放出豪言的企業(yè)不少，但真正的固態(tài)電池何時能量產(chǎn)，依然是個迷。

誰也沒想到，全球動力電池最難啃的骨頭--固態(tài)電池，打響其第一槍的是中國企業(yè)。

2022年1月22日，東風(fēng)方面宣稱，首批50輛東風(fēng)風(fēng)神E70固態(tài)電池車在江西新余完成交付。

東風(fēng)公司在宣傳稿中聲稱，這批固態(tài)電池車是全球首個固態(tài)電池車示范運營項目，率先打響了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化第一槍。

該固態(tài)電池由東風(fēng)與贛鋒鋰業(yè)合作開發(fā)，“高比能，采用全球領(lǐng)先的固態(tài)柔性隔膜技術(shù)，單體通過穿刺等嚴(yán)苛測試，放電溫度高達(dá)60℃、熱箱180℃無異常，電芯安全優(yōu)勢突出”。

對于這次合作，有投資者在深交所互動易中評價：

相比4680，貴公司固態(tài)電池的參數(shù)太難看，完全不像同一時代的產(chǎn)物。

贛鋒鋰業(yè)董秘回答是：感謝您對公司的關(guān)注和建議。

還有投資者逼問贛鋒鋰業(yè)：請問貴公司的固態(tài)電池是純固態(tài)電池還是固液混合電池？

贛鋒鋰業(yè)只能承認(rèn)：東風(fēng)E70裝車的電池，是半固態(tài)電池。

參數(shù)不會撒謊，因為這是上路檢驗一查便知的事情。

首先，E70固態(tài)電池公布的能量密度是235—280Wh/kg，與國際上公布的低值400 Wh/kg相去甚遠(yuǎn)。

另外，這款電池，最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)--電解質(zhì)，并非全固態(tài)，因此只能算固液混合鋰離子電池。

東風(fēng)不是第一家放下豪言的企業(yè)。

早在2021年初，蔚來就聲稱全新研發(fā)的固態(tài)電池將搭載在2022年發(fā)布的ET7上。

股價跳漲之后，蔚來方面又改口稱，在NIO Day上介紹的固態(tài)電池，準(zhǔn)確地說，是半固態(tài)電池。

資料顯示，該款固態(tài)電池是90％固態(tài)＋10％液體電解質(zhì)的半固態(tài)電池。

固態(tài)電池：動力電池的完美解決方案？

為什么這么多企業(yè)都宣稱自己掌握了固態(tài)電池？

一切需要回到原點：目前通用的動力電池怎么來的？什么是固態(tài)電池？

目前通用的鋰離子電池的研發(fā)過程，可以追溯到上世紀(jì)70年代。

1972年，法國科學(xué)家Armand首次提出在石墨電極中的陽離子，會在層狀物質(zhì)的晶體中嵌入和遷出（又稱跎纖）活動，基于這個現(xiàn)象，Armand將其應(yīng)用于使用固態(tài)電解質(zhì)的電池中。

這是有關(guān)固態(tài)電池的第一次報道。

70年代末期，Armand又全面討論了插層材料的物理化學(xué)性質(zhì)，提出了一種新穎的可充電電池設(shè)計，即“搖椅電池”。

“搖椅電池”是指，鋰電池的充放電不是通過傳統(tǒng)的方式實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層狀物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量轉(zhuǎn)化。

在正常充放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此從充放電反應(yīng)來講，鋰離子電池是一種可逆電池。

在充放電時，鋰離子在電池正、負(fù)極往返出入，很像搖椅一樣在正負(fù)極間搖來搖去，故有人將此形象地稱為“搖椅電池”。

不管液態(tài)還是固態(tài)鋰離子電池，“搖椅理論”是目前動力電池工作的基本原理。不過，鋰離子在液體和固態(tài)電池的兩極中嵌入和脫嵌過程稍有不同：

在液態(tài)電池中，鋰離子由一極向另一極移動，通過電解液，穿過隔膜后，插入或嵌入另一極；

在固態(tài)電池中，鋰離子由一極向另一極移動，直接穿過固態(tài)電解質(zhì)，嵌入或插入另一極。

結(jié)合電池充放電場景，液態(tài)鋰離子電池中，陽極和陰極由隔膜隔開。隨著電池充電，鋰離子離開陰極，通過液體電解質(zhì)，穿過隔膜孔，到達(dá)陽極；電子通過外部連接從陰極流向陽極，儲存電能。

在放電過程中，鋰離子從陽極流向陰極，電子通過外部連接從陽極流向陰極，從而產(chǎn)生電能。在固態(tài)電池中，固體電解質(zhì)將陽極和陰極物理分離，無需使用隔板。

液態(tài)鋰離子電池和固態(tài)鋰離子電池只有一個區(qū)別：電解質(zhì)是固態(tài)還是液態(tài)。

“電解質(zhì)是根本區(qū)別，有液體電解質(zhì)就不算固態(tài)電池?！眹鴥?nèi)一家居于領(lǐng)先位置的電池研究項目負(fù)責(zé)人介紹，兩者原理是相同的，都是搖椅理論。

不過在他看來，兩者有諸多不同。比如雖然傳遞能量的機制相同，但傳遞能量的物質(zhì)不同；兩者本質(zhì)結(jié)構(gòu)相同，但微觀層面相差太遠(yuǎn)，液態(tài)電池每個結(jié)構(gòu)浸潤液態(tài)，結(jié)構(gòu)追求疏松，而固態(tài)電池強調(diào)致密性，又脆又硬。

兩者的優(yōu)勢和劣勢非常明顯。

目前市場上成熟的液態(tài)電池，產(chǎn)業(yè)化高度成熟，但電解液導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差，偶爾會發(fā)熱甚至燃燒爆炸，質(zhì)量占比大拉低能量密度，因此基本到了能量密度上限。

這些都是液態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致的，也是液態(tài)電池最大的局限。

理論上的固態(tài)電解質(zhì)，首先解決了安全方面問題。由于采用了固態(tài)電解質(zhì)，電池燃燒起火的可能性非常低，電池運行穩(wěn)定。

由于采用了固態(tài)電解質(zhì)，提升了鋰電池的循環(huán)次數(shù)，延長了使用壽命。還有，固態(tài)電解質(zhì)能量密度能夠突破目前液態(tài)鋰電池的上限，300到400Wh／kg是基本下限。

優(yōu)勢明顯的同時，固態(tài)鋰離子電池需要突破的技術(shù)難題也不少。

全球全固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)，多處于實驗室狀態(tài)，主要分為三個路線：

第一，聚合物固態(tài)電池。這是一條研發(fā)最早最成熟的路線。這條路線與現(xiàn)有電池工藝通用率較高，便于量產(chǎn)。因此，技術(shù)切換成本低。但是，這條路線生產(chǎn)的電池必須在高溫下工作，且耐受的電壓較低，能量密度較低，快充性能較差。

第二條路線是氧化物固態(tài)電池。它的優(yōu)勢是能夠做出來，且能在常溫下工作，但是材料脆，致密性較低。這就導(dǎo)致這條線路的電池產(chǎn)品，量產(chǎn)難度很大，能量密度較低。

最要命的是，氧化物固態(tài)電池的價格太高。上述負(fù)責(zé)人指出，氧化物固態(tài)電池成本應(yīng)該是目前成熟的液態(tài)動力電池的500到1000倍，“日本生產(chǎn)的一款氧化物固態(tài)電池，小拇指大小，就要50元。”

最后一條路線是硫化物固態(tài)電池。這種電池質(zhì)量較輕，理論上能量密度高，密度和柔性都適合量產(chǎn)。

不過，硫化物固態(tài)電池生產(chǎn)難度不小。

“味道太臭了，還要在零下60度的充氬空間內(nèi)生產(chǎn)?！鄙鲜鲐?fù)責(zé)人告訴《超源力》，按照這種生產(chǎn)環(huán)境計算，一小時的成本就要五六萬元，假若純?nèi)斯ぴ诖谁h(huán)境下生產(chǎn)的話，24小時只能生產(chǎn)1ah電池。

硫化物固態(tài)電池的原材料價格不高，但問題是，產(chǎn)品需要原材料提純，需要高純度的材料，這樣價格就隨之攀升。

“原材料其實不貴，但需要提純?！鄙鲜鲐?fù)責(zé)人指出，原材料提純需要高壓實現(xiàn)材料的致密化，國內(nèi)的工藝生產(chǎn)水平很難達(dá)到需要的純度。

總而言之，聚合物固態(tài)電池的難點在于控制聚合物成型的工藝方法；氧化物固態(tài)電池，歐洲人起步較早，未來落實可能還在歐洲；硫化物固態(tài)電池，因為涉及到提純工藝，提純后的材料被生產(chǎn)工藝相對領(lǐng)先的日本人掌控。

也正因為存在上述諸多的技術(shù)難題尚未突破，英國伏特（Britishvolt）首席技術(shù)官Allan Paterson 曾將固態(tài)電池稱為動力電池解決方案中的“圣杯”。

尚未拿下的“圣杯”

固態(tài)電池的不少優(yōu)勢，吸引了眾多企業(yè)和機構(gòu)投入兵力攻堅。

總部位于美國馬薩諸塞州的固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司 Factorial Energy 正是其中典型。

這家堅定的電動汽車固態(tài)電池的提供方，曾展示了被稱為業(yè)界迄今為止最大的固體電解質(zhì)電池 40 Ah電池。

但據(jù)相關(guān)報道，即使他們的實驗室花費數(shù)年做研發(fā)，仍在電動汽車固態(tài)電池技術(shù)商業(yè)化道路上艱難地前進(jìn)，許多技術(shù)仍處于研發(fā)階段，等待突破。

有人選擇“一條路走到黑”，有人則選擇撤退。

一些固態(tài)電池的開發(fā)人員無法突破技術(shù)難關(guān)，最后放棄了，最致命的例子便是美國電動汽車公司Fisker。

2017年，F(xiàn)isker發(fā)布一項固態(tài)鋰電池專利：充電1分鐘，續(xù)航800公里。這在當(dāng)時確是振奮人心的消息。

創(chuàng)始人Henrik Fisker當(dāng)時信心滿滿，預(yù)估固態(tài)鋰電池2023年量產(chǎn)，價格也會比液態(tài)鋰離子電池便宜三分之二。

但是，隨后的兩年，公司宣稱的搭載固態(tài)電池的跑車遲遲未能下線，公司只能推出液態(tài)電池電動車搪塞闖關(guān)。2021年，Henrik Fisker無奈承認(rèn)：他們已徹底放棄固態(tài)電池計劃。

“這是一種這樣的技術(shù)，當(dāng)你覺得已經(jīng)完成了90%，幾乎達(dá)到目標(biāo)時，然后你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多。”Henrik Fisker說，“我們完全放棄了固態(tài)電池，因為真的無法落地。我個人認(rèn)為，不管是哪種形式的量產(chǎn)，固態(tài)電池至少還需要7年。”

另一家公司也值得一提，它就是美國創(chuàng)業(yè)公司 QuantumScape。這家公司接受大眾等公司的投資，不差錢。

該公司的方法是在無陽極電池中使用固態(tài)陶瓷電解質(zhì)隔膜，其中鋰離子流過電池，在第一次充電時形成陽極。

通過這種方法，該公司正在試圖攻克超過400 Wh/kg的能量密度。

QuantumScape首席技術(shù)官Tim Holme指出，實現(xiàn)這種鋰金屬陽極的關(guān)鍵是固態(tài)隔膜。他們使用的是陶瓷隔板，可防止在電池循環(huán)過程中形成鋰枝晶，這種枝晶可能會導(dǎo)致電池短路，甚至燃燒爆炸。

Holme 說，這種電解質(zhì)必須很薄，并且能夠量產(chǎn)以便降低成本。他說，公司幾十年來一直在努力解決這個問題，未來的關(guān)鍵任務(wù)是改進(jìn)隔膜生產(chǎn)工藝，增加多層電池的層數(shù)，提高批量制造能力。

“這確實是一個艱巨的挑戰(zhàn)，很多挑戰(zhàn)?！盚olme的目標(biāo)是2024年實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模量產(chǎn)。

另一家美國固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司 Solid Power 采取了不同的方法。它正在同時開發(fā)具有鋰金屬和硅陽極的固態(tài)電池，這兩種電池的陽極都將使用硫化物電解質(zhì)。該公司已從寶馬、福特、現(xiàn)代和三星等企業(yè)籌集了 1.3 億美元。它的目標(biāo)是在 2026 年開始商業(yè)生產(chǎn)。

Solid Power首席技術(shù)官Josh Buettner-Garett指出，就能量密度而言，你永遠(yuǎn)無法擊敗鋰金屬，而且鋰的成本更低。但硅也很重要，因為它能在低溫下快速充放電。

然而，處理固體電解質(zhì)并非易事。

“硫化物材料的主要缺點是它對濕度敏感，因此需要在干燥的房間內(nèi)制造，并將其儲存在惰性氣體的環(huán)境中?！盉uettner-Garrett 說，一旦材料進(jìn)入電池堆，它的性能就會急劇下降。

更多突破在前面等著公司研發(fā)團隊：電池設(shè)計，低溫有效運行，粒徑、成分、孔隙率，電極厚度測試……

雖然全球大廠都在等著固態(tài)電池下鍋，但如上面幾家公司一樣，他們都相對審慎。

大眾、福特、寶馬等車企與包括寧德時代在內(nèi)的電池企業(yè)都認(rèn)為，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化要到2025年才會開啟，乃至到2030年前液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池仍會是主流。手握大量固態(tài)電池專利的豐田，不斷推遲固態(tài)電池量產(chǎn)時間表：最新的消息已是2028年。

與眾多企業(yè)的積極投入相比，特斯拉老板馬斯克一直保持靜默，他正在忙著推銷他的液態(tài)電池“4680”：

能量提高5倍，續(xù)航里程提高16%，6倍充放電功率，每千瓦時成本下降14%，電池產(chǎn)線的速度提高7倍。這也是馬斯克的風(fēng)格：小步快跑，一直小步快跑。

也難怪固態(tài)電池企業(yè)Solid Power首席技術(shù)官Buettner-Garrett不無感慨地說：“消費者并不真正關(guān)心他們的電動汽車中的化學(xué)成分。”

事實上，不管在哪一個維度上，固態(tài)電池都超越了液態(tài)鋰離子電池，但商業(yè)化時間太久，2030年已是最樂觀的估計。

中國國內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)，與國外同行相比，除去難度相同外，偶爾出現(xiàn)前述企業(yè)的急匆匆“加戲”。

據(jù)國內(nèi)一家電池研發(fā)領(lǐng)先團隊負(fù)責(zé)人介紹，中國固態(tài)電池起步于中科院寧波材料所等14家單位發(fā)起的攻關(guān)。目前，中科院院士南策文、中科院院士陳立泉、中科院物理所研究員李泓、贛鋒鋰電的許曉雄等人所在的團隊研究進(jìn)展，值得關(guān)注。

2022年年初出現(xiàn)的新一輪固態(tài)電池?zé)幔谝幻顿Y人眼里是：企業(yè)要給車企講故事，每兩到三年給出一些樣品，給出一些小批量制造，讓車企測試裝車，然后吸引資本加大投入固態(tài)電池研發(fā)，推進(jìn)上市融資。

“先把彈藥（錢）準(zhǔn)備到位，然后再解決技術(shù)問題。”該投資人指出，國內(nèi)有些企業(yè)大致是這個思路。

上述投資人指出，國內(nèi)有些企業(yè)太急了，為了研發(fā)融資沒有錯，但同時要坐冷板凳才可能有技術(shù)突破，在研發(fā)上要學(xué)習(xí)古迪納夫（Goodenough）。

古迪納夫，諾貝爾獎得主，在鋰離子電池研發(fā)中作出重大貢獻(xiàn)。

面對鈷酸鋰結(jié)構(gòu)時間久了就會發(fā)生“崩塌”導(dǎo)致性能下降和鈷礦石太貴成本太高的局面，研發(fā)出鈷酸鋰電池的古迪納夫，75歲時發(fā)明出磷酸鐵鋰的鋰離子電池，震驚世界。

當(dāng)古迪納夫90歲時，他又做出了一個決定，研究全固態(tài)電池技術(shù)，現(xiàn)在每天堅持到實驗室參與研發(fā)。

“我們有些人就像是烏龜，走得慢，一路掙扎，到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道，他必須走下去?！惫诺霞{夫曾經(jīng)如此說。

參考文獻(xiàn)

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【4】《固態(tài)電池距離真正上車還需要多久？》，界面新聞

【5】《 國外固態(tài)電池的產(chǎn)品和產(chǎn)能規(guī)劃進(jìn)度 》，汽車電子設(shè)計

【6】《 半固態(tài)電池商業(yè)化元年將至！》，第一電動汽車網(wǎng)

【7】《全球首發(fā)！“鋰王之子”的固態(tài)電池量產(chǎn)裝車！》，維科網(wǎng)鋰電

【8】《電池革命：固態(tài)電池量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)？》，腦極體

【9】 From Solid-Solution Electrodes and the Rocking-Chair Concept to Today’s Batteries. Angew Chem Int Ed Engl 2019, DOI: 10.1002/anie.201913923

【10】《固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈全景圖》，旺材鋰電

【11 】《解決固態(tài)電池商業(yè)化的障礙之一 》，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會

【12】《固態(tài)電池是新能源汽車未來發(fā)展的另一道路？》，愛車兵團

【13】《資本持續(xù)加碼，半固態(tài)電池即將量產(chǎn)裝車》， 蓋世汽車社區(qū)

【14】 Solid-state batteries inch their way toward commercializationSmall battery makers hope to prove lithium-ion alternatives’ worth by first energizing internet of things devices C&EN

本文來自微信公眾號“超源力”（ID:diandongyihao），作者：悟能，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。