俗話(huà)說(shuō)，魚(yú)和熊掌不可兼得，這句話(huà)放在汽車(chē)動(dòng)力電池身上也很形象。
鋰離子電池身上的一個(gè)矛盾，就是高安全性和高能量密度的沖突，能量密度越高，材料體系越活躍穩(wěn)定性就越差。
一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦泳拖袷菬龎亻_(kāi)水，水倒的越滿(mǎn)燒開(kāi)后越容易溢出來(lái)，想要水不撒，只能壺內(nèi)少裝水多留冗余。
但固態(tài)電池可以很好的解決這個(gè)矛盾。
魚(yú)和熊掌，真的可以都要？
傳統(tǒng)鋰離子電池不管是三元鋰還是磷酸鐵鋰配方，材料都是由正極、負(fù)極、電解液、隔膜等組成，通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間的來(lái)回移動(dòng)即實(shí)現(xiàn)電池的充放電，其中隔膜是將正負(fù)極活性物質(zhì)分隔開(kāi)，防止兩極接觸產(chǎn)生短路。
但不管是電解液還是隔膜，在傳統(tǒng)鋰電池中本就都屬于相對(duì)不穩(wěn)定因素，電解液是有機(jī)液體，易燃抗氧化性較差，隔膜則容易被鋰枝晶刺穿。
而固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)特性卻比較穩(wěn)定，不像液態(tài)鋰電池中有機(jī)電解液較難兼容的金屬鋰等高比能量電極材料。
穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)可以通過(guò)適配高能正極與鋰金屬負(fù)極來(lái)增加電池能量密度，比如無(wú)需擔(dān)心鎳含量越高對(duì)電解質(zhì)的分解催化帶來(lái)的安全挑戰(zhàn)，這就帶來(lái)固態(tài)電池安全性的提高。
此外，針對(duì)液態(tài)鋰電池鋰枝晶直接刺穿隔膜造成電池內(nèi)部短路這些問(wèn)題，也就是常見(jiàn)的針刺試驗(yàn)?zāi)M的場(chǎng)景。
首先固態(tài)電解質(zhì)本身就起到隔膜作用沒(méi)有刺穿風(fēng)險(xiǎn)，也就不會(huì)短路，再加上本身固態(tài)電池電解質(zhì)可燃性也低，以及由于是固態(tài)電解質(zhì)不存在液態(tài)電解質(zhì)泄露等風(fēng)險(xiǎn)，所在在電芯封裝上可以簡(jiǎn)化，既降低成本，也提升整體電池包的能量密度。
目前主流的磷酸鐵鋰電池單體能量密度在 200Wh/kg 以下，三元鋰電池的單體能量密度在 200-300Wh/kg 之間，很難再往上突破，但半固態(tài)電池已經(jīng)可以做到 350+Wh/kg，而全固態(tài)電池能量密度還會(huì)更高，目標(biāo)是要到 500Wh/kg。
全固態(tài)太難，半固態(tài)落地已在眼前
只是在當(dāng)下技術(shù)條件下，全固態(tài)電池的量產(chǎn)尚需時(shí)日，在此之前先一步得到應(yīng)用的還是半固態(tài)電池。
比如，不久前蔚來(lái)李斌開(kāi)著搭載半固態(tài)電池的 ET7 測(cè)試車(chē)，完成了純電續(xù)航超過(guò) 1000 公里的 " 壯舉 "，證明了技術(shù)的力量，其固態(tài)電池能量密度就達(dá) 360Wh/kg。
當(dāng)然，這款半固態(tài)電池成本雖然 " 差不多一輛 ET5 的價(jià)格 "，但是好處是即將量產(chǎn)，2024 年 4 月就會(huì)正式落地。
蔚來(lái)的 150 度電半固態(tài)電池來(lái)自衛(wèi)藍(lán)新能源，除了蔚來(lái)，明年在上汽智己也會(huì)有搭載半固態(tài)電池的車(chē)型推出，其半固態(tài)電池來(lái)自清陶能源，且成本與液態(tài)鋰電池相當(dāng)，單體能量密度達(dá) 368 Wh/kg。
早蔚來(lái)、智己一步，在嵐圖追光上其由孚能科技生產(chǎn)的半固態(tài)電池已經(jīng)正式裝車(chē)量產(chǎn)，而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，包括東風(fēng)、蔚來(lái)、賽力斯、高合、上汽、哪吒等多家車(chē)企都官宣了自己的半固態(tài)電池量產(chǎn)計(jì)劃。
在供應(yīng)鏈方面包括寧德時(shí)代、中創(chuàng)新航、蜂巢能源、輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、億緯鋰能、國(guó)軒高科等十幾家動(dòng)力電池企業(yè)也都已在布局半固態(tài)電池，
可以說(shuō)如今不管是車(chē)企自研還是通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈合作，半固態(tài)電池的落地已經(jīng)是呼之欲出，就在眼前。
那么半固態(tài)和全固態(tài)的區(qū)別又是什么？
電池通過(guò)離子在正負(fù)電極之間流動(dòng)進(jìn)行充電和放電。目前鋰電池作為離子通道的電解質(zhì)是液體。而全固態(tài)電池是以固體作為離子通道。在固態(tài)電池里，離子移動(dòng)速度會(huì)更快。
但我們知道液體對(duì)于物體的包裹又好于固體，全固態(tài)電池的挑戰(zhàn)就在于電解質(zhì)全部替換成固態(tài)之后，原本液態(tài)電解質(zhì)可以把很好地電極包裹住，但固態(tài)電解質(zhì)和電極之間卻不容易保持長(zhǎng)期穩(wěn)定接觸。
這反而又導(dǎo)致了離子電導(dǎo)率比液態(tài)電解液低 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)與電極界面阻抗過(guò)高電池內(nèi)阻明顯。
此外固態(tài)電池的電極在充放電時(shí)會(huì)膨脹收縮，在正極、負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)之間極易產(chǎn)生裂縫也會(huì)增加上述問(wèn)題，這都是全固態(tài)電池目前無(wú)法解決的。
而此前我們?cè)鴧⒂^上汽清陶實(shí)驗(yàn)室，采訪(fǎng)環(huán)境面對(duì)固態(tài)電池界面阻抗問(wèn)題，清陶能源總經(jīng)理李崢對(duì) AutoLab 表示：固態(tài)電池所有的固態(tài)材料擠在一起是硬碰硬狀態(tài)，界面接觸不充分，離子從一個(gè)顆粒傳導(dǎo)到另一個(gè)顆粒的阻抗一定比液態(tài)電池大。所以這個(gè)階段我們對(duì)其增加了一部分浸潤(rùn)液體，才有半固態(tài)電池的概念。
所以目前固態(tài)電池中是即有固態(tài)電解質(zhì)，也依然會(huì)有部分電解液和隔膜結(jié)構(gòu)，這就是 " 半固態(tài)電池 "。
以清陶能源的第一代量產(chǎn)的固態(tài)電池，其中液態(tài)電解液占比就依然達(dá)到 5%-15% 之間，而根據(jù)清陶能源的規(guī)劃，明年量產(chǎn)的第二代固態(tài)電池，液態(tài)電解液占比就將小于 5%。
可以說(shuō)半固態(tài)電池是發(fā)展全固態(tài)電池的一個(gè)必然階段，但另一方面半固態(tài)電池的出現(xiàn)也是一定技術(shù)條件下相對(duì)妥協(xié)的結(jié)果。
如果能夠解決了固態(tài)電池的耐久性，電池界面阻抗等問(wèn)題，固態(tài)電池想要普及，必須先在材料上有突破，然后再談生產(chǎn)工藝，最后通過(guò)大批量生產(chǎn)降低成本等問(wèn)題。
何時(shí)能夠落地？
而全固態(tài)電池領(lǐng)域，我們也可以先看看國(guó)外廠商的發(fā)展。
今年 10 月，豐田宣布他們的全固態(tài)電池已經(jīng)接近量產(chǎn)。這個(gè)新聞在國(guó)內(nèi)倍受關(guān)注，日本車(chē)廠要在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車(chē)了？
豐田發(fā)布的全固態(tài)電池
事實(shí)上這是出光興產(chǎn)和豐田汽車(chē)，兩家公司共同發(fā)布的技術(shù)。目前的實(shí)用化目標(biāo)是：豐田計(jì)劃于 2027 至 2028 年推出裝備固態(tài)電池的純電動(dòng)車(chē)。
豐田大家已經(jīng)熟悉了，那么出光興產(chǎn)是什么公司？
如果這里有日系車(chē)的車(chē)主，經(jīng)常在外面做保養(yǎng)，應(yīng)該會(huì)知道出光機(jī)油。沒(méi)錯(cuò)，現(xiàn)在日系幾大品牌原廠機(jī)油都是由出光提供的。
故事是這樣的，上世紀(jì) 70 年代石油危機(jī)，日本出光從那時(shí)起便著手研究替代能源和材料。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)
全固態(tài)電池材料中最重要的材料是一種 " 硫化物系 "，這種硫成分是在石油制造過(guò)程中得到的副產(chǎn)品。這就是在 90 年代中期被發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始了相關(guān)研究。
目前這項(xiàng)固態(tài)電池技術(shù)當(dāng)中，材料成分的專(zhuān)利為豐田所有。出光的強(qiáng)項(xiàng)在于極強(qiáng)的技術(shù)力，其制造的材料，具有耐水性強(qiáng)、離子傳導(dǎo)性好、柔軟性好。
目前兩家公司在全固態(tài)電池和其材料硫化物固態(tài)電解質(zhì)方面的專(zhuān)利數(shù)量都很高。
前面我們提到固態(tài)電池缺點(diǎn)是耐用性差，因?yàn)檎龢O、負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)之間極易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致電池性能劣化。
而經(jīng)過(guò) 10 年的反復(fù)試驗(yàn)和經(jīng)歷失敗，豐田和出光兩家公司的技術(shù)相融合，最終他們研發(fā)出柔軟、密合性高、不易破裂的固態(tài)電解質(zhì)材料。
新材料，再結(jié)合豐田研發(fā)的正極、負(fù)極材料以及培養(yǎng)的電池化技術(shù)，最終有了今天這種兼顧性能和耐久性固態(tài)電池。
所以整個(gè)流程就是：由兩家公司的材料研發(fā)技術(shù)、出光的材料制造技術(shù)、豐田的電池量產(chǎn)技術(shù)將結(jié)合起來(lái)。
不過(guò)豐田這款全固態(tài)電池也不會(huì)馬上量產(chǎn)，因?yàn)榘从?jì)劃豐田要在 2027 至 2028 年才會(huì)量產(chǎn)裝車(chē)。
插一句，豐田關(guān)于固態(tài)電池的發(fā)展其實(shí)與國(guó)內(nèi)清陶能源的規(guī)劃時(shí)間也是一樣的，清陶能源的最終目標(biāo)也是在 2027 年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)，屆時(shí)能量密度高于 500Wh/kg，且相對(duì)目前液態(tài)電池成本下降 40%。
清淘能源固態(tài)電池規(guī)劃節(jié)點(diǎn)
可以說(shuō)站在現(xiàn)在的時(shí)間點(diǎn)來(lái)看，全固態(tài)電池的規(guī)模化上車(chē)其實(shí)離我們也并不遙遠(yuǎn)了，尤其是國(guó)內(nèi)在半固態(tài)電池的應(yīng)用上也更快一步。
而豐田在具體生產(chǎn)進(jìn)度方面，固體電解質(zhì)的試驗(yàn)工廠將于 2027 年開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)候還在為大批量生產(chǎn)作實(shí)證試驗(yàn)，豐田和出光計(jì)劃年產(chǎn)能為數(shù)百萬(wàn)噸。
只有到了 2030 年，這種材料年產(chǎn)數(shù)量將達(dá)千噸級(jí)別，這時(shí)候可能滿(mǎn)足年產(chǎn)數(shù)萬(wàn)輛純電動(dòng)車(chē)的裝車(chē)要求。
不止是豐田，國(guó)外固態(tài)電池技術(shù)方面，本田和日產(chǎn)兩家日系車(chē)企也有技術(shù)儲(chǔ)備。
本田原來(lái)的計(jì)劃是在 2024 年春季啟動(dòng)投資約 430 億日元（21.7 億人民幣）的全固態(tài)電池建設(shè)示范生產(chǎn)線(xiàn)，加快固態(tài)電池的研發(fā)進(jìn)度，并在 2020 年代后半期推出的車(chē)型上裝車(chē)。
而在去年 4 月的發(fā)布會(huì)上，本田承諾推出兩款運(yùn)動(dòng)型電動(dòng)汽車(chē)，包括一款 NSX 繼承者。
這輛 " 旗艦 " 車(chē)型有著 NSX 的造型：擁有中置引擎的超級(jí)跑車(chē)比例，低矮的車(chē)身，更短的車(chē)頭設(shè)計(jì)。而另一輛 " 特別版 " 擁有較長(zhǎng)的車(chē)頭和稍高的車(chē)身。而作為旗艦的 NSX，如果研發(fā)進(jìn)度沒(méi)問(wèn)題，用上固態(tài)電池是很正常的事情。
其實(shí)早在 2022 年 CES 期間，本田就宣布與電池公司 SES 研發(fā)固態(tài)電池。
按之前本田計(jì)劃，2022 年起的未來(lái) 10 年本田將投入約 8 萬(wàn)億日元（約合 4058 億元人民幣）研發(fā)經(jīng)費(fèi)，其中在電動(dòng)化和軟件領(lǐng)域共計(jì)投入約 5 萬(wàn)億日元（約合 2536 億元人民幣）。
計(jì)劃到 2030 年，本田將在全球市場(chǎng)推出 30 款純電動(dòng)汽車(chē)，計(jì)劃年產(chǎn)量超過(guò) 200 萬(wàn)輛。而這期中有多少會(huì)采用固態(tài)電池，值得關(guān)注。
另一方面，在 2023 年日本移動(dòng)展上，日產(chǎn)發(fā)布了它的壓軸之作——日產(chǎn) Hyper Force 概念車(chē)，這是一輛電動(dòng) GT-R 概念車(chē)。
與戰(zhàn)神 GT-R 一樣，日產(chǎn) Hyper Force 概念車(chē)同樣是由 NISMO 賽車(chē)團(tuán)隊(duì)一起開(kāi)發(fā)的，它有強(qiáng)大的空氣動(dòng)力學(xué)部件，能產(chǎn)生強(qiáng)大的下壓力。
日產(chǎn) Hyper Force 概念車(chē)就采用了全固態(tài)電池，輕量化的電池更有利于車(chē)身的質(zhì)量平衡。所以 Hyper Force 是以打造絕佳的車(chē)身平衡，以及強(qiáng)悍的動(dòng)力輸出為目標(biāo)。
再換一個(gè)領(lǐng)域，其實(shí)固態(tài)化已經(jīng)是電池的一個(gè)趨勢(shì)，例如儲(chǔ)能電池方面，領(lǐng)先企業(yè)開(kāi)始研發(fā)固態(tài)鈉金屬氯化物電池。
汽車(chē)行業(yè)熟悉的，幫助無(wú)數(shù)車(chē)企業(yè)建車(chē)身和動(dòng)力電池生產(chǎn)線(xiàn)的柯馬，也在研發(fā)下一代動(dòng)力電池制造技術(shù)。
柯馬最新的動(dòng)作是宣布與 LiNa 合作，為固態(tài)鈉金屬氯化物電池設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新、可擴(kuò)展的制造解決方案。LiNa 是低成本固態(tài)鈉電池技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)，柯馬能幫助這種電池生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
固態(tài)電池生產(chǎn)過(guò)程明顯與現(xiàn)在不同，例如柯馬的工程師為固態(tài)電池的特定組件設(shè)計(jì)了外殼和裝卸設(shè)備。同時(shí)應(yīng)用到了柯馬的潔凈室級(jí)別高速 Racer-5 關(guān)節(jié)型機(jī)器人。
鈉基電池包括國(guó)內(nèi)寧德時(shí)代也在研發(fā)，它的成本更低更安全。但鈉電池的目標(biāo)不是動(dòng)力電池，而是儲(chǔ)能電池，例如用在光伏電站和別墅光儲(chǔ)一體系統(tǒng)中。
可以看到在各個(gè)領(lǐng)域，固態(tài)電池相比現(xiàn)在的液態(tài)電池，它的進(jìn)步是革命性的。變化之大就像當(dāng)年從堿性電池到鎳氫，從鎳氫到鋰電池一樣大。
寫(xiě)到最后
回到純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域言，僅高安全性、高能量密度優(yōu)勢(shì)的固態(tài)電池上車(chē)，好處也是鮮明的。
比如在增加續(xù)航方面，做到同樣的續(xù)航目標(biāo)時(shí)，使用固態(tài)電池包可以減重幾十公斤，重量少了，百公里電耗也會(huì)降低。
反過(guò)來(lái)相同的重量，也可以做到更長(zhǎng)的續(xù)航，比如目前蔚來(lái)使用 150 度半固態(tài)電池對(duì)比 100 度傳統(tǒng)鋰電池包。
雖然電量增加了 50 度，但 150 度半固態(tài)電池包的重量和體積幾乎沒(méi)變，重量也僅比蔚來(lái) 100 度電池多了 20 公斤。
且未來(lái)若是固態(tài)電池即便保持相同成本，在在電芯相同單價(jià)的情況下，裝更少的電池實(shí)現(xiàn)相同的續(xù)航，車(chē)價(jià)也會(huì)降低，對(duì)于消費(fèi)者而言好處也更是擺在眼前的。
屆時(shí)到了固態(tài)電池時(shí)代，當(dāng)純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池高能量密度和高安全性不可兼得的軟肋被解決之后，純電動(dòng)車(chē)也必將形成比傳統(tǒng)燃油車(chē)更大的優(yōu)勢(shì)。
