文|鏡觀臺 惠鵬權(quán)
編輯||叢潤宇
關(guān)于固態(tài)電池，一個共識是，它將取代目前主流的液態(tài)鋰離子電池，成為新能源汽車的“下一站”。
然而，對于固態(tài)電池什么時(shí)候量產(chǎn)搭車的問題，則眾說紛紜。
智己汽車CEO劉濤在近期智己L6的新品發(fā)布會上表示，第一代光年固態(tài)電池今年年內(nèi)會真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上市。廣汽埃安認(rèn)為它的全固態(tài)電池預(yù)計(jì)在2026年量產(chǎn)上車。
海外市場方面，豐田計(jì)劃2027年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池裝車；韓國SKOn正在開發(fā)高分子氧化物復(fù)合和硫化物兩種固態(tài)電池，目標(biāo)是到2026年生產(chǎn)出原型產(chǎn)品，2028年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；三星SDI正在開發(fā)一種沒有負(fù)極的固態(tài)電池，預(yù)計(jì)將于2027年量產(chǎn)。
固態(tài)電池的消息滿天飛，動力電池的霸主寧德時(shí)代也不得不出來發(fā)聲。寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱表示，全固態(tài)電池的成熟度指標(biāo)，若用1-9數(shù)字表示，寧德時(shí)代目前的成熟度在4的水平，目標(biāo)到2027年到7-8的水平。
簡言之，寧德時(shí)代的固態(tài)電池離量產(chǎn)還尚早。
在全固態(tài)電池研發(fā)方面已有十多年的積累，且有近千人研發(fā)團(tuán)隊(duì)的寧德時(shí)代尚且如此，近一兩年量產(chǎn)，甚至宣稱已經(jīng)搭載上車的固態(tài)電池，其成色問題就值得商榷了。
01 固態(tài)電池雖好，經(jīng)不起“惡搞”
新能源汽車行業(yè)發(fā)展離不開動力電池，目前的動力電池?zé)o論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰，雖然在整車安全、續(xù)航里程等方面還在進(jìn)步，但一定程度上在技術(shù)上已經(jīng)很難有大的突破了。
隨著鋰離子電池成本優(yōu)化接近極限，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正迫切尋求技術(shù)革新以突破現(xiàn)有瓶頸。固態(tài)電池作為下一代電池技術(shù)的明星產(chǎn)品，憑借其在安全、能量密度及循環(huán)壽命方面的顯著優(yōu)勢，被視為推動電動汽車發(fā)展的新引擎。
所謂固態(tài)電池，顧名思義，是和液態(tài)電池相對應(yīng)的，是一種使用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池。
目前市面上主要的鋰離子電池內(nèi)置是含有液態(tài)電解質(zhì)的。傳統(tǒng)液態(tài)電池由正極、負(fù)極、電解液、隔膜四大部分組成。固態(tài)電池用固態(tài)電解質(zhì)替換傳統(tǒng)液態(tài)電解液和隔膜。
固態(tài)電池的核心特征就在于使用固態(tài)電解質(zhì)，這也是實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池高能量密度、高循環(huán)穩(wěn)定性、高安全性的關(guān)鍵。
其工作機(jī)理與傳統(tǒng)鋰電池一致，依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間往返移動，進(jìn)行化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換與儲存。
根據(jù)液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步下降，固態(tài)電池發(fā)展路徑可分為：半固態(tài)電池、準(zhǔn)固態(tài)電池和全固態(tài)電池。
這也就給了一些車企在宣傳上提供了“便利”，第一家、第一款、第一代的修飾語層出不窮。騰勢汽車總經(jīng)理兼首席共創(chuàng)官趙長江也忍不住在微博吐槽“就是在玩文字游戲”。
中科院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高也認(rèn)為，中國在全固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)，目前來看認(rèn)識還不統(tǒng)一。顯然，過度炒作對固態(tài)電池的發(fā)展極為不利。
事實(shí)上，作為全固態(tài)電池的過渡方案，半固態(tài)電池在性能上已大幅提升，安全性較好、能量密度較高、循環(huán)壽命更長、工作溫度范圍更寬、耐擠壓、耐震動等。
但從制造工藝來說，半固態(tài)電池基本可沿用現(xiàn)有液態(tài)電池的制造工藝，生產(chǎn)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全固態(tài)。
02 液態(tài)變固態(tài)，換“湯”也換“藥”
但液態(tài)電池要直接升級為固態(tài)電池，就需要“改頭換面”了。
如果把動力電池比作湯藥，那電解質(zhì)可以說是“湯”，正負(fù)電極和隔膜可說成是“藥”。從液態(tài)電池到固態(tài)電池，不光是把“湯”換了，液態(tài)電解質(zhì)變成固態(tài)，“藥”也逐步換了?；谀壳肮虘B(tài)電池的發(fā)展歷程，還可以將固態(tài)電池的發(fā)展分為三個階段：
第一階段：將傳統(tǒng)的電解液換成固態(tài)電解質(zhì)，正負(fù)極和傳統(tǒng)用的是一樣，均采用負(fù)極石墨和正極三元鋰或磷酸鐵鋰；
第二階段：更換負(fù)極材料，取消掉負(fù)極的石墨或硅，使用金屬鋰來提升能量密度；正極不變，采用磷酸鐵鋰或者三元材料。
第三階段：正負(fù)極都換，負(fù)極用金屬鋰，正極就可以換成不含鋰的高能量的材料。
如此來看，第一階段換的就是“湯”，第二三階段就是把“藥”也換掉了。
換“湯”比較好理解，固體電解質(zhì)相對于電解液，電化學(xué)范圍更廣（電壓更廣），電解質(zhì)不參與化學(xué)反應(yīng)，讓鋰離子通過。因此，可以選擇容量更大的正極材料，或者選擇電壓差更大的正負(fù)極材料，從而提高能量密度。
那為什么要把作為“藥”的正負(fù)極也更新?lián)Q代呢？
按照目前提高電池能量密度的手段，在正極端不斷地提高鎳的含量雖然可以提升電池能量密度，但是高鎳電池對電池的穩(wěn)定性要求具備更高的電池管理基礎(chǔ)。因此，三元鋰短期內(nèi)要突破一個量級還是有一定的挑戰(zhàn)。未來，可能也只有固態(tài)電池會將電池能量密度提升一個量級。
太藍(lán)新能源就在近日宣布成功制備出世界首塊車規(guī)級單體容量120Ah，實(shí)測能量密度達(dá)到720Wh/kg的超高能量密度體型化全固態(tài)鋰金屬電池。
作為對比，目前磷酸鐵鋰電池的能量密度為160-180wh/kg左右，三元鋰在150-250Wh/kg之間。
另外，固態(tài)電池憑借自身較高的機(jī)械強(qiáng)度在運(yùn)用的過程中可以抑制電池循環(huán)使用之中的鋰枝晶的刺穿，使鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用不再是夢想。
把電極換為金屬鋰，其比容高，電壓大，避免了液態(tài)電池用金屬鋰作負(fù)極會因多次充放電粉化、枝晶生長，導(dǎo)致循環(huán)性差，甚至枝晶刺穿薄膜，引起短路的風(fēng)險(xiǎn)。
03 固態(tài)想上位，至少還需20年？
這些顯然就是固態(tài)電池大受歡迎的原因所在。
高安全性一定是固態(tài)電池的首要優(yōu)勢。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，新能源汽車起火事故原因中，電池自燃占比31％。相較之下，固態(tài)電解質(zhì)不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)具有一定機(jī)械強(qiáng)度，安全性更好；半固態(tài)電解質(zhì)中液體占比也小于10%，可燃性大大降低。
五一假期發(fā)生的多起新能源車燃燒事件，更讓消費(fèi)者期待固態(tài)電池的到來。
同時(shí)，固態(tài)電池?fù)碛懈吣芰棵芏群洼^小體積。固態(tài)電池電化學(xué)窗口寬，能承受更高電壓（5V以上），材料選擇范圍廣。因此，可通過采用高比容量的正極、負(fù)極材料，使能量密度達(dá)到500Wh/kg甚至更高，遠(yuǎn)超液態(tài)350Wh/kg理論極限。
來源/鏡觀臺拍攝
而固態(tài)電解質(zhì)取代隔膜和電解液，正負(fù)極之間的距離可以縮短到只有幾到十幾個微米，從而大幅降低電池厚度。因此，同樣電量情況下，固態(tài)電池體積更小。
另外，固態(tài)電池還具備寬溫區(qū)運(yùn)行的優(yōu)勢。電動車在冬季續(xù)航里程之所以下滑明顯，主要在于液態(tài)電解質(zhì)在冬季低溫環(huán)境下流動性下降。而固態(tài)電解質(zhì)可以在-30℃至100℃的更廣泛溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
當(dāng)然，固態(tài)電池也并非完美無缺，目前來看還是有很多缺點(diǎn)存在的。
比如：與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的接觸面積較小，導(dǎo)致離子傳輸速度較慢，影響了電池的充電和放電效率；界面電阻太大，使得快充過程中的能量損耗增加，快充效率受限；固態(tài)電池的充放電循環(huán)次數(shù)有限，循環(huán)壽命較短；生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致其成本遠(yuǎn)高于液態(tài)電池。
這些顯然都是固態(tài)電池全面商業(yè)化必須面對的挑戰(zhàn)。
歐陽明高就表示，全固態(tài)電池是公認(rèn)的下一代電池的首選方案之一，也是下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點(diǎn)，但是也要注意防范激進(jìn)技術(shù)路線帶來的顛覆性風(fēng)險(xiǎn)。
“液態(tài)電池的應(yīng)用周期至少還有20年。固態(tài)電池要想替代液態(tài)鋰離子電池50%的市場份額，至少需要20至30年。”歐陽明高如是說。