電動車沒有新革命

來源：虎嗅網(wǎng) 2022-01-16 17:17:47

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“我們會成為下一個寧德時代”。一位固態(tài)電池企業(yè)研發(fā)負責人在與虎嗅交流時，對公司研發(fā)出固態(tài)電池后的場景作出暢想。行業(yè)設想中的固態(tài)電池，可以破除液態(tài)電池車的里程焦慮、充電焦慮、安全性等多方面的桎梏。

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“充放電上萬次不衰竭，電池的壽命可以比人的壽命還長，充滿電只要幾秒鐘，而且能量密度能到700Wh/kg”。固態(tài)電池，因遠超液態(tài)鋰電池的性能表現(xiàn)，被汽車、儲能等行業(yè)視為下一次產(chǎn)業(yè)革命的核心。

大眾汽車電芯中心負責人弗蘭克·布洛梅將固態(tài)電池描述為鋰離子等效電池的“終結者”，是可控核聚變實現(xiàn)之前，人類能源設備發(fā)展的終點。

從美國橡樹嶺國家實驗室、中科院到豐田汽車、寧德時代、松下以及Solid Power等創(chuàng)業(yè)公司，整個新能源產(chǎn)業(yè)最聰明的一群人，都在攻克這件事。

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“第一個造出來的人，就是新能源產(chǎn)業(yè)的普羅米休斯”，前述人士說。他認為自己在做一件偉大且市場潛力巨大的事情。這件事情的影響力相當于，煉出長生不老藥，然后用感冒藥的價格賣給所有人。“這很酷，沒有人會拒絕為這玩意兒買單”。

行業(yè)龍頭爭分奪秒，期望在下一次產(chǎn)業(yè)革命中拔得頭籌。一些公司重新給出了固態(tài)電池裝車的時間線，豐田認為是2030年，寧德時代給出的時間線在2025年左右，LG化學和QuantumScape的時間線在2024年。此外，寶馬、福特等車企均表示將在2025年前后推出搭載固態(tài)電池的原型車。

餅很大，看起來很香，但不是所有人都吃得下。一位投資人給這個夢想破了一盆冷水，“我們不會投資只做全固態(tài)電池的公司，那是在賭博”。

“蔚來發(fā)布150度電池之后，我們的投資人隔三岔五就問我們進度，我們想告訴投資人他們是在吹牛，但是也說不出口，我們只有十幾條測試線，電池充放電一次好幾個小時，測試一千次就得一兩個月，哪有這么快”，另一位固態(tài)電池公司內(nèi)部人士對虎嗅表示，類似的測試電池充放電壽命的產(chǎn)線，寧德時代有上千條。

“在我們看來，他們的技術路線是有問題的，而且他們在實驗室階段就燒了好幾次，他們內(nèi)部現(xiàn)在也很焦慮”，這位人士透露了他了解到的為蔚來汽車提供150度電池的某企業(yè)的研發(fā)現(xiàn)狀。

固態(tài)電池是L5級自動駕駛以外，汽車產(chǎn)業(yè)最大的一張餅。自動駕駛描述了一個將人類從出行的繁雜中解放出來的故事，固態(tài)電池的故事則改變了人類儲存能量的方式。二者都屬于“一勞永逸”的技術，但在實現(xiàn)難度上，比登月還高，至少人類已經(jīng)成功登月，而固態(tài)電池還停留在實驗室階段。

處于固態(tài)電池研發(fā)最前沿的那批科學家，互相熟知，甚至有些是師兄弟，他們時常彼此傳遞進展。其中的一位對虎嗅表達了悲觀的態(tài)度：“造不出來，或者說能造出來一個性能不太行的，汽車用不了”。

“固態(tài)電池裝車是我們的畢生夢想”。

為什么造不出來？

整個固態(tài)電池的發(fā)展史，由多數(shù)的失敗、妥協(xié)和少部分的堅持寫就。

2017年，美國電動車公司Fisker發(fā)布了一項剛完成申請的固態(tài)鋰電池專利：充電1分鐘，續(xù)航800公里。這個技術指標在現(xiàn)在依然是駭人聽聞的。

創(chuàng)始人Henrik Fisker在接受采訪時信誓旦旦地表示，固態(tài)鋰電池會在2023年量產(chǎn)，價格只有鋰電池的三分之一。2018年，Henrik Fisker表示，公司攻克了固態(tài)電池難題，最終設計將在數(shù)月內(nèi)公布。

但到了2021年，Henrik Fisker表示，已徹底放棄固態(tài)電池計劃。

“這是一種這樣的技術，當你覺得已經(jīng)完成了90%，幾乎達到目標時，然后你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多。因此現(xiàn)在，我們完全放棄了固態(tài)電池，因為真的無法落地?！盚enrik Fisker說，“我個人認為，不管是哪種形式的量產(chǎn)，固態(tài)電池都至少還需要7年?！?/p>

Fisker的“頭鐵”，導致了最終的失敗。在固態(tài)電池賽道，更多的創(chuàng)業(yè)者，選擇妥協(xié)。

做混合鋰金屬電池的公司SES創(chuàng)始人胡啟朝向虎嗅描述了另一個探索下一代電池技術路線的故事。

胡啟朝的導師在1996年至2012年都在做固態(tài)電池的研究工作。胡啟朝自己的博士論文，也是全固態(tài)電池研究。在2012年創(chuàng)業(yè)以后，他發(fā)現(xiàn)全固態(tài)的金屬電池仍存在諸多基礎問題，比如正負極界面抗阻、鋰離子導電率問題等。

這些問題讓固態(tài)電池的充放電性能及壽命大打折扣。

“做科研的人說話不會太絕對，但全固態(tài)電池很難做出來，我們遇到的問題是基礎性的化學問題，這類問題不是可以靠時間去解決的”，他說。

彼時，類似SES這樣的創(chuàng)業(yè)公司都選擇切換技術路線。原因很簡單，投資方可以允許創(chuàng)業(yè)公司去挑戰(zhàn)工藝難題，但基礎科學層面的問題，投資方無法接受。基于資方建議及自身發(fā)展考慮，胡啟朝最終選擇放棄固態(tài)電池路線，去做混合鋰金屬電池。

“可能需要十個愛因斯坦這樣的人物，而不是找十個成熟的科學家，才能解決這些基礎化學層面的問題，現(xiàn)在元素周期表上的東西都試了一遍，解決基礎問題等于在元素周期表上增加其他的元素”，前述人士對虎嗅表示，現(xiàn)有的化學體系無法突破固態(tài)電池的瓶頸。

在這樣的前提下，除了部分擁有少數(shù)關鍵專利的創(chuàng)業(yè)公司，其他多數(shù)創(chuàng)業(yè)公司都將固態(tài)電池的研發(fā)作為第二方案。而最根本的基礎化學問題研究，主要在科研機構和巨頭公司中進行。

囿于基礎化學瓶頸，固態(tài)電池研發(fā)機構在最基礎的技術路線上都沒有達成共識。

當前，固態(tài)電池的技術路線分為聚合物、硫化物及氧化物路線。其中，歐美企業(yè)側重于氧化物和聚合物技術路線；中國企業(yè)側重于氧化物技術路線；日韓偏重硫化物技術路線。

這三個技術路線都存在相應的技術難題。聚合物電解質(zhì)需要加熱到60℃才可以獲得足夠的導電率；氧化物電解質(zhì)中鋰離子的電導率比液態(tài)要低很多；硫化物電解質(zhì)中的鋰離子導電率跟液態(tài)相近但是易氧化產(chǎn)生有毒氣體。

除了電解質(zhì)難造外，固態(tài)電池的問題還包括循環(huán)性能差、固固界面的反應機理及機制問題，以及鋰負極的可充性等等。

當前，在業(yè)內(nèi)看來最有可能率先量產(chǎn)固態(tài)電池的企業(yè)是豐田汽車，豐田擁有全世界最多的固態(tài)電池專利，僅豐田一家的專利數(shù)量及質(zhì)量就遠超中國之和。

早在2017年12月，豐田就曾表示將在2020年初開始生產(chǎn)固態(tài)電池，但是在2019年，豐田研發(fā)部負責人寺重茂樹表示，豐田只會在東京奧運會技術展中推出一款使用固態(tài)電池供電的電動汽車，且在2030年之前不會銷售使用固態(tài)電池的車輛。

豐田此前展出的固態(tài)電池樣品

他說：“我們將生產(chǎn)配備固態(tài)電池的汽車，并在2020年展示該產(chǎn)品，但批量生產(chǎn)固態(tài)電池的時間將稍晚一些?！?/p>

但到了2022年，豐田的全固態(tài)電池車也遲遲沒有亮相。“豐田采用的技術路線是性能天花板最高的，但豐田也沒有解決硫化物容易產(chǎn)生有害氣體的問題”，前述人士對虎嗅表示。

除了豐田外，目前對外宣布固態(tài)電池研發(fā)進展的公司，也普遍遭受質(zhì)疑。“比如QuantumScape聲稱自己通過陶瓷材料解決了鋰枝晶問題，但從我們拿到的樣品中，這個解法又出現(xiàn)了新的問題，陶瓷的導電性是很差的”。

而國內(nèi)的贛鋒鋰業(yè)、輝能科技等公司，在此前也遇到固態(tài)電池的研發(fā)難題。其中，贛鋒鋰業(yè)在2020年業(yè)績說明會上曾宣布其研發(fā)的第二代固態(tài)電池能量密度超350Wh/kg，循環(huán)壽命接近400次。

但事實上，400次的循環(huán)壽命連國標的一半都沒達到，更不用提量產(chǎn)裝車。而清陶能源、輝能科技等固態(tài)電池企業(yè)的產(chǎn)品，在循環(huán)壽命或充放電性能上都存在較大的難題無法突破。

“這些問題看似差之毫厘，實際上失之千里，現(xiàn)在市面上的公司都是報喜不報憂，比如那些不敢公開自己體積數(shù)據(jù)的電池，體積上常常都是有問題的，看起來重量能量密度很好看，但是能量和功率除以提及，性能就很難看了，拿充放電性能說事的，又回答不了能量密度的問題”，前述人士表示。

“電池量產(chǎn)裝車是需要給出A、B、C三種樣品的，這些樣品需要一至兩年的時間去驗證可靠性才會裝車，如果一個企業(yè)說自己2025年之前可以裝車，那么目前肯定已經(jīng)完成了實驗室階段的研發(fā)工作，但據(jù)我了解，現(xiàn)在多數(shù)電池企業(yè)在實驗室中造出來的固態(tài)電池，性能還沒達到樣品的標準”。

“現(xiàn)在與之前最大的不同是，固態(tài)電池技術已經(jīng)取得了進步，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了阻礙其商業(yè)化的問題，這足以讓我們感到樂觀”，一位更加樂觀的人士認為，至少業(yè)內(nèi)已經(jīng)知曉固態(tài)電池面臨的困難，剩下的只要解決問題就行。

不過，這位人士并未告知虎嗅，解決問題需要多久。

造出來就用得起嗎？

制造出全固態(tài)電池這個“長生不老藥”只是第一步，汽車行業(yè)需要“長生不老藥”變成白菜價。

“我本科的時候，我的老師就告訴我，汽車制造的研發(fā)是最難的，航天、半導體這樣的領域看似技術壁壘高，但是他們可以不計成本去研發(fā)，汽車不行，成本和使用壽命至關重要”，一位固態(tài)電池研發(fā)工程師對虎嗅表示。

據(jù)該人士透露，目前部分頭部公司的固態(tài)電池產(chǎn)品已可以在手機、無人機等領域應用，但在汽車領域應用仍面臨諸多技術難題和工程問題。

首先是電池壽命。手機等3C產(chǎn)品對電池充放電壽命的要求約為600次，無人機則是200次，不考慮造價的情況下，現(xiàn)有的固態(tài)電池樣品可在性能上滿足使用要求。但在汽車領域，國標對動力電池的壽命要求是1000次以上。且僅達到國標的固態(tài)電池，是無法與充放電壽命超過3000次的鋰電池競爭的。

這其中還面臨如何將電池尺寸做大、集成的問題?！拔覀儸F(xiàn)在只能做出單片的樣品，但是最終做成電池組和電池包會面臨新的技術難點，就像搭積木一樣，你有一塊積木了，還需要繼續(xù)考慮怎么把積木搭成房子”。

另一點就是制造的難題。通常情況下，現(xiàn)有的鋰電池存在尺寸、材料的不同，但不同的電池產(chǎn)品生產(chǎn)線的共用率可以達到60%。全固態(tài)電池是一個新的體系，如何去設計一條自動化的固態(tài)電池生產(chǎn)線，是橫亙在所有人面前的難題。

以固態(tài)電池等下一代所采用的鋰金屬材料為例，該材料對空氣中的水分和氧化性分組極為敏感，反應產(chǎn)生的絕緣物體會直接影響成品的電化學性能。更嚴重的是，如果鋰金屬材料不慎與水接觸，會發(fā)生劇烈的產(chǎn)熱反應引發(fā)爆燃。

QuantumScape 的固態(tài)電池樣品，薄如紙

這使得鋰金屬對運輸、儲存和加工過程的操作工藝、設備及環(huán)境要求非常嚴格?！耙馑季褪牵虘B(tài)電池所需的材料需要在真空中制備，甚至在部分化學氣體中才能制備，且對溫度等條件的要求極高”。

而另一樣可以提升固態(tài)電池穩(wěn)定性的元素鉑，則一直被業(yè)內(nèi)認為是不適合大規(guī)模量產(chǎn)與應用的元素，因為成本過高。此外，富鋰正極等材料，雖然已成為業(yè)內(nèi)對技術路線的共識。但目前基本停留在，知道要用這個，不知道如何規(guī)模化的階段。

寧德時代創(chuàng)始人曾毓群也曾在接受采訪時表示，全固態(tài)電池所需的固態(tài)電解質(zhì)中離子擴散速度僅為電解液的十分之一，若要提升能量密度只能將固態(tài)顆粒納米化，這也是固態(tài)電池帶來的工藝難題。

這位人士透露，搭建一條這樣嚴苛的固態(tài)電池產(chǎn)線，是一個系統(tǒng)性工程，除了需要多制造環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設計，還需要設計新的制造設備。

對于豐田、寶馬等制造業(yè)巨頭而言，固態(tài)電池新生產(chǎn)線的研發(fā)或許可以如期實現(xiàn) ，但對于缺乏從頭開始制造關鍵零部件能力的初創(chuàng)企業(yè)而言，制造的關卡就是死穴。

這些因素，共同推高了固態(tài)電池的成本。

上世紀九十年代，美國橡樹嶺國家實驗室造出全固態(tài)薄膜電池的電解質(zhì)時，就有人測算過相關材料量產(chǎn)后的造價?！鞍茨壳耙惠v電動車的70度電算，足夠裝備一輛車的早期全固態(tài)薄膜電池造價超過4億美元”，前述人士說。

即便制造工藝改進后，全固態(tài)薄膜電池的造價依舊超過三元鋰電池數(shù)十倍。

“我們現(xiàn)在在實驗室環(huán)境中做的一小片樣品，就要好幾萬，最終的成品我們估算規(guī)模起來之后成本也在150-200萬元”，前述固態(tài)電池研發(fā)人員對虎嗅表示。

而目前裝備在主流消費市場電動車中的電池，最高成本也很少會超過 15 萬。

目前，汽車行業(yè)普遍認為，在固態(tài)電池量產(chǎn)后，汽車用的動力電池將會出現(xiàn)分化。高售價的豪華車型采用造價極高的固態(tài)電池，中低端車型采用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。

但這樣的設想也仍需固態(tài)電池實現(xiàn)降本，盡管這是一個剛性問題，只能通過燒錢解決。

“我們多久能達到大規(guī)模生產(chǎn)，只是投資多少的問題?！币晃幻拦煞治鰩熢硎?，“以芯片制造為例，大多數(shù)限制，包括那些曾經(jīng)被說成是技術上不可能的限制，都已經(jīng)通過增加資金來克服。最近電動汽車市場的增長意味著，現(xiàn)在可以分配更多的資金將固態(tài)電池推向市場?！?/p>

但再造一個顛覆性行業(yè)，所需的資金并不等同于研發(fā)一個新產(chǎn)品。2021年，豐田就表示，將固態(tài)電池領域持續(xù)投入135億美元資金，寶馬、福特等車企都選擇押注擁有少量專利的創(chuàng)業(yè)公司。而在國內(nèi)，在液態(tài)電池領域處于領先地位的寧德時代、比亞迪等企業(yè)也在持續(xù)投入。

這個過程存在運氣，沒人知道電池領域的愛因斯坦會在哪里，唯一的辦法是通過燒錢去提高成功的概率?！皼]人有十足的把握，也沒人想放棄，就繼續(xù)燒唄，固態(tài)電池的燒錢能力可不弱于航天”，一位投資人對虎嗅表示。

沒有固態(tài)電池，電動車也能發(fā)展

電池能量密度的提升不同于集成電路容量的增長模式，儲能電池的能量密度提升是臺階式的，當新的電池材料體系確定時，電池的理論能量密度就已經(jīng)確定。因此，只有發(fā)明出新的材料體系，電池能量密度的飛躍才有可能實現(xiàn)。

上一次電池材料體系的更替，是鋰電池出現(xiàn)并超越鉛酸電池。也正因為鋰電池應用，我們才得以告別“大哥大”，用上智能機。

但是，固態(tài)電池沒戲，電動車就不發(fā)展了嗎？當然不是。

目前，液態(tài)鋰電池的能量密度仍以每年約10%的速度提升。

2021年初，寧德時代中國區(qū)乘用車解決方案部總裁項延火就曾表示，寧德時代計劃通過對磷酸鐵鋰材料體系的設計與挖掘，將磷酸鐵鋰電池的能量密度提升至200Wh/kg-230Wh/kg。

此外，比亞迪也曾表示磷酸鐵鋰電池材料仍有提升空間，在單體能量密度上也會通過材料體系和工藝的優(yōu)化繼續(xù)提升。

工信部此前給出的動力電池性能提升指引

但從寧德時代的表態(tài)來看，磷酸鐵鋰電池未來能量密度的提升將更多從電芯結構入手。據(jù)項延火介紹，寧德時代目前正在開發(fā)第二代平臺化的CTP電池系統(tǒng)，計劃于2022年-2023年投放市場。

磷酸鐵鋰這條技術路線上，未來的終極解決方案或許是類似于寧德時代CTC（Cell To Pack，將電芯集成到電池包）技術的電芯結構。寧德時代預計于2025年在車輛上應用CTC技術。

簡單來說，這樣的思路還是非常粗暴，就是電池既然增長不多，那就想辦法在保證安全的前提下說往車里塞盡可能多的電池。

磷酸鐵鋰前途未卜，改進三元鋰電池材料成為另一條突圍路徑。當前，LG化學與寧德時代等廠商都在探索超高鎳三元鋰電池，四元電池及811電池就是這條技術路線的產(chǎn)物。通過提高三元鋰電池中鎳元素的比例，可以將電池能量密度進一步提升并降低原材料成本。

據(jù)一位接近寧德時代的人士測算，未來超高鎳電池能量密度有望到達350Wh/kg。但在鎳含量超過 90% 后，電池的熱穩(wěn)定性會迅速下降，同時容量保持率也開始下降。也就是安全性降低、更容易衰減。

當前，改善高鎳三元電池安全性的主要方式是提升其結構穩(wěn)定性。通過用鎂、鈦等元素摻雜和金屬氧化物的包覆以穩(wěn)定電池的層結構。但這個解決方案并不完美，摻雜和包覆用量多會很大程度降低材料的容量，過少就不能很好地穩(wěn)定材料的結構，因此無法從根本上解決高鎳三元材料的安全性問題。

在這樣的情況下，一個既能保持電芯能量密度又可兼顧安全性的過渡性方案出現(xiàn)了--固混電池。通過將電池中的電解液換成固態(tài)電解質(zhì)與電解液混合的狀態(tài)，可大幅提升電池的安全性。

據(jù)前述人士介紹，當電解液占整體電解質(zhì)的5%-10%時，動力電池的安全問題可基本解決。但如何提高固混電池的能量密度仍是個難題?！半娊庖旱拿芏冉咏拿芏龋虘B(tài)電解質(zhì)的密度比電解液大很多，如果在相同體積的電池中加入固態(tài)電解質(zhì)，電池的重量就會增加，同時意味著單位質(zhì)量的能量密度降低”，他說。

但如果鋰金屬材料可以順利應用，固混電池的能量密度問題就會迎刃而解。短期內(nèi)，液態(tài)鋰電池還未到達性能天花板。電動車技術只會在液體鋰電池到達天花板且固態(tài)電池沒辦法商業(yè)化時，才會陷入停滯。

革命性技術的發(fā)展不會一蹴而就。在固態(tài)電池量產(chǎn)以前，我們還會看到特斯拉的4680電池，寧德時代與LG的超高鎳電池。有人會將這樣的改進技術視為液態(tài)電池“回光返照”。但在10年前，液態(tài)電池的進步也是超出想象的。固態(tài)電池的設想能否實現(xiàn)，仍需要時間去解答。

“我們相信固態(tài)電池會被放進車里，這也是我們一直堅持到今天的原因”。

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