔膜、電解液四大主材以及多種輔材構(gòu)成。如今市面上所有的動力電池和消費電子類電池都可以歸結(jié)為液態(tài)電池，而固態(tài)電池就是將電解液換成固態(tài)電解質(zhì)。
固態(tài)電解質(zhì)更高的熱穩(wěn)定性讓動力電池能夠使用更高能量密度的正負極材料，這也是行業(yè)中認為固態(tài)電池能比液態(tài)電池性能更優(yōu)秀、更全面的主要原因。
因此，固態(tài)電池的技術(shù)路線從固態(tài)電解質(zhì)出發(fā)主要可分為三種：聚合物、氧化物與硫化物。三種路線各有優(yōu)劣。
聚合物的離子電導率（鋰離子在正負極之間游動的速度）最低，只有加熱才能提升電導率；氧化物的離子電導率要高于聚合物，但仍不如液態(tài)電解質(zhì)，且材料太硬容易破碎；硫化物的離子電導率要高于液態(tài)電解質(zhì)，材料較軟，但缺點是容易與空氣中的水發(fā)生副反應。
目前來看，聚合物路線幾乎已被放棄，硫化物性能最好但也最難，氧化物做的人最多。
聚合物路線早已量產(chǎn)，2012年法國公司Blue Solutions就在電動大巴上應用了聚合物固態(tài)電池，但這種電池要加熱到60度才能正常使用，既不具備安全性，也不具備經(jīng)濟性。
“現(xiàn)在全世界沒有任何一家固態(tài)電池公司在做純聚合物路線。”有固態(tài)電池從業(yè)者告訴36氪。
理想的固態(tài)電解質(zhì)材料起碼要與液態(tài)電解質(zhì)的離子電導率相當，具有良好的電化學穩(wěn)定性，同時制造成本偏低，容易規(guī)模量產(chǎn)。綜合以上，硫化物最為合適，性能天花板最高，但需要克服多重困難。
豐田在硫化物路線上義無反顧，2012年豐田就在全球首發(fā)硫化物固態(tài)電池。2017年時，豐田宣布將在2020-2025年間，推出十款以上采用固態(tài)電池的純電車。但事實卻一再跳票。
2023年上半年，豐田在全球范圍內(nèi)甚至只賣出去了5.9萬輛純電汽車，這只是特斯拉在中國市場一個月的銷量。
執(zhí)意硫化物固態(tài)電池的豐田進展十分緩慢，電池企業(yè)們也都摸清了固態(tài)電池的量產(chǎn)難度，紛紛在商業(yè)化上選擇了的折中方案——半固態(tài)。
半固態(tài)電池的初衷是量產(chǎn)，但要將固態(tài)電池能實現(xiàn)的性能稍減。簡單來說，就是將固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)混合使用。
將半固態(tài)量產(chǎn)的任務落到了中國的創(chuàng)業(yè)公司身上，贛鋒鋰電、清陶能源、北京衛(wèi)藍、重慶太藍等公司普遍選擇了氧化物路線。
進展最快的是北京衛(wèi)藍，蔚來李斌已經(jīng)直播實測了150度半固態(tài)電池包續(xù)航確實超過1000公里。數(shù)據(jù)顯示，2023年全年，北京衛(wèi)藍的動力電池裝機量已經(jīng)達到0.8GWh，可以搭載超過5300輛ET7。
但半固態(tài)電池這種“取巧”的方式并不被看好，其主要技術(shù)實現(xiàn)路徑也跟固態(tài)電池有較大差異。
“固態(tài)電池的核心壁壘是固態(tài)電解質(zhì)，半固態(tài)電池的核心壁壘是改良后的液態(tài)電解質(zhì)。”有電池研發(fā)人員告訴36氪。“這其實屬于液態(tài)電池范疇。”
在半固態(tài)電池量產(chǎn)之后，市場看到了這種路線的缺陷，也出現(xiàn)了不少聲音認為半固態(tài)電池是“雞肋”般的存在。究其原因，半固態(tài)電池的能量密度比之液態(tài)電池并不明顯，成本不低，安全性不如全固態(tài)電池。“半固態(tài)只要達到300Wh/kg以上，針刺就會爆炸。”有電池研發(fā)人員告訴36氪。
看到了半固態(tài)電池的性能，也有人堅守液態(tài)電池并不差。中創(chuàng)新航CTO潘芳芳就認為，液態(tài)電池的能量密度天花板可能達到500Wh/kg。“固態(tài)能達到的能量密度，液態(tài)電池都可以更加容易的達到。”
因此，這也給了市場一種疑問，遲遲未能量產(chǎn)的全固態(tài)電池，并不一定是完美的。
“如果基于現(xiàn)有的材料體系，只是把液態(tài)換成固態(tài)，在能量密度上不會有任何改善。”有電池從業(yè)者告訴36氪。
為了更好的性能，固態(tài)電池的正極材料普遍使用高鎳三元體系，而負極則分化為了硅負極和鋰金屬負極兩種路線。
國內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司多采取硅負極路線推進固態(tài)電池量產(chǎn)，而美國電池公司SES AI Corporation(以下稱SES)等則使用了鋰金屬負極量產(chǎn)半固態(tài)電池，或者說液態(tài)電池。
理論上來說，固態(tài)電池所宣稱的指標，都要依靠鋰金屬作為電池負極才能做到，但使用鋰金屬電池的難度要遠高于硅負極，目前沒有任何一家公司正在推進鋰金屬全固態(tài)電池的量產(chǎn)。
“硅負極突破到400Wh/kg以上很難，而鋰金屬負極輕松就可以做到。”SES創(chuàng)始人胡啟朝說，“我們的電解液確實摻了一些氧化物，但我們還屬于液態(tài)電池。”
液態(tài)的鋰金屬電池，與大眾想象的固態(tài)電池，只有電解液的差異，能量密度、循環(huán)壽命、倍率性能都是理想中的樣子。
而使用硅負極，受限于材料本身，即便量產(chǎn)了全固態(tài)電池，能量密度也不可能達到500Wh/kg。有電池研發(fā)人員分析道，“寧德時代2015年就開始做鋰金屬，這是一條很重要的技術(shù)路線。”
不過，鋰金屬液態(tài)電池似乎比硅負極的固態(tài)電池進展更快，SES已經(jīng)進入B樣階段，胡啟朝說，“我們計劃25年6月份進入C樣，也就是小試裝車。”
因此，如果只是追求性能的極限，最關(guān)鍵的不只是固態(tài)電解質(zhì)，而是更高能量的正負極。在如今各種技術(shù)路線百家爭鳴之下，究竟哪種電池會率先到來，會更貼合當時的實際需求，還需要時間去驗證。
02.固態(tài)電池的“可望難可即”
在液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上，中國已經(jīng)取得了絕對優(yōu)勢，中國的動力電池產(chǎn)量接近全球的70%，全球前十家動力電池生產(chǎn)商有六家來自中國。但固態(tài)電池技術(shù)上，中國公司已經(jīng)落后。
豐田關(guān)于固態(tài)電池的專利超過1300項。而截止2023年10月，中國單個公司有關(guān)固態(tài)電池的專利，最高也沒到100項。
我們不能忽視固態(tài)電池的前期突破。在中國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺成立儀式上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出，固態(tài)電池替代液態(tài)電池1%就是預警。大概2016年，新能源汽車市場占有率達到1%，全球就開始向電動汽車轉(zhuǎn)向，對于汽車技術(shù)而言，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義。
電池技術(shù)的發(fā)展大概以三十年為一個周期。最早從1870年的鉛酸電池、1900年的鉻鎳電池、1930年的堿性鋅錳電池，以及1960年的鎳氫電池，再到1990年鋰離子電池，都是如此。
2020年以來，電池技術(shù)已經(jīng)進入了一個新的換代周期，我們必須要承認，固態(tài)電池確實在加速到來，我們已經(jīng)可以遙望。
一方面，但隨著科學技術(shù)的發(fā)展，許多既有的學科領(lǐng)域已經(jīng)被徹底改變，材料科學的研發(fā)范式正在被AI所沖擊。
以前，電池配方的研發(fā)需要將已知的元素用不同的方式進行排列組合，只能通過大水漫灌的方式，用規(guī)模性實驗來找到一種成功的方法。
日本豐田在過去30多年已嘗試了數(shù)萬種電解質(zhì)應用到電池中，這才造就了固態(tài)電池專利第一的存在。
而當下，“使用無人實驗室全套機器人，再加上AI，短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了220萬個可能的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，和40多萬個材料合成。”歐陽明高說。
“24小時的黑燈實驗室與大算力平臺的加持會大大加速動力電池的開發(fā)過程。這會對2030左右實現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性。”
另一方面，電池上車最需要克服的數(shù)據(jù)問題，也正被深度學習的手段解決。
胡啟朝告訴36氪，一款基于全新材料體系的電芯，最難的問題其實是各種場景下，電芯運營中的安全控制問題。
而深度學習軟件的出現(xiàn)，可以通過做少數(shù)實驗來推理出電芯在各種場景下的運營數(shù)據(jù)。這就像特斯拉使用道路數(shù)據(jù)來訓練自動駕駛算法一樣，改變原本的不可能。
胡啟朝也直言：“假設(shè)今天沒有相應的軟件，我們的鋰金屬電池離上車、上飛行器還是有很大距離。”
在人工智能的加持下，固態(tài)電池正加速進入到商業(yè)化進程，在汽車上率先應用的場景可能在混動動力車型。武漢大學教授艾新平認為，固態(tài)電池突破1%替代率的機會就在混動車上。
混動汽車需要高功率電池，溫度較高，豐田在HEV上堅持鎳氫電池，就是為了避免鋰離子電池高溫功率衰減的問題，而且混動車帶電量小，可以承擔成本壓力。
不過，就當下時點來看，固態(tài)電池的量產(chǎn)進度并不明確，除了QuantumScape宣布其A樣產(chǎn)品通過大眾子公司的耐久性測試以外，幾乎沒有公司再公布固態(tài)電池的具體進展。
因此也要看到的是，真正的量產(chǎn)宣傳不應該空談目標，不談實際進展。固態(tài)電池的研發(fā)進程雖然在加快，但離真正的大規(guī)模商用還是很遠。
遲峰（化名）在固態(tài)電池領(lǐng)域浸淫多年，他對36氪說，90年代固態(tài)電池就已經(jīng)做出來了，各方面性能都碾壓液態(tài)電池，但到現(xiàn)在三十年都沒量產(chǎn)。“這還不能說明難度嗎？”
舉個例子，保證電解質(zhì)和正負極之間的良好接觸對電池性能至關(guān)重要，這保證了鋰離子的傳播效率，“接觸不良”會導致電阻增加、能量損失或者電池壽命縮短。
傳統(tǒng)的液態(tài)電池中，電解液與正負極之間的接觸可以看做是液態(tài)的水和固態(tài)的紙張接觸，電解液的“浸潤性”會讓兩種材料無縫貼合。而固態(tài)電池是固態(tài)電解質(zhì)，這個時候就變成了兩張固態(tài)的紙需要無縫貼合在一起。
要知道，在電池充放電的過程中，正負極會隨著循環(huán)而膨脹和收縮，因此，固態(tài)電解質(zhì)這張白紙，需要時刻無縫貼合一張會伸縮的紙（正負極），難度倍增。
遲峰對此很感慨，固態(tài)電池的規(guī)模商用，可能十年內(nèi)都很難看到，像這樣的界面問題，“解決不了就是解決不了。”
“我們在實驗室做的都是小電芯，5Ah電芯能達成的性能，放大到50Ah、150Ah，很多時候連做不都做不出來，更別說去解決問題了。”
當然，技術(shù)進步并未停滯，就像前文所說的人工智能在電池領(lǐng)域的應用，時間越往后推移，就會有越多的材料和技術(shù)用在固態(tài)電池研發(fā)上。
把時間拉回到十年前，我們或許也不會相信液態(tài)電池的價格能如此便宜，能量密度可以提升到支撐一輛車跑700公里。
任何一種新技術(shù)的出現(xiàn)與規(guī)?；瘧茫荚诮鉀Q原本“不可能”的問題，固態(tài)電池同樣如此。新的機會已經(jīng)出現(xiàn)，各個公司也都厲兵秣馬，準備上陣廝殺。
即便固態(tài)電池量產(chǎn)有距離，但沒有一家公司不想成為下一個寧德時代。
原標題：固態(tài)電池，薛定諤的顛覆者
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