出品｜虎嗅汽車組
作者｜梓楠法師
編輯｜張博文
“我們會成為下一個寧德時代”。
一位固態電池企業研發負責人在與虎嗅交流時，對公司研發出固態電池後的場景作出暢想。
行業設想中的固態電池，可以破除液態電池車的里程焦慮、充電焦慮、安全性等多方面的桎梏。
“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”。固態電池，因遠超液態鋰電池的效能表現，被汽車、儲能等行業視為下一次產業革命的核心。
大眾汽車電芯中心負責人弗蘭克·布洛梅將固態電池描述為鋰離子等效電池的“終結者”，是可控核聚變實現之前，人類能源裝置發展的終點。
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等創業公司，整個新能源產業最聰明的一群人，都在攻克這件事。
鋰電池“祖師爺”，諾獎得主古德納夫
“第一個造出來的人，就是新能源產業的普羅米休斯”，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於，煉出長生不老藥，然後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”。
行業龍頭爭分奪秒，期望在下一次產業革命中拔得頭籌。一些公司重新給出了固態電池裝車的時間線，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年前後推出搭載固態電池的原型車。
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電池的公司，那是在賭博”。
“蔚來發布150度電池之後，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，哪有這麼快”，另一位固態電池公司內部人士對虎嗅表示，類似的測試電池充放電壽命的產線，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，他們內部現在也很焦慮”，這位人士透露了他了解到的為蔚來汽車提供150度電池的某企業的研發現狀。
固態電池是L5級自動駕駛以外，汽車產業最大的一張餅。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，固態電池的故事則改變了人類儲存能量的方式。二者都屬於“一勞永逸”的技術，但在實現難度上，比登月還高，至少人類已經成功登月，而固態電池還停留在實驗室階段。
處於固態電池研發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”。
“固態電池裝車是我們的畢生夢想”。
為什麼造不出來？
整個固態電池的發展史，由多數的失敗、妥協和少部分的堅持寫就。
2017年，美國電動車公司Fisker釋出了一項剛完成申請的固態鋰電池專利：充電1分鐘，續航800公里。這個技術指標在現在依然是駭人聽聞的。
創始人Henrik Fisker在接受採訪時信誓旦旦地表示，固態鋰電池會在2023年量產，價格只有鋰電池的三分之一。2018年，Henrik Fisker表示，公司攻克了固態電池難題，最終設計將在數月內公佈。
但到了2021年，Henrik Fisker表示，已徹底放棄固態電池計劃。
“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，然後你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多。因此現在，我們完全放棄了固態電池，因為真的無法落地。”Henrik Fisker說，“我個人認為，不管是哪種形式的量產，固態電池都至少還需要7年。”
Fisker的“頭鐵”，導致了最終的失敗。在固態電池賽道，更多的創業者，選擇妥協。
做混合鋰金屬電池的公司SES創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年都在做固態電池的研究工作。胡啟朝自己的博士論文，也是全固態電池研究。在2012年創業以後，他發現全固態的金屬電池仍存在諸多基礎問題，比如正負極介面抗阻、鋰離子導電率問題等。
這些問題讓固態電池的充放電效能及壽命大打折扣。
“做科研的人說話不會太絕對，但全固態電池很難做出來，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這樣的創業公司都選擇切換技術路線。原因很簡單，投資方可以允許創業公司去挑戰工藝難題，但基礎科學層面的問題，投資方無法接受。基於資方建議及自身發展考慮，胡啟朝最終選擇放棄固態電池路線，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，現在元素週期表上的東西都試了一遍，解決基礎問題等於在元素週期表上增加其他的元素”，前述人士對虎嗅表示，現有的化學體系無法突破固態電池的瓶頸。
在這樣的前提下，除了部分擁有少數關鍵專利的創業公司，其他多數創業公司都將固態電池的研發作為第二方案。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。
囿於基礎化學瓶頸，固態電池研發機構在最基礎的技術路線上都沒有達成共識。
當前，固態電池的技術路線分為聚合物、硫化物及氧化物路線。其中，歐美企業側重於氧化物和聚合物技術路線；中國企業側重於氧化物技術路線；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。聚合物電解質需要加熱到60℃才可以獲得足夠的導電率；氧化物電解質中鋰離子的電導率比液態要低很多；硫化物電解質中的鋰離子導電率跟液態相近但是易氧化產生有毒氣體。
除了電解質難造外，固態電池的問題還包括迴圈效能差、固固介面的反應機理及機制問題，以及鋰負極的可充性等等。
當前，在業內看來最有可能率先量產固態電池的企業是豐田汽車，豐田擁有全世界最多的固態電池專利，僅豐田一家的專利數量及質量就遠超中國之和。
早在2017年12月，豐田就曾表示將在2020年初開始生產固態電池，但是在2019年，豐田研發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電池供電的電動汽車，且在2030年之前不會銷售使用固態電池的車輛。
豐田此前展出的固態電池樣品
他說：“我們將生產配備固態電池的汽車，並在2020年展示該產品，但批次生產固態電池的時間將稍晚一些。”
但到了2022年，豐田的全固態電池車也遲遲沒有亮相。“豐田採用的技術路線是效能天花板最高的，但豐田也沒有解決硫化物容易產生有害氣體的問題”，前述人士對虎嗅表示。
除了豐田外，目前對外宣佈固態電池研發進展的公司，也普遍遭受質疑。“比如QuantumScape聲稱自己透過陶瓷材料解決了鋰枝晶問題，但從我們拿到的樣品中，這個解法又出現了新的問題，陶瓷的導電性是很差的”。
而國內的贛鋒鋰業、輝能科技等公司，在此前也遇到固態電池的研發難題。其中，贛鋒鋰業在2020年業績說明會上曾宣佈其研發的第二代固態電池能量密度超350Wh/kg，迴圈壽命接近400次。
但事實上，400次的迴圈壽命連國標的一半都沒達到，更不用提量產裝車。而清陶能源、輝能科技等固態電池企業的產品，在迴圈壽命或充放電效能上都存在較大的難題無法突破。
“這些問題看似差之毫釐，實際上失之千里，現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資料的電池，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，效能就很難看了，拿充放電效能說事的，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，如果一個企業說自己2025年之前可以裝車，那麼目前肯定已經完成了實驗室階段的研發工作，但據我瞭解，現在多數電池企業在實驗室中造出來的固態電池，效能還沒達到樣品的標準”。
“現在與之前最大的不同是，固態電池技術已經取得了進步，人們已經發現了阻礙其商業化的問題，這足以讓我們感到樂觀”，一位更加樂觀的人士認為，至少業內已經知曉固態電池面臨的困難，剩下的只要解決問題就行。
不過，這位人士並未告知虎嗅，解決問題需要多久。
造出來就用得起嗎？
製造出全固態電池這個“長生不老藥”只是第一步，汽車行業需要“長生不老藥”變成白菜價。
“我本科的時候，我的老師就告訴我，汽車製造的研發是最難的，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，汽車不行，成本和使用壽命至關重要”，一位固態電池研發工程師對虎嗅表示。
據該人士透露，目前部分頭部公司的固態電池產品已可以在手機、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，現有的固態電池樣品可在效能上滿足使用要求。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、整合的問題。“我們現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，還需要繼續考慮怎麼把積木搭成房子”。
另一點就是製造的難題。通常情況下，現有的鋰電池存在尺寸、材料的不同，但不同的電池產品生產線的共用率可以達到60%。全固態電池是一個新的體系，如何去設計一條自動化的固態電池生產線，是橫亙在所有人面前的難題。
以固態電池等下一代所採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，反應產生的絕緣物體會直接影響成品的電化學效能。更嚴重的是，如果鋰金屬材料不慎與水接觸，會發生劇烈的產熱反應引發爆燃。
QuantumScape 的固態電池樣品，薄如紙
這使得鋰金屬對運輸、儲存和加工過程的操作工藝、裝置及環境要求非常嚴格。“意思就是，固態電池所需的材料需要在真空中製備，甚至在部分化學氣體中才能製備，且對溫度等條件的要求極高”。
而另一樣可以提升固態電池穩定性的元素鉑，則一直被業內認為是不適合大規模量產與應用的元素，因為成本過高。此外，富鋰正極等材料，雖然已成為業內對技術路線的共識。但目前基本停留在，知道要用這個，不知道如何規模化的階段。
寧德時代創始人曾毓群也曾在接受採訪時表示，全固態電池所需的固態電解質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顆粒奈米化，這也是固態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電池產線，是一個系統性工程，除了需要多製造環節進行最佳化設計，還需要設計新的製造裝置。
對於豐田、寶馬等製造業巨頭而言，固態電池新生產線的研發或許可以如期實現 ，但對於缺乏從頭開始製造關鍵零部件能力的初創企業而言，製造的關卡就是死穴。
這些因素，共同推高了固態電池的成本。
上世紀九十年代，美國橡樹嶺國家實驗室造出全固態薄膜電池的電解質時，就有人測算過相關材料量產後的造價。“按目前一輛電動車的70度電算，足夠裝備一輛車的早期全固態薄膜電池造價超過4億美元”，前述人士說。
即便製造工藝改進後，全固態薄膜電池的造價依舊超過三元鋰電池數十倍。
“我們現在在實驗室環境中做的一小片樣品，就要好幾萬，最終的成品我們估算規模起來之後成本也在150-200萬元”，前述固態電池研發人員對虎嗅表示。
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，汽車行業普遍認為，在固態電池量產後，汽車用的動力電池將會出現分化。高售價的豪華車型採用造價極高的固態電池，中低端車型採用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。
但這樣的設想也仍需固態電池實現降本，儘管這是一個剛性問題，只能透過燒錢解決。
“我們多久能達到大規模生產，只是投資多少的問題。”一位美股分析師曾表示，“以晶片製造為例，大多數限制，包括那些曾經被說成是技術上不可能的限制，都已經透過增加資金來克服。最近電動汽車市場的增長意味著，現在可以分配更多的資金將固態電池推向市場。”
但再造一個顛覆性行業，所需的資金並不等同於研發一個新產品。2021年，豐田就表示，將固態電池領域持續投入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業公司。而在國內，在液態電池領域處於領先地位的寧德時代、比亞迪等企業也在持續投入。
這個過程存在運氣，沒人知道電池領域的愛因斯坦會在哪裡，唯一的辦法是透過燒錢去提高成功的機率。“沒人有十足的把握，也沒人想放棄，就繼續燒唄，固態電池的燒錢能力可不弱於航天”，一位投資人對虎嗅表示。
沒有固態電池，電動車也能發展
電池能量密度的提升不同於積體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確定。因此，只有發明出新的材料體系，電池能量密度的飛躍才有可能實現。
上一次電池材料體系的更替，是鋰電池出現並超越鉛酸電池。也正因為鋰電池應用，我們才得以告別“大哥大”，用上智慧機。
但是，固態電池沒戲，電動車就不發展了嗎？當然不是。
目前，液態鋰電池的能量密度仍以每年約10%的速度提升。
2021年初，寧德時代中國區乘用車解決方案部總裁項延火就曾表示，寧德時代計劃透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透過材料體系和工藝的最佳化繼續提升。
工信部此前給出的動力電池效能提升指引
但從寧德時代的表態來看，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。據項延火介紹，寧德時代目前正在開發第二代平臺化的CTP電池系統，計劃於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於寧德時代CTC（Cell To Pack，將電芯整合到電池包）技術的電芯結構。寧德時代預計於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裡塞儘可能多的電池。
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物。透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並降低原材料成本。
據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% 後，電池的熱穩定性會迅速下降，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定性。透過用鎂、鈦等元素摻雜和金屬氧化物的包覆以穩定電池的層結構。但這個解決方案並不完美，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了--固混電池。透過將電池中的電解液換成固態電解質與電解液混合的狀態，可大幅提升電池的安全性。
據前述人士介紹，當電解液佔整體電解質的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。“電解液的密度接近水的密度，但固態電解質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電解質，電池的重量就會增加，同時意味著單位質量的能量密度降低”，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，液態鋰電池還未到達效能天花板。電動車技術只會在液體鋰電池到達天花板且固態電池沒辦法商業化時，才會陷入停滯。
革命性技術的發展不會一蹴而就。在固態電池量產以前，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電池“迴光返照”。但在10年前，液態電池的進步也是超出想象的。固態電池的設想能否實現，仍需要時間去解答。
“我們相信固態電池會被放進車裡，這也是我們一直堅持到今天的原因”。
參考資料：
《固態電池真正上車還要多久》--李文博
《全固態薄膜電池研究進展》--吳勇民
《動力電池技術發展瓶頸分析及建議》--張微
《電動汽車新一代動力電池的研究現狀》--陶思成
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