2017年，總部設(shè)在加州安納海姆的美國電動汽車公司Fisker發(fā)布了一項(xiàng)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。
2017年，總部設(shè)在加州安納海姆的美國電動汽車公司Fisker發(fā)布了一項(xiàng)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(gè)續(xù)航表現(xiàn)是特斯拉在2016年發(fā)布的Model 3約346公里續(xù)航的2.3倍。創(chuàng)始人Henrik Fisker在接受采訪時(shí)信誓旦旦地表示，固態(tài)鋰電池會在2023年量產(chǎn)，價(jià)格只有鋰電池的三分之一。
這不是Fisker公司第一次涉足固態(tài)電池領(lǐng)域，也不是Henrik Fisker第一次在公眾面前畫“固態(tài)電池”的餅。2018年，Henrik Fisker表示，公司攻克了固態(tài)電池難題，最終設(shè)計(jì)將在數(shù)月內(nèi)公布。2019年，搭載固態(tài)電池的Fisker跑車遲遲無法下線，公司只能推出搭載液態(tài)鋰離子電池的普通電動車來堵住愈發(fā)猛烈的批評聲。2021年，Henrik Fisker表示，已徹底放棄固態(tài)電池計(jì)劃。至此，F(xiàn)isker公司的全球固態(tài)電池最速量產(chǎn)夢，徹底宣告破碎。“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(shí)，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?yàn)檎娴臒o法落地?！盚enrik Fisker說，“我個(gè)人認(rèn)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。”作為液態(tài)鋰離子電池的替代者，固態(tài)電池的出現(xiàn)與發(fā)展具有歷史必然性。相比鋰離子電池，固態(tài)電池安全輕量、成本合理、支持快充，是下一代動力電池的最佳出路，是根除現(xiàn)有電動汽車?yán)m(xù)航里程頑疾的唯一處方，是電動汽車徹底干掉燃油車的鋒利殺手锏。2022年，中國智能電動汽車公司蔚來將在全新車型ET7上搭載容量為150度的固液混電池包，2022年也因此被劃定為“固態(tài)電池上車元年”。
是期貨畫餅，還是腳踏實(shí)地。是熱錢所向，還是黃粱一夢。答案，就寫在固態(tài)電池的電解質(zhì)里。
提起電動汽車，大部分人的第一反應(yīng)是：“腿”太短。
這里的“腿”短，并不暗諷電動汽車四個(gè)輪圈尺寸偏小，而是直截了當(dāng)?shù)刂赋霈F(xiàn)售電動汽車的續(xù)航里程普遍無法覆蓋一臺交通工具應(yīng)能支撐的行駛場景。續(xù)航大幅縮水、半路趴窩、冬天開電動車差點(diǎn)被凍僵等駕駛電動車出行時(shí)遇見的荒唐問題常見報(bào)端。電動汽車?yán)m(xù)航虛的缺點(diǎn)在寒冷天氣中被幾倍放大的同時(shí)，也降低了潛在消費(fèi)者對這種新能源形式的信任閾值。北汽新能源研究院副院長代康偉曾總結(jié)過電動車冬季續(xù)航衰減的三大因素：第一個(gè)困擾是電池本身。電池作為一個(gè)化學(xué)產(chǎn)品，一旦溫度低，內(nèi)部電解液會變得黏稠、鋰離子遷移速率變慢，導(dǎo)致電池活性降低，影響電池性能和容量。第二個(gè)困擾是空調(diào)系統(tǒng)。在燃油車?yán)铮照{(diào)系統(tǒng)依賴發(fā)動機(jī)余熱供暖。但電動車沒有發(fā)動機(jī)，依賴電池供暖，消耗巨大。第三個(gè)困擾是低溫導(dǎo)致傳動系阻力增加。冬天空氣密度和夏天空氣密度不一樣。冬天空氣密度增大，導(dǎo)致風(fēng)阻變大，電能消耗隨之暴增。從電動汽車誕生之日起便與之深度捆綁的“里程焦慮”并沒有因技術(shù)進(jìn)步發(fā)生太多改變。究其原因，是電動汽車的心臟——?jiǎng)恿﹄姵刂两駴]有顛覆性創(chuàng)新出現(xiàn)。1881年，全球第一臺電動車呱呱墜地，42歲的法國電氣工程師古斯塔夫·特魯夫（Gustave Trouvé）在巴黎國際電力科技展上首次展示了它，驅(qū)動其前行的是笨重龐大且危險(xiǎn)的鉛酸電池。1997年，日后稱霸全球的混合動力汽車——第一代豐田普銳斯量產(chǎn)交付，它使用的是由日本松下制造，重量53.3公斤的鎳氫電池組。但在普銳斯席卷全球前，日本索尼公司在1991年成功生產(chǎn)出全球首款商用鋰離子電池。高能量密度和快充友好兩大特性，讓鋰離子電池在消費(fèi)電子領(lǐng)域坐上一飛沖天的噴射器。2008年，特斯拉將鋰離子電池裝載在了徹底顛覆百年汽車行業(yè)格局的跑車Roadster上，一段屬于鋰離子電池的汽車神話故事就此寫下開篇。
至今，鋰離子電池已完成三次技術(shù)代際轉(zhuǎn)換：鈷酸鋰正極是第一代，錳酸鋰和磷酸鐵鋰是第二代，三元鋰是第三代。三代鋰離子電池均由四大部分組成：正極、負(fù)極、電解液與隔膜。
磷酸鐵鋰和三元鋰是各大汽車公司最偏愛的主流配方，前者價(jià)格低，穩(wěn)定安全，但能量密度低且低溫性能差。后者能量密度高，支持快充，但價(jià)格高且熱穩(wěn)定性差。但無論是磷酸鐵鋰和三元鋰，都將很快面臨兩大天花板：能量密度與安全問題。首先，當(dāng)前液態(tài)鋰離子電池的能量密度極限約為280Wh/kg。即便向負(fù)極引入硅基合金，也很難突破400Wh/kg的密度上限。工信部在《中國制造 2025》中指出：“到2025年、2030年，我國動力電池單體能量密度分別需達(dá)到400Wh/kg、500Wh/kg?！?/span>
邁不過能量密度門檻意味著拿不到與能量密度高度掛鉤的新能源補(bǔ)貼，這足以讓普通圈層消費(fèi)者對電動汽車瞬間“下頭”。其次，液態(tài)鋰離子電池中具備高度可燃性的液態(tài)有機(jī)電解液被普遍認(rèn)為是隱藏在電動車自燃事故頻發(fā)背后的第一元兇。2019年國家市場監(jiān)督管理總局召回的3.3萬臺新能源汽車。因動力電池問題而召回?cái)?shù)量為6,217臺，占新能源汽車總召回量的18.7%。2020年全年新能源汽車召回35.7萬臺，其中因三電系統(tǒng)缺陷召回11.2萬臺，占新能源汽車召回總數(shù)量的31.3%。
在中國電動汽車百人會發(fā)布的《電動汽車安全報(bào)告》中，自燃占國內(nèi)新能源汽車起火事故原因的比例高達(dá)31%，可燃性液態(tài)有機(jī)電解液一日不退出歷史舞臺，零自燃的百分百安全構(gòu)想就無法達(dá)成，電動汽車全面取代燃油汽車的遠(yuǎn)期愿景就不會實(shí)現(xiàn)。
從2008年特斯拉將液態(tài)鋰電池導(dǎo)入電動汽車領(lǐng)域開始計(jì)算，傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池對動力電池市場的全權(quán)統(tǒng)治時(shí)間超過十年，能量密度、安全需求、續(xù)航里程、成本訴求與液態(tài)鋰離子電池間的矛盾已不可調(diào)和。中科院院士歐陽明高曾公開表示，要實(shí)現(xiàn)2030年500Wh/kg的能量密度目標(biāo)，固體電解質(zhì)層面的突破是不得不走的必由之路。固態(tài)電池，就是這條路上距離我們最近的里程碑。第一，不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液、耐高溫的固態(tài)電解質(zhì)取代電解液、電解質(zhì)鹽與隔膜，徹底解決可燃性液態(tài)有機(jī)電解液導(dǎo)致的自燃風(fēng)險(xiǎn)；第二，固態(tài)電池能量密度高，有很大希望突破500Wh/kg關(guān)口，此舉可將電動汽車?yán)m(xù)航里程拉高至800公里到1000公里。加之固態(tài)電池工作溫度范圍寬、支持超級快充，是實(shí)現(xiàn)“加電比加油方便”的最短鍵程。第三，固態(tài)電池可大幅為系統(tǒng)減重。固態(tài)電池電芯內(nèi)不含液體，可先串聯(lián)再封裝。同時(shí)因其完全不可燃的特性，BMS溫控組件將不復(fù)存在，多措并舉提升續(xù)航里程。從技術(shù)緯度分析，固態(tài)電池是下一代動力電池的最佳出路，是根除現(xiàn)有電動汽車?yán)m(xù)航里程頑疾的唯一處方，是電動汽車干掉燃油車的鋒利殺手锏。但在各大汽車公司——傳統(tǒng)巨頭也好，新興勢力也罷的落地時(shí)間表上，固態(tài)電池的最早出現(xiàn)時(shí)間是2022年第四季度。這時(shí)，搭載150度電池包、續(xù)航超過1000公里的固態(tài)電池版蔚來ET7將正式開跑。但這似乎可以扛起“固態(tài)電池”商業(yè)量產(chǎn)大旗的150度電池包，本質(zhì)不過是終局技術(shù)路線下的過渡產(chǎn)物，它有一個(gè)“半成品”式的名字——半固態(tài)電池。
作為和電動汽車一樣嶄新的事物，固態(tài)電池得到資本高度青睞的同時(shí)，也在經(jīng)受著同樣力度的質(zhì)疑。
其中，最常被大寫加粗的懷疑角度是：量產(chǎn)進(jìn)度。這個(gè)問題的答案，我們可以從世界各大知名汽車公司的固態(tài)電池上車時(shí)間表中一窺端倪。蔚來是全球汽車公司中進(jìn)度最快，且時(shí)間先發(fā)優(yōu)勢明顯的“課代表”，150度半固態(tài)電池包預(yù)計(jì)將在明年第四季度量產(chǎn)搭載。日本汽車公司中最快的是豐田，雖然在2020年就已制造出測試原型車，但真正量產(chǎn)要到2025年。德國汽車公司目前處于齊頭并進(jìn)狀態(tài)，大眾集團(tuán)在2018年向固態(tài)電池硅谷創(chuàng)業(yè)公司QuantumScape注資1億美元，成為最大股東。2020年追加兩億美元。今年，大眾集團(tuán)宣布會在2025年使用固態(tài)電池。
寶馬集團(tuán)今年向總部位于美國科羅拉多州的固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Solid Power投資1.3億美元，明年開始進(jìn)行固態(tài)電池原型車的測試與集成，2025年前推出原型車，2030年前量產(chǎn)。梅賽德斯-奔馳同樣在今年與固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Factorial Energy達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議，2022年開始測試電池原型，未來五年內(nèi)量產(chǎn)上路。這是奔馳與Hydro Quebec合作后，第二次向固態(tài)電池公司注資。美國汽車公司則呈現(xiàn)出鮮明的割裂感，底特律三巨頭之一的福特集團(tuán)在2017年投資Solid Power，明年開始測試產(chǎn)品，2025至2030年間進(jìn)入道路實(shí)測。
通用汽車今年10月宣布在美國密西根州投資設(shè)立新的電動車電池研發(fā)中心，專注攻克固態(tài)電池研發(fā)技術(shù)難題。2018年，通用汽車向固態(tài)電池公司Solid Energy Systems注入B輪融資。今年4月，又領(lǐng)投了Solid Energy Systems總額為1.39億美元的D輪融資。已經(jīng)合并為世界第四大汽車公司Stellantis集團(tuán)在12月宣布，與總部位于馬薩諸塞州沃本市的固態(tài)電解質(zhì)材料電池制造商Factorial Energy簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，在2026年引入首個(gè)具有競爭力的固態(tài)電池技術(shù)。盡管固態(tài)電池已被認(rèn)定為液態(tài)鋰離子電池的“終結(jié)者”，但始終有一個(gè)人不買賬。與各大汽車公司對固態(tài)電池前赴后繼的熱切態(tài)度截然相反，埃隆·馬斯克與他的特斯拉始終對這項(xiàng)新技術(shù)保持靜默與距離。在2020年舉行的特斯拉年度股東大會及“電池日”活動上，埃隆·馬斯克宣稱公司新研發(fā)的“4680”電池能量密度提高5倍，續(xù)航里程提高16%，6倍充放電功率，每千瓦時(shí)的成本下降14%，電池產(chǎn)線的速度提高7倍。
全新的電池包采用無模組設(shè)計(jì)，大約由960個(gè)（40x24）“
4680”電池組成，相比由4400多個(gè)“2170”電池組成的電池包，體積重量大幅減少，能量密度提升到300Wh/kg，輕松突破液態(tài)鋰離子電池的能量密度極限。
埃隆·馬斯克不懂電池技術(shù)？不，恰恰因?yàn)樗请姵丶夹g(shù)天才，才一眼“識破”了汽車公司與固態(tài)電池間不斷上演的“期貨”把戲。固態(tài)電池在所有緯度都超越液態(tài)鋰離子電池是不爭的事實(shí)，但從各大汽車公司的時(shí)間表上不難發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池的共性：商業(yè)化時(shí)間太久，2030年已是最樂觀的估計(jì)。這里，讓我們將視線轉(zhuǎn)向截至目前，全球范圍內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)動力電池領(lǐng)域量產(chǎn)的法國博洛雷集團(tuán)（Bollore Group）。博洛雷集團(tuán)（Bollore Group）是一家由法國望族博洛雷家族全盤掌控的世界500強(qiáng)公司，是固態(tài)電池領(lǐng)域歷史最悠久，研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)的機(jī)構(gòu)之一。2011年10月，博洛雷集團(tuán)開始在其自主研發(fā)的電動汽車“Bluecar”和電動巴士“Bluebus”上搭載搭載容量為30度，由BatScap制造的固態(tài)電池，這些車輛在法國巴黎及郊外以共享方式服務(wù)。截至2019年關(guān)閉前，2900輛固態(tài)電池電動車?yán)塾?jì)服務(wù)用戶近20萬人，每天的利用次數(shù)約1.8萬次。
博洛雷集團(tuán)是第一家成功將固態(tài)電池規(guī)模商業(yè)化運(yùn)作的公司，但這塊固態(tài)電池包的容量只有30度，能量密度僅有100Wh/kg，只有液態(tài)鋰離子電池的一半。
博洛雷牌固態(tài)電池面臨的問題，正是所有固態(tài)電池制造商亟待攻下的課題：實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)外之差。今年11月，市值超過福特汽車的美國固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape宣布，電池單元原型在800次循環(huán)（100%放電深度）后，保持了80%以上的初始容量。但投資研究網(wǎng)站Seeking Alpha在一份公開報(bào)告稱QuantumScape的電池“體積太小，從未在實(shí)驗(yàn)室外測試過”。
Seeking Alpha認(rèn)為，固態(tài)電池能在實(shí)驗(yàn)室外的真實(shí)場景中達(dá)到所需的倍率和溫度功能，是非常，非常困難的，困難到?jīng)]有人做過?！八鼈兓蛟S永遠(yuǎn)不會達(dá)到宣傳的性能?！?Seeking Alpha表示。
QuantumScape創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Jagdeep Singh對此反擊稱，“Seeking Alpha的報(bào)告讀起來就像是一個(gè)對電池一無所知的人寫的。”那么，讓固態(tài)電池長期滯留在科研階段，站在商業(yè)化量產(chǎn)門外的核心因素是什么呢？回歸固態(tài)電池的本質(zhì)——固態(tài)電解質(zhì)，就能撥開迷霧。固態(tài)電解質(zhì)材料目前有三種主流體系：聚合物、氧化物和硫化物。這是三種信仰完全不同的材料路線，歐美公司選擇氧化物與聚合物體系，日韓公司偏向硫化物體系。聚合物體系的優(yōu)點(diǎn)是高溫離子電導(dǎo)率高，方便加工。但它在室溫下離子電導(dǎo)率極低，大大制約了其發(fā)展廣度。法國博洛雷牌固態(tài)電池就是聚合物體系下的產(chǎn)物。一個(gè)荒誕意味十足的事件是，為了讓自家電動車能在室溫下正常工作，博洛雷集團(tuán)特意為每輛車配載了加熱器，發(fā)動前將電池系統(tǒng)升溫至 60至80℃。長時(shí)間停車，加熱器不能下線，那時(shí)的技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程提前開啟。
氧化物體系的優(yōu)點(diǎn)是綜合性能佳，其中薄膜型產(chǎn)品對工藝技術(shù)要求苛刻，成本與規(guī)?；a(chǎn)難度很大，不適合產(chǎn)能巨大的電動汽車。非薄膜型產(chǎn)品是目前最炙手可熱的電動汽車電池解決方案，QuantumScape是該路線的忠實(shí)信徒。
硫化物體系的優(yōu)點(diǎn)是擁有堪比液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，快充支持度高，是電動汽車能否快速取代燃油車的勝負(fù)手，是日韓公司豐田、本田、三星和中國電池巨頭寧德時(shí)代選擇的技術(shù)路線。但硫化物體系的開發(fā)進(jìn)度最初級，無法商業(yè)化量產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)也最高。液態(tài)鋰離子電池，作為當(dāng)代世界發(fā)展的主推器，科學(xué)原理與它出現(xiàn)時(shí)沒有實(shí)質(zhì)改變。固態(tài)電池的登場，撼動了它曾不可動搖的根基，唯一困擾它的，只剩仍是星辰大海的批量生產(chǎn)。
來自新能源產(chǎn)業(yè)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)起點(diǎn)鋰電研究院的統(tǒng)計(jì)顯示，今年前十個(gè)月全球動力電池裝機(jī)量225GWh，同比增長116.1%。
排名前十的企業(yè)分別為寧德時(shí)代、LG新能源、松下、比亞迪、SKI、三星SDI、中創(chuàng)新航（中航鋰電）、國軒高科、AESC和蜂巢能源，10家企業(yè)合計(jì)市場份額達(dá)到92.2%。 其中寧德時(shí)代、比亞迪、中創(chuàng)新航（中航鋰電）、國軒高科和蜂巢能源5家是中國公司。液態(tài)鋰離子電池戰(zhàn)場的失勢，讓美國和日本企業(yè)跳過現(xiàn)有階段，在另一條賽道——固態(tài)電池?cái)S下重金。中國科學(xué)院院士歐陽明高曾在2019年中國電動汽車百人會論壇上表示：“日本為了應(yīng)對中國和韓國電池產(chǎn)業(yè)的崛起，自2017年起舉全國之力研發(fā)下一代固態(tài)電池，并投入了大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。美國和歐洲也在全力開發(fā)新一代固態(tài)電池，以實(shí)現(xiàn)超越。中國電池產(chǎn)業(yè)雖然取得暫時(shí)優(yōu)勢，但國際競爭壓力巨大，需全力追趕固態(tài)電池前沿技術(shù)。”今年，歐陽明高在“2021年新能源汽車技術(shù)與市場亮點(diǎn)及中長期趨勢”的主題演講中再次表達(dá)了類似觀點(diǎn)。
“日本等國家在大力發(fā)展下一代全固態(tài)電池，這方面中國品牌還有差距?！睔W陽明高說，“全固態(tài)電池技術(shù)要產(chǎn)業(yè)化，并對市場格局產(chǎn)生重要影響，估計(jì)要10年左右。”在時(shí)間藍(lán)圖上，歐陽明高給出了自己的預(yù)測：到2025年，會出現(xiàn)與現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池比能量大體相當(dāng)?shù)牡谝淮虘B(tài)電池。2030年后，會出現(xiàn)第二代采用新型正負(fù)極材料的全固態(tài)電池，比能量提升到每公斤500瓦時(shí)，還會有高比能量鋰-硫電池、金屬空氣電池。“現(xiàn)有的鋰離子電池，包括固液混合的鋰離子電池，2030年前仍占絕對主導(dǎo)地位?！睔W陽明高總結(jié)道。市場研究機(jī)構(gòu)Orbis Orbis Reseach今年7月發(fā)布的報(bào)告《全球固態(tài)電池市場2017-2021》支撐了歐陽明高的推測：2017-2021年期間全球固態(tài)電池市場將以72.33％的復(fù)合年增長率增長。
當(dāng)下，中國新能源汽車市場已平穩(wěn)度過認(rèn)知期，邁入極速膨脹期。預(yù)計(jì)2022年國內(nèi)新能源汽車銷量約500萬輛，市占率超過20%；2025年700萬至1000萬輛；2030年1700萬至2000萬輛。中國電動汽車保有量的暴增，直接刺激了車載電池產(chǎn)量的幾何級數(shù)增長，2025年預(yù)計(jì)超過20億千瓦時(shí)，2030年超過70億千瓦時(shí)，2035年超過150億千瓦時(shí)。
對任何一家汽車公司和固態(tài)電池制造商來說，這都是不容錯(cuò)過，也不容有失的機(jī)會窗口。市場已將潛能預(yù)埋完成，現(xiàn)在到了考驗(yàn)智慧的關(guān)鍵時(shí)刻。
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號：DT新材料
