當續航 1000KM 成為硬指標，鋰電池技術何去何從？
時間:2021-03-08 17:21來源:雷鋒網新智駕 作者:大壯旅
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造車熱背后，電池革命也時常被人所提及。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的美國固態電池新創公司宣稱：“我們的新型電池不但能讓電動車續航翻倍、15分鐘完成充電工作，甚至還比現有的鋰電池更為安全。”
三個月后，大洋彼岸的中國，蔚來則在NIODay上發布了一款續航超1000km的車型。他們號稱會配備固態電池技術，2022年第四季度正式開賣。
或許，QuantumScape和蔚來真可憑借固態電池帶來一次真正的技術革命，但在實現這一目標之前，尚需瓦解鋰電池建立的幾十年的統治地位。
1
電池革命為何遲遲不來？鋰電池為何能夠統治業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方程式尚未出現。
“自18 世紀以來，電池的基本概念從未發生改變。”悉尼大學化學家、Gelion Technology的創始主席 Thomas Maschmeyer教授說道。
所有電池的主要構件無外乎三個：正極、負極、電解質（起催化劑作用）。
在上述三大元素不可改變的大前提下，如果業界想要實現革命性的技術突破，就必須對電池的化學成分做出調整。
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、研發超越鋰電池能量密度的新型電池，比如固態電池、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，改變電池化學成分說起來容易做起來難，解決一個問題的同時可能會帶來多個新問題。
最主要的原因是電池在化學反應中會產生能量。
以常見的鋰離子電池為例，它們會用到石墨負極和金屬氧化物正極（通常是鈷、鎳、錳、鐵或鋁），而電解液則是有機溶劑中的鋰鹽。
當鋰離子電池通電時，負極與電解液中的鋰發生反應，產生電子積聚在負極周圍，正極發生化學反應后就會吸引這些電子，產生電子流。
這一過程被稱為還原—氧化過程。（也就是化學課上學的“氧化還原”反應。）
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方向工作。
但在充電電池上，電子流的運動過程就變成可逆的了。也就是說，在正極和負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物質。
鋰離子電池之上，氧化還原反應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，實現數千次循環。
可惜的是，這世上萬事皆有缺憾：充放電循環會產生微小的金屬晶須（被稱為樹突），這些晶須會穿過電解液，縮短電池壽命。
在極少數情況下，鋰離子電池還會起火（想想當年出現燃損事故的 Note 7）。
那么，如果換種成分，將鋰換成鎂呢？后者更容易開采，而且能夠達到類似的能量密度。
事實證明：鎂離子電池理論沒問題，實踐一團糟。
對鋰有效的化學反應對鎂不起作用，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散并穩定在石墨負極內，但鎂不行。
它不但無法穩定在負極之內，鎂還會在負極發生反應，形成固體電解質界面膜（SEI），進一步阻礙鎂離子在電極和電解液之間的擴散。一旦這層界面膜出現，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成分都能實現充放電功能，但做得都不夠完美。
顯然，擴散能力弱意味著鎂離子電池無法儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實現了高能量密度，但在穩定性方面存在問題。
至于鈉，雖然它是地球上儲量最為豐富的化學元素，但鈉離子電池能量密度很低，根本無法用于消費電子產品或電動車。
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。
這項技術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鋰離子電池的5倍。
不過，鋰硫電池也不完美，因為鋰和硫會發生化學反應，產生多硫化鋰。這種物質的溶解度很高，能擴散到電解液中并穿過分隔正極和負極的隔膜。
多硫化鋰可不是人們想要的氧化還原反應，因為它會覆蓋負極并使其鈍化，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化落地的變通方法。
2
當所有研究人員都一籌莫展、難尋進步通道時，固態電池登場了。
何為固態電池？它拋棄了傳統電解液，轉而使用固態電解質，而新的電解質則是固態電池的核心。
除了能夠做好自己的本職工作，固態電解質還能一并扮演隔膜的角色。
固態電池正極材料選擇上，高電壓型電極材料就可勝任；至于負極，則可用到鋰金屬，以實現能量密度的大飛躍。
固態電池事實上并非新鮮事物，其研發進程開始于上世紀五十年代，最近幾年因為電池革命需要被迫走上前臺。
相比于傳統鋰電池，固態電池有幾大優勢：
一、安全性更好；二、體型更加輕薄；三、能量密度更高；四、生產制造難度更低。
通常，動力電池系統需要先生產單體，單體封裝完成后將單體之間進行串聯組裝。若先在單體內部進行串聯，則會導致正負極短路與自放電。
固態電池電芯內部不含液體，可實現先串并聯后組裝，減少了組裝殼體用料，封裝設計得以大幅簡化。
從理論上來講，量產電動車中最強的21700NCA三元鋰電池電芯（特斯拉使用），其能量密度也只有251Wh/kg。
業內人士認為，300Wh/kg將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。
至于固態電池，其能量密度有望達到400-1000WH/kg，這可大大緩解電動車用戶的里程焦慮。
此外，它的應用還能拉低電池組甚至整車的成本。
由于固態電池已經沒有燃燒或爆炸之憂，BMS 等溫控組件（這也是特斯拉的強項）可以徹底退役，無隔膜設計還能進一步為電池系統減負。
利好無數，但固態電池想從實驗室量產上車可不簡單。
眼下，固態電池仍存不少問題，譬如離子電導率低、高界面阻抗等。
此外，即使解決了材料問題，電池標準化制造等問題也會凸顯出來。
當年的鋰離子技術比較幸運，它在CD機替代卡帶時誕生，而存儲介質的轉換讓不少索尼的薄膜工廠閑置了下來。
當日本人意識到這些薄膜工廠能助鋰電池一臂之力時，原本過時的產能又被重新激活。
也就是說，鋰電池誕生之初，就已經做好了規模化量產的準備。
相比之下，固態電池的情況大不一樣。
“這是完完全全地打掉重來，量產之前必須放棄過去30多年所建成的電池工廠和技術，因為固態電池與此前的技術儲備毫不兼容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。
與此同時，今天鋰離子電池的普及經過了三十多年的量產迭代才能出現。
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，價格降到了3美元，容量也躍升至1900mAh。
今天，此類電池已經有了超過3000mAh的容量，而且成本還在持續下降。
“沒有人會與性價比過不去，鋰離子電池至少還能統治整個行業10年時間。”某電池專家認為。
電池行業發展與成本息息相關，而成本與規模更是緊密相連。鋰離子電池在擁有如此良好開局的情況下，依然花了15年時間才從高度專業化的產品進化成大眾市場產品。
對于那些號稱要在幾年內徹底顛覆整個電池行業的新技術，不少人仍然持懷疑態度。
從股價上，我們也能看出一些端倪。
作為固態電池界的明星公司，QuantumScape手握200多項固態電池專利，市值曾一度沖高至500億美元，但從去年年底到現在已經跌掉了一大半。
有人指出，雖然QuantumScape技術不錯，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室。
在研究了公開的技術文件后，不少人認為QuantumScape也許最終能將固態電池推向市場，但恐怕很難滿足車用要求，而且價格會非常昂貴。
眼下，業界普遍認為，固態電池真正落地時間會在2025-2030年之間。
事實上，目前已有不少巨頭或多或少投資了一些固態電池新創公司。
福特、寶馬與現代就聯合投資了名為Solid Power的新創公司，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倍的新產品（不過該項目依然在用電解液）。
通用方面，不但拿到了美國能源部的200萬美元獎勵，還攜手LG化學投資2億美元繼續開發固態鋰電池，為旗下雪佛蘭Bolt電動車提供彈藥。
與福特建立同盟關系的大眾則向美國固態電池新創公司QuantumScape投資3億美元，不過它們的生產線2024年才能建成（1gWh），而2026年第二座工廠才會成型（20gWh），至于大規模量產要到2028年了。
相比之下，豐田走得最快，它們此前準備趁著東京奧運會發布一款搭載固態電池的電動車（已跳票）。不過，量產恐怕要再等五六年。
除此之外，豐田還聯合本田、日產與松下組建了一個日本固態電池研發聯盟，預計2030年能將電動車續航做到500英里（約合804千米）。
有趣的是，松下曾表示固態電池未來十年內都難以投入商用。
也許，在固態電池來臨之前，鋰電池可能還會統治業界一段時間。比如昨天小鵬又最新發布了他們基于磷酸鐵鋰電池版本的P7及G3。
3
理論與實踐有時候不太同頻。
假設固態電池真的能夠快速落地，實現了某些廠商聲稱的1000KM續航，關于電動車，人們還會有其它焦慮嗎？
當然有，而且還不少。
譬如充電速度、充電站建設，充電站背后的電網設施等等。
英國華威大學的David Greenwood教授表示，電動汽車的成功取決于無處不在的充電網絡和更快的充電速度。
先看快充技術，這里首先還得明確試驗室技術與商用技術之間的差別，因為真正裝車后的產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，而它們對任何技術而言都是巨大的挑戰。
另外，隨著電動車保有量的不斷增加，以及電動車商用化的深入，快充網絡將變得越來越重要。
作為年發電量占到全球四分之一的發電超級大國，電能倒不會成為制約中國電動車發展的瓶頸，其真正挑戰在于配電設施、布線和變電站等。
“從技術角度來看，已經有不少公司拿出了實驗室技術，但如何大規模工業化是個大問題，而按照以往經驗，這個過程至少需要5-8年。”某從業人士談到。
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