超级电池将改变电动汽车的性能

王晓涛

被问及最希望看到的电动汽车进步时，许多驾驶员都会列出以下3点：更长的行驶里程、更短的充电时间以及与类似配置内燃机汽车相比有竞争力的价格。为了实现这些目标，汽车制造商一直在寻找用更先进的“固态”电池代替传统锂离子电池（目前大部分现代电动汽车用的就是这种电池）的方法。毕竟，我们很早就知道这些新型超级电池能保证充电更快、行驶里程更长。最终，在克服多年来遭遇的诸多技术问题后，研发新型超级电池的努力即将开花结果。如果一切顺利的话，第一批固态锂离子电池应该会在未来数年里投入生产。

全球最大的汽车生产商丰田公司早在2012年就开始探索固态电池了。在此后的多年里，这家公司甚至多次计划展示原型产品，但最后真正拿出来的成果寥寥无几。不过，丰田公司最近宣布已经取得了“技术突破”，并且计划最早于2027年开始生产固态电池。同时，这家公司还宣称，他们研发的新型电池可以让电动汽车的行驶里程达到1 200千米左右，差不多在当前的基础上翻了一倍，而且只需10分钟左右就能充电完毕。

振奋人心

大力研发新型电池的汽车生产商不止丰田一家。其他开发固态锂离子电池的生产商大力鼓吹的新型电池性能与丰田大致相同。举个例子，目前正在横滨建设试验工厂的日产汽车公司会在2024年开始生产测试版本的新型电池。欧洲方面，宝马计划与固态能源公司（一家总部位于美国科罗拉多的电池开发商）合作，在德国筹建类似的试验工厂。硅谷初创企业量子空间则已经开始向他的主要支持者大众汽车公司输送原型固态电池。

研发固态电池需要花费那么长时间，或许很难令人意外。研发一款能在实验室里工作的新型电池是一码事，但把它量产、把它变成工厂里可以生产数百万件的物件又是另一码事，而且很困难。就拿现在统治汽车市场的锂离子电池来说，这种产品早在20世纪70年代末就已发明，但直到20世纪90年代初才完全商业化，而且起初是用于可移动电子设备（比如笔记本电脑和手机），而非汽车的，后来才出现了可以给新型电动汽车供能的更大版本。

电动汽车几乎是和汽车同一时间问世。实际上，相比亨利·福特（Henry Ford）制造的汽油动力汽车，他的妻子克拉拉·福特（Clara Ford）对1914年款底特律电动汽车的喜爱要大得多。然而，这些早期电动汽车——以及后续出现的其他版本——大多数都由几十块笨重的铅酸电池供能，成本高昂、行驶里程有限且加速往往慢得像树懒一样。锂离子电池不仅更轻，而且可以储存更多电能。它的出现大幅降低了电动汽车的成本、增加了行驶里程（见图1），从而开启了交通电气化时代。对汽车产业来说，固态锂离子电池的出现可能是又一场重大变革。

图1 电动汽车电池的发展

起初，汽车制造商看中的是固态电池的安全性——传统锂离子电池虽然功率强大，但也有一定风险。这是因为这类电池含有一种通常由有机溶剂制成的液体电解质，极易燃。因此，如果锂离子电池出现损坏——比如在交通事故中或是在充电时过热——它就可能爆炸起火。使用不可燃的固态电解质就没有这个问题。很多材料都可以充当固态电解质，比如聚合物和陶瓷。然而，即便是大规模生产的大师级公司丰田，在开始研发后都发现，很难让固态电池长时间高效工作。

固态电解质本身并不必然意味着电池性能的提高。但是，它可以改变锂离子电池的布局，使其变得更小、更轻，从而用更小的空间储存更多能量。另外，工程师则可以借助固态电解质拓宽生产锂离子电池的原材料，并且进一步改善这种电池的工作方式。

除了易燃这个问题之外，使用液体形式的电解质理由充分。电池充电后，电子就会从锂原子中剥离出来，电池电解质的阴极就会产生离子——所谓“离子”，就是一种带电粒子（见图2）。接着，电解质就充当了离子迁移到另一个电极也即阳极的介质。离子迁移的途中还会通过一个多孔分离器，后者的作用是确保两个电极分开，以免短路。与此同时，阴极处产生的电子则会沿着外部充电电路的导线向阳极移动。最后，离子和电子会在阳极处重新结合，并且存储在那儿。电池的放电过程与充电过程相反，电子在充电电路导线中运动时就能给设备供能——在电动汽车中，这种设备就是电动机。

图2 电之梦

媒介是关键

要想让上述一切高效运转，离子需要在电解质和阴阳两个电极之间轻松移动。两个电极上以微小粒子层的形式涂有各种物质。传统锂离子电池中的液体电解质可以流入这些粒子层并且进入粒子中，相当于为离子通行提供了很大的表面积。固态电解质不能像这样流入各种角落和缝隙，因此，我们得把它们紧紧压在电极上，才能保证接触良好。然而，在制造电池时这么做会损坏电极。这就是所谓的“导电问题”。总部位于布鲁塞尔的电池原料供应商优美科老板马思棋（Mathias Miedreich）表示：“导电问题正是生产固态电池的主要挑战之一。”

马思棋说，虽然在研究的起步阶段遇到了诸多问题，但2022年，日本汽车生产商在量产固态锂离子电池方面取得了重大进展。马思棋认为，他们在电动汽车的研发方面略微落后，因而计划通过新型电池实现弯道超越。或许的确如此，但打造超级电池的竞赛还远未分出胜负，尤其是因为存在各种各样的竞争者。

部分固态电池已经在市场上出现了。例如，隶属于博洛雷集团的法国公司蓝色方案已经生产了一款用聚合物作电解质的电池。由于这款电池需要较高的工作温度，最佳应用场景就是那种一旦电池加热就会持续使用的车辆。因此，它现在被用于电动公共汽车的供能。

还有一些电池则属于过渡产品，因为它们仍然含有少量液态电解质以提升导电能力。主导市场的许多中国电池生产商正在研发半固态电池。从总市场份额看，全球电动汽车电池的1/3以上目前都由中国公司宁德时代生产。这家公司表示，2023年年末时就将开始生产一种半固态电池，并称其为“凝聚态”电池。宁德时代还同时宣称，这款电池不仅很安全，而且储电能力也很强。

电池的储电能力可以用它的比能来衡量，也即单位质量可以存储的能量。按照宁德时代的说法，它的凝聚态电池每千克可以储存高达500瓦时的电能（500Wh/kg）。当前市场上使用液态电解质的锂离子电池最高储电性能大约是300Wh/kg。全固态电池的性能则可以达到600Wh/kg以上。除了大幅提升电动汽车的性能之外，如此轻便且高功率的电池还能极大扩展小型垂直起降空中出租车（一种小型短途飞机，即将获得适航证）的应用范围。

不过，储电能力只是评判电池优劣的一个方面，输电速度、耐用性以及生产成本是同等重要的因素。当然，在解决这些问题时需要做一定取舍。举个例子，提升电池的储电能力如果要用到更多锂的话，就很可能会增加成本。另外，一般来说，快速充电会缩短电池的使用寿命。平衡各方面的关键在于选用的电池原材料。

材料问题

锂电池中成本最高的部件就是阴极。理论上说，固态电池阴极选用哪种材料相当不确定，目前最常见的两种分别是所谓的NMCs和LFPs。前者由不同比例的镍、锰和钴构成，同时覆有锂涂层，后者则由磷酸铁锂的混合物制成。由于镍和钴成本高昂，现在生产商越来越青睐LFPs，中国制造商尤其擅长制造使用这类阴极的电池。不过，由于储电能力不及NMCs，使用LFPs阴极的电池往往使用在不需要太高性能的车辆上。

全球有成百上千家实验室在研发各种新型电池原材料，因而一定会出现各种新型阴极。举例来说，优美科同日本电解质生产商出光兴产合作，正在开发一种叫作“阴极电解质”的材料。这种材料把阴极化学物质同固态电解质整合到一起，形成单层。如果成功，这种材料会使电池的制造变得更加简单。另外，科学家还在研究用钠代替锂作为电池中离子的来源，毕竟，地球上钠储量丰富且价格低廉。不过，锂作为最轻的金属在某些交通应用上还是具备优势的。

至于阳极，材料也在发生变化。目前，大多数阳极由石墨构成。石墨是一种纯碳，主要从莫桑比克和中国的少数几个矿中提取，或是利用碳密集型过程在石化工厂中合成。因为固态电解质降低了发生不良反应的风险，所以也可以使用硅和某些金属（特别是金属形式的锂）来作为阳极材料。相比石墨，这些材料可以用更小的空间存储更多能量，于是，电池就能造得更轻、更小。另外，固态电解质还能同时起到分离器的作用，因而能留下更多空间。

未来，部分固态电池甚至会是“无阳极”的（见表2）。这正是量子空间的研发方向。这家公司研发了一种已经获得专利的特制陶瓷，充当分离器和电解质，安放在阴极和金属箔片之间。电池充电时，锂离子通过固态电解质移动，并且在金属箔片上积聚，从效果上说，等同于在箔片上镀了一层锂，构成有效的阳极。电池放电时，离子又会往回迁移，阳极随之消失。

以这种方式形成阳极意味着电池会膨胀、收缩。量子空间联合创建人蒂姆·霍尔姆（Tim Holme）表示，传统锂离子电池其实也有这个情况，只不过膨胀、收缩幅度在4%左右，而量子空间的电池差不多有15%。当然，这种尺寸变化是在电池封装内发生，这些封装堆叠成层，形成构成完整电动汽车电池的模块。

量子空间公司表示，他们的电池除了行驶里程长、充电快，“使用寿命”也很长。这个指标衡量的是，电池储电能力下降到90%以下、性能开始衰退之前可以充电、放电多少次。霍尔姆说，量子空间的电池至少能充、放电800次。因此，即便每次充电只能提供大约500千米的平均行驶里程，使用量子空间电池的电动汽车总行驶寿命也能达到40万千米左右——这对任何车辆来说，都算是很不错了。霍尔姆还补充道，由于使用了陶瓷，他们的电池还能规避树枝晶的形成。树枝晶就是一些像手指一样的金属微结构，可以在液态电解质中生长并且造成短路。包括凝聚态电池在内的半固态电池都仍会受到树枝晶的影响。

生产线上

在正式装上汽车并接受检验之前，我们永远也无法真正了解生产商鼓吹的这些新型电池性能究竟如何。就现在的电动汽车市场来说，广告宣传中的行驶里程在真实驾驶条件下往往无法达到。IDTechEx分析员何小西（Xiaoxi He，音译）表示，2025—2026年，半固态电池会首次出现在汽车上。至于全固态电池——丰田等公司开发的那种——按她的预计要到2028年才能正式投入应用。

最初生产的新型电池数量一定不大，因为各大公司都只会试产，在保证前景之后才会为生产、制造新型电池投入数十亿美元改造现有的“超级工厂”。何小西博士说，这意味着这类电池在刚进入市场时价格会比较昂贵，多数在豪车和高性能车辆上使用。因此，廉价固态电池在家用汽车上的广泛应用可能是21世纪30年代后半叶的事了。

大规模生产新型电池究竟能削减多少成本？这个问题在很大程度上取决于未来10年内电池原材料价格的变化。保时捷咨询公司（独立于这家德国跑车生产商的子公司）法比安·达夫纳（Fabian Duffner）说：“固态电池使用的锂会比现在多得多。”按照他的估算，相比传统锂离子电池，含有大容量阴阳极的新型固态电池需要的锂要多出40%～100%，具体数字取决于生产方式。与此同时，生产商在逐步提升电动汽车产量以取代内燃汽车时，本来也会需要更多的锂。

锂这种金属有时也被叫作“白金”，价格一直处于过山车状态。大部分锂市场由中国主导。2022年年底，电池级碳酸锂的价格飙升到了一吨60万人民币左右，但自那之后逐渐回落到了一吨25万人民币上下——仍是两年前的两倍左右。另外，镍的价格波动也很剧烈。

达夫纳博士补充说，在这样一个不断变化的市场中，电池生产公司需要保证原料供应线稳定。这点其实很难做到，因为即使一些新的锂矿以及其他电池原料都在开发中，全面生产也是十年甚至更久之后的事了。

因此，达夫纳博士预测，许多大型汽车生产商将同电池生产商和原料供应商更加紧密地合作，实现垂直方向上的整合。在日本，丰田、日产和本田已经与两家电池生产商松下和GS汤浅联合，构成了一个开发固态电池的联盟。

回收原材料也能提供一定程度的帮助。实际上，大多数工厂已经开始回收消费者手中电子产品的电池了。随着老旧电动汽车的报废，他们还会进一步扩大回收规模，循环利用越来越多的电池。这种方法相当有优势——只要从报废电动汽车中分离出电池，就能把它们碾碎，回收其中的锂、钴、镍和锰等原材料并作提纯处理。

总部位于美国内华达州的电池回收商“红木材料”利用部分回收的材料生产新的电池阴极和阳极。瑞典电池制造商诺斯沃特在欧洲建有许多超级工厂。这家公司期望，在2030年前从回收电池中获取所需原材料的一半左右。

无论如何，固态锂离子电池已经在路上了。这种新型电池看上去很有希望让电动汽车同使用肮脏旧式内燃机的传统汽车在行驶里程、性能和便利性上展开终极全面竞争。目前，标准锂离子电池的花费占到了电动汽车生产总成本的40%左右。如果电动汽车要想在价格上也具备同传统汽车一较高下的竞争力，那么配备固态超级电池之后，这一电池成本占比必须下降。

资料来源TheEconomist