赋能智能电动汽车 浅谈固态电池那些事

固态电池，这个并不新颖的名字，伴随—场发布会又重新回到公众视野，成为缓解新能源汽车续航焦虑的曙光。但是这道曙光，能否真正进化成阳光，普照人间？

天下苦续航久矣

续航焦虑，是新能源车诞生以来如影随形的魔咒。夏天还好，NEDC续航基本还有厂商宣称的七八成功力。冬天尤其寒冷地区，续航直接打5折甚至更低。因此，新能源车被网友们戏称为“电动爹”。“爹”难伺候，根源在电池。新能源车的电机、电控等技术已经相当成熟，只有电池仍是最大的短板，充电慢，续航短，让主机厂和用户都头痛不已。

磷酸铁锂电池和三元锂电池是现在的主流动力电池，前者安全性更高，主要用在电动客车等商用领域;后者性能更好，主要用在家用车上。三元锂电池以镍（N）、钴（C）、锰（M）或铝（A）的混合材料作为正极材料，通过调节各成分的混合比例，电池能够表现出不一样的特性。例如提高镍的比例，能让电池能量密度更大;提高钴的比例，能让电池寿命更长、充电更快;提高锰或铝的比例，能让电池更稳定。根据混合比例也就有了不同的型号，如523、622、811等。

影响动力电池续航的核心指标是能量密度。单个电芯的能量密度称为单体电芯能量密度，目前业界最高达到300Wh/kg。但是多个电芯打包成电池组后，内部必须包含电池管理系统、高低压线束等，不得不增加重量并占据内部空间，因此电池的系统能量密度一定比单体能量密度低。目前的系统能量密度普遍挣扎在240Wh/kg上下，導致电池组成为车上最重、成本最高的部件。实际上，奔驰EQC搭载的80kWh电池重达650kg，和它相比，6.0L的V12发动机简直身轻如燕。

然而能量密度是不是越高越好，因为电池是一种系统产品，提升某一方面的性能，可能会牺牲其他方面的性能。而车用动力电池，必须以安全为根本原则，在确保安全的前提下才能兼顾其他性能指标。在现行技术下，三元锂电要达到300Wh/kg的系统能量密度已经非常困难。

天下苦续航久矣，人们一直在寻求低成本、高性能、充电快的电池。

核电池将同位素衰减产生的热量转换成电能，由于同位素半衰期非常长，所以电池理论上可以做到“把用户送走都还有电。”科幻作品中，行李箱那么大一块核电池，能带动汽车疾驰，能驱动飞机上天，可惜那只是幻想。前不久美国毅力号探测器刚刚登陆火星，它携带的火星漫游车使用的是钚-238电池，设计寿命14年，乍一听真不错，但这块电池的功率仅110W，重量却达到45公斤，造价更是高达7000万美元。要驱动纯电动汽车，电池功率至少还得提高四五百倍，由此带来的体积、重量、价格已经不可想象，更不用说令人谈之色变的辐射问题。

燃料电池把燃料具有的化学能转换成电能，氢是最合适的燃料。可是丰田在氢电池领域耕耘近30年，至今仍只能是小范围商用。尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但是太活跃，在复杂的自然环境里制氢的成本太高，制出来之后的储存、运输同样面临各种技术和资金问题。

也许石墨烯电池能带来惊喜。作为世界上首例单原子厚度的二维材料，石墨烯导电性、导热性，强度都非常优秀。正如影视作品里“遇事不决，量子力学”，材料领域里，石墨烯也有着无穷的潜力，哪里困难点哪里，说不定就大力出奇迹了，因此石墨烯用在电池上也是非常合理的。但是直到今天，石墨烯电池仍躺在实验室里，距量产遥遥无期。去年12月媒体传闻华为要在P40 Pro上搭载石墨烯电池，10分钟充电70%，事后证明这就是个离谱的消息。

今年1月，不少媒体都在报道广汽的“石墨烯”电池续航可以达到1000km，并具备6C快充能力，可以8分钟充电至80%。消息一出，国家电网沉默，特斯拉落泪，广汽集团的股价也随之涨停。而在随后的电动汽车百人会线上论坛上，有专家几乎就是指名道姓说如果一辆车能跑1000公里，能几分钟充满电，还特别安全，成本还非常低，那就是在忽悠。怼得当事人急忙出来改台词，原来广汽宣布的是石墨烯“基”电池，只是在电极材料里加入了石墨烯，并不是真正的石墨烯电池，一字之差谬之千里。并且“8分钟可充电80%”和“续航1000公里”是两种不同材料的电池，只是被“恰好”放在了一张海报中，被媒体误读。

这样看来，除了锂之外的其他材料，短时间内都看不到希望。

今年1月，蔚来在NIO Day 2020展示了150kWh的固态电池组，据称可以让蔚来ES8的续航里程达到730～910km，一时间固态电池被推上了风口，资本竞相流入，相关概念股涨势看好。这又是哪路神仙呢？

电池行业的希望

谈固态电池之前，需要明确一个概念，我们常说的“锂电池”实际上是指锂离子电池，主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量，电解液及隔膜是传输锂离子的介质。还有一种锂聚合物电池是在隔膜和电极之间再涂一层高分子凝胶如聚偏氟乙烯。固态电池则使用固体电解质替代电解液和隔膜，它们之间有着本质区别。

固态电解质能为电池带来众多的优质特性，首先是安全。锂电池的电解液本质上存在可燃的风险，如果电池因为过度充电或者被破坏导致隔膜受损，或隔膜本身质量不好，会让正负极直接短路，瞬间就会起火。无数的事实也验证了这一点，电池穿刺试验中的三元锂电池瞬间起火，停在地下车库的特斯拉10秒内整车爆燃，无不让人心惊胆战。

电解液易燃，电极材料也不省心。由于市场对续航的渴望，整个行业都倾向于在高镍材料上突破，但高镍材料热稳定性很差。松下21700电池采用NCA811架构配硅碳负极，单体能量密度达到了300Wh/kg，但“脾气”也很火爆，在MODEL 3上全凭极强的电池管理系统来约束，即便如此也都偶有自燃报道。而且随着电池能量密度提升，隔膜不得不越来越薄，锂枝晶刺穿隔膜的风险也大大提高。NCA811已经需要一大堆安全冗余，再往上增加镍的比例，也许后果就是爆炸的烟火更绚烂。

如果换成固态电解质，电池就不再有“隔膜”这个部件。固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液，就算被捅得千疮百孔也不会“生气”，各种安全问题迎刃而解。

还有一个特性是单体电压可以做到更高。在锂离子电池中，参与放电只有锂离子，它的质量大概是整个电池的2%，而电解液和隔膜能够占到总质量的25%左右，所以电池的能量密度非常低。固态电解质的密度比液体大，可以让更多带电离子聚集，传导更大的电流，因此固态电池电化学窗口可达5V以上，高于液态锂电池的4. 2V。另外从材质上讲，金属锂具有高达3860mA.h/g的理论比容量及3.04V的超负电极电势，是非常理想的负极材料，但因为枝晶问题限制了它的应用。固态电池理论上可以直接使用金属锂来做负极，由于固态电解质硬度较大，难以被枝晶刺穿，就能在一定程度上抑制枝晶的生长，大大提升电池的循环性和使用寿命，同时能量密度可轻松突破400Wh/kg。

此外，固态电解质还能简化结构。由于没有电解液和隔膜，正负极之间的距离甚至可以缩短到几微米，体积和重量将大大降低，制造薄膜电池和柔性电池不再是梦想。用在大功率环境下，也不需要再额外增加热管理系统，不仅节约成本，还能有效减轻重量。电池回收时，没有废液，处理起来也更简单。

固态电池的烦恼

固态电池可以算是颠覆性的技术，用固态电解质取代电解液和隔膜，听起来既简单又完美，但实际上还有不少关键问题没法解决。一是界面阻抗和稳定性问题。固态电池内部全是固体之间接触，循环过程中材料体积膨胀会破坏接触界面，电池就报废了。此外，严重困扰锂电池的枝晶的问题并没有彻底解决，采用金属锂电极后的接触界面阻抗仍然很大。锂枝晶即使不能刺穿固态电解质，也可能会折断，从而出现“死锂”，降低电池容量。

二是电导率偏低问题，即电子通过的效率低。需要找到一种在室温下也有高电导率和电化学稳定性的电解质，既能让锂离子顺畅通过，又能解决接触的问题。目前有三种主流的固态电解质：聚合物、氧化物、硫化物。

聚合物：目前聚合物固态电解质由有机的聚合物基体和锂盐构成。常用的聚合物基体有：聚环氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚环氧丙烷（PPO）、聚偏氯乙烯 （PVDC）等。这些聚合物基体的优点是能够很好地解离锂盐，缺点是离子电导率较低，通过掺杂 MgO 、Al2O3、SiO2等金属氧化物纳米颗粒，可以增加锂离子传输通道，提高电导率。再用这种掺杂聚合物和锂盐一起做成多孔的“聚合物固态电解质”。常用的锂盐有LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等。

聚合物的缺點在于需要额外的设备将电池加热至60℃以上，才能维持导电能力，这套加热设备也就抵消了固态电池的重量和体积优势。一种观点认为，聚合物算不上固态电解质，因为它在高温下会变成半液态，就又回到了电解液的老路上，不能完全避免热失控。同时聚合物无法匹配石墨负极，用金属锂的话又会进一步加大安全性风险。

氧化物：氧化物固态电解质按照分子结构可以分为晶态和非晶态两类。晶态氧化物电解质如LISICON，有晶格结构，在室温下化学稳定性高，有利于全固态电池的规模化生产。非晶态氧化物电解质如LiPON，无晶格结构，就像玻璃一样，但室温下的离子导电率高，电压高，热稳定性较好，已经得到了商业化应用。但氧化物电解质最大的问题是电导率一般比电解液还要低很多，容量也很小，只能满足低电压低功率场合。

硫化物：这是目前最具潜质的固态电解质材料，有Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等，室温离子电导率高，同时具有热稳定高、安全性能好、电化学稳定窗口宽的特点，在高功率及高、低温固态电池方面优势突出。可惜它非常娇气，对环境要求很高，遇到氧气会被氧化，遇到水会产生有害气体，制备工艺复杂，量产难度很高，同时硫化物对电极材料兼容性也很差。

除了技术问题，也不得不考虑制造成本。只有这些问题都得到解决，固态电池才能够实现量产。我们都知道锂离子电池性能远胜过铅酸电池，但市场上众多两轮电动车甚至是“老头乐”依然使用铅酸电池，原因就是价格远比锂离子电池便宜。既然铅酸电池能够满足通勤需要，消费者就没有理由和钱包过不去。固态电池也很有可能面临这样的尴尬局面，说到底，消费者并不是非要什么固态电池。只要能平衡成本和性能，你哪怕用干电池，大家也会买单。成本永远在商业中扮演极其重要的角色，降低成本的过程有时候比技术革新更漫长。

不要高兴太早

鉴于固态电池的各种难题，很多电池企业开始转变思路，并不是一步到位转全固态，而是尝试从减少电解液的占比进行过渡。伴随着电解质的逐步固态化，负极也向富锂、全锂演化，电池安全性和能量密度可以大幅提升。当然，这只能算是半固态电池，但技术就是循序渐进的，即便是锂离子电池，也经过了无数次的优化和革新，才成为今天的样子。总之，尽管现在全球固态电池研发和投资很热闹，但都远未达到量产阶段。市场上并没有真正量产的全固态锂电池，就连采用固液混合电解质的半固态电池，大多也都还躺在实验室里。

回到前面，蔚来那块固态电池是怎么回事呢？那块电池关联了三个关键词：无机预锂化工艺的硅碳负极，配合纳米级包覆工艺的超高镍正极，原位固化固液电解质。我们不用管它的正负极材质，只解读一下它对电解质的描述。原位固化的本意是将聚合物单体通过光，热等引发实现聚合，原位形成固体聚合物电解质，但这种电解质性能非常差，蔚来没理由在这上面纠缠。不过具体怎么原位固化他们也没说，但这句话的核心在于“固液电解质”，也就是说它仍然是同时含有固态和液态电解质的锂电池。

由此我们可以了解到，这块150kWh固态电池，实际上还是半固态电池，但蔚来没有提到电解液的注液量，也没敢公布价格。至于2022年能否交付，也没人知道。这块电池表面上看是技术革命，但实际上核心技术并没有变更，什么纳米、原位固化这些高大上的名词，不过是营销术语而已。