2017年，總部設在加州安納海姆的美國電動汽車公司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。
2017年，總部設在加州安納海姆的美國電動汽車公司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在接受采訪時信誓旦旦地表示，固態(tài)鋰電池會在2023年量產，價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，最終設計將在數(shù)月內公布。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)電池計劃。至此，F(xiàn)isker公司的全球固態(tài)電池最速量產夢，徹底宣告破碎。“這是一種這樣的技術，當你覺得已經完成了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，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)有電動汽車續(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，還是腳踏實地。是熱錢所向，還是黃粱一夢。
提起電動汽車，大部分人的第一反應是：“腿”太短。
這里的“腿”短，并不暗諷電動汽車四個輪圈尺寸偏小，而是直截了當?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、冬天開電動車差點被凍僵等駕駛電動車出行時遇見的荒唐問題常見報端。電動汽車續(xù)航虛的缺點在寒冷天氣中被幾倍放大的同時，也降低了潛在消費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過電動車冬季續(xù)航衰減的三大因素：第一個困擾是電池本身。電池作為一個化學產品，一旦溫度低，內部電解液會變得黏稠、鋰離子遷移速率變慢，導致電池活性降低，影響電池性能和容量。第二個困擾是空調系統(tǒng)。在燃油車里，空調系統(tǒng)依賴發(fā)動機余熱供暖。但電動車沒有發(fā)動機，依賴電池供暖，消耗巨大。第三個困擾是低溫導致傳動系阻力增加。冬天空氣密度和夏天空氣密度不一樣。冬天空氣密度增大，導致風阻變大，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”并沒有因技術進步發(fā)生太多改變。究其原因，是電動汽車的心臟——動力電池至今沒有顛覆性創(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，驅動其前行的是笨重龐大且危險的鉛酸電池。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電子領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代際轉換：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，當前液態(tài)鋰離子電池的能量密度極限約為280Wh/kg。即便向負極引入硅基合金，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到400Wh/kg、500Wh/kg。”
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貼，這足以讓普通圈層消費者對電動汽車瞬間“下頭”。其次，液態(tài)鋰離子電池中具備高度可燃性的液態(tài)有機電解液被普遍認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數(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《電動汽車安全報告》中，自燃占國內新能源汽車起火事故原因的比例高達31%，可燃性液態(tài)有機電解液一日不退出歷史舞臺，零自燃的百分百安全構想就無法達成，電動汽車全面取代燃油汽車的遠期愿景就不會實現(xiàn)。
從2008年特斯拉將液態(tài)鋰電池導入電動汽車領域開始計算，傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池對動力電池市場的全權統(tǒng)治時間超過十年，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和。中科院院士歐陽明高曾公開表示，要實現(xiàn)2030年500Wh/kg的能量密度目標，固體電解質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)電解質取代電解液、電解質鹽與隔膜，徹底解決可燃性液態(tài)有機電解液導致的自燃風險；第二，固態(tài)電池能量密度高，有很大希望突破500Wh/kg關口，此舉可將電動汽車續(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)電池電芯內不含液體，可先串聯(lián)再封裝。同時因其完全不可燃的特性，BMS溫控組件將不復存在，多措并舉提升續(xù)航里程。從技術緯度分析，固態(tài)電池是下一代動力電池的最佳出路，是根除現(xiàn)有電動汽車續(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間表上，固態(tài)電池的最早出現(xiàn)時間是2022年第四季度。這時，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)量產大旗的150度電池包，本質不過是終局技術路線下的過渡產物，它有一個“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，也在經受著同樣力度的質疑。
這個問題的答案，我們可以從世界各大知名汽車公司的固態(tài)電池上車時間表中一窺端倪。蔚來是全球汽車公司中進度最快，且時間先發(fā)優(yōu)勢明顯的“課代表”，150度半固態(tài)電池包預計將在明年第四季度量產搭載。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，但真正量產要到2025年。德國汽車公司目前處于齊頭并進狀態(tài)，大眾集團在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，大眾集團宣布會在2025年使用固態(tài)電池。
寶馬集團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。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達成戰(zhàn)略協(xié)議，2022年開始測試電池原型，未來五年內量產上路。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在2017年投資Solid Power，明年開始測試產品，2025至2030年間進入道路實測。
通用汽車今年10月宣布在美國密西根州投資設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，又領投了Solid Energy Systems總額為1.39億美元的D輪融資。已經合并為世界第四大汽車公司Stellantis集團在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年引入首個具有競爭力的固態(tài)電池技術。盡管固態(tài)電池已被認定為液態(tài)鋰離子電池的“終結者”，但始終有一個人不買賬。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新技術保持靜默與距離。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，每千瓦時的成本下降14%，電池產線的速度提高7倍。
全新的電池包采用無模組設計，大約由960個（40x24）“
4680”電池組成，相比由4400多個“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？不，恰恰因為他是電池技術天才，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，但從各大汽車公司的時間表上不難發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池的共性：商業(yè)化時間太久，2030年已是最樂觀的估計。這里，讓我們將視線轉向截至目前，全球范圍內唯一實現(xiàn)動力電池領域量產的法國博洛雷集團（Bollore Group）。博洛雷集團（Bollore Group）是一家由法國望族博洛雷家族全盤掌控的世界500強公司，是固態(tài)電池領域歷史最悠久，研發(fā)實力最強的機構之一。2011年10月，博洛雷集團開始在其自主研發(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。截至2019年關閉前，2900輛固態(tài)電池電動車累計服務用戶近20萬人，每天的利用次數(shù)約1.8萬次。
博洛雷集團是第一家成功將固態(tài)電池規(guī)模商業(yè)化運作的公司，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：實驗室的內外之差。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。但投資研究網站Seeking Alpha在一份公開報告稱QuantumScape的電池“體積太小，從未在實驗室外測試過”。
Seeking Alpha認為，固態(tài)電池能在實驗室外的真實場景中達到所需的倍率和溫度功能，是非常，非常困難的，困難到沒有人做過?！八鼈兓蛟S永遠不會達到宣傳的性能。” 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的報告讀起來就像是一個對電池一無所知的人寫的?！?/span>那么，讓固態(tài)電池長期滯留在科研階段，站在商業(yè)化量產門外的核心因素是什么呢？回歸固態(tài)電池的本質——固態(tài)電解質，就能撥開迷霧。固態(tài)電解質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)點是高溫離子電導率高，方便加工。但它在室溫下離子電導率極低，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物。一個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℃。長時間停車，加熱器不能下線，那時的技術無法實現(xiàn)遠程提前開啟。
氧化物體系的優(yōu)點是綜合性能佳，其中薄膜型產品對工藝技術要求苛刻，成本與規(guī)?；a難度很大，不適合產能巨大的電動汽車。非薄膜型產品是目前最炙手可熱的電動汽車電池解決方案，QuantumScape是該路線的忠實信徒。
硫化物體系的優(yōu)點是擁有堪比液態(tài)電解質的離子電導率，快充支持度高，是電動汽車能否快速取代燃油車的勝負手，是日韓公司豐田、本田、三星和中國電池巨頭寧德時代選擇的技術路線。但硫化物體系的開發(fā)進度最初級，無法商業(yè)化量產的風險也最高。液態(tài)鋰離子電池，作為當代世界發(fā)展的主推器，科學原理與它出現(xiàn)時沒有實質改變。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。
來自新能源產業(yè)專業(yè)研究機構起點鋰電研究院的統(tǒng)計顯示，今年前十個月全球動力電池裝機量225GWh，同比增長116.1%。
排名前十的企業(yè)分別為寧德時代、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)合計市場份額達到92.2%。 其中寧德時代、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)電池擲下重金。中國科學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：“日本為了應對中國和韓國電池產業(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)經費。美國和歐洲也在全力開發(fā)新一代固態(tài)電池，以實現(xiàn)超越。中國電池產業(yè)雖然取得暫時優(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?！?/span>今年，歐陽明高在“2021年新能源汽車技術與市場亮點及中長期趨勢”的主題演講中再次表達了類似觀點。
“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)電池技術要產業(yè)化，并對市場格局產生重要影響，估計要10年左右?！?/span>在時間藍圖上，歐陽明高給出了自己的預測：到2025年，會出現(xiàn)與現(xiàn)有液態(tài)電解質鋰離子電池比能量大體相當?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極材料的全固態(tài)電池，比能量提升到每公斤500瓦時，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年前仍占絕對主導地位。”歐陽明高總結道。市場研究機構Orbis Orbis Reseach今年7月發(fā)布的報告《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％的復合年增長率增長。
當下，中國新能源汽車市場已平穩(wěn)度過認知期，邁入極速膨脹期。預計2022年國內新能源汽車銷量約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量的幾何級數(shù)增長，2025年預計超過20億千瓦時，2030年超過70億千瓦時，2035年超過150億千瓦時。
對任何一家汽車公司和固態(tài)電池制造商來說，這都是不容錯過，也不容有失的機會窗口。市場已將潛能預埋完成，現(xiàn)在到了考驗智慧的關鍵時刻。
文章轉載自微信公眾號：DT新材料
