說(shuō)真的，不會(huì)真有人信了固態(tài)電池這個(gè)邪吧？？？
從白馬非馬，到不超 33 萬(wàn)就能實(shí)現(xiàn)上千續(xù)航，前段時(shí)間的智己汽車(chē)幾乎憑一己之力把固態(tài)電池這概念重新炒了起來(lái)。
不僅是太藍(lán)這種新興電池公司，像廣汽昊鉑、日產(chǎn)都紛紛推出了自己的固態(tài)電池產(chǎn)品，更是直接定下了量產(chǎn)時(shí)間，咋感覺(jué)這事好像馬上就要成了。
可是，當(dāng)脖子哥進(jìn)一步細(xì)究，卻發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)不對(duì)的地方。
上面的這幾位，都非常默契地沒(méi)有細(xì)說(shuō)自己的技術(shù)細(xì)節(jié)。像智己發(fā)布會(huì)，有關(guān)電池技術(shù)的討論只有寥寥三張 PPT ，固態(tài)電池到底進(jìn)展如何，這群聲稱造出來(lái)的人恐怕也都是揣著明白裝糊涂。。。
所以為了搞明白固態(tài)電池到底是個(gè)什么東西，我們找到了一些電池領(lǐng)域的專家以及投資機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)備把固態(tài)電池扒個(gè)一干二凈。
首先，想要搞懂現(xiàn)在固態(tài)電池到底發(fā)展到什么程度，我們得先了解下——什么是固態(tài)電池？
現(xiàn)在車(chē)上常見(jiàn)的鋰電池是液態(tài)電池，它由四大材料組成：分別是正極、負(fù)極、電解液和隔膜。
正極就是咱們常說(shuō)的三元鋰、磷酸鐵鋰這類鋰材料，里面充滿著鋰原子，而負(fù)極一般是層狀結(jié)構(gòu)的石墨，用來(lái)接收鋰原子。
中間的電解液則是用來(lái)連接正負(fù)極的，而隔膜的作用是隔開(kāi)它們兩個(gè)，防止發(fā)生短路，并且只有鋰離子能通過(guò)隔膜。
當(dāng)電池充電的時(shí)候呢，正極的鋰原子會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，分成鋰離子和電子，鋰離子游過(guò)電解液，順利通過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極。而電子會(huì)被隔膜攔住，只能從外部電路到達(dá)負(fù)極，兩者到負(fù)極重新結(jié)合成鋰原子，這就是充電。
把過(guò)程反過(guò)來(lái)，鋰離子和電子回到正極，那就是放電。
這就是電池工作循環(huán)的過(guò)程。
而所謂固態(tài)電池，就是把中間的隔膜和電解液，給它換成梆梆硬的固態(tài)電解質(zhì)。
可是，人家薄膜和電解液本來(lái)工作得好好的，你換掉它干什么嘞？
那是因?yàn)?，電池頭上一直有一把達(dá)摩克里斯之劍，那就是——安全。
咱們應(yīng)該都看過(guò)電池的針刺試驗(yàn)，模擬電池被外力刺穿，造成內(nèi)部短路。而電解液作為一種有機(jī)溶劑，燃點(diǎn)低，易揮發(fā)，配上活躍的三元鋰材料，那是一戳就爆。
除了外部的威脅，電池內(nèi)部也有一根根相似的 “ 針 ” 。
在電池充電的時(shí)候，部分鋰離子會(huì)被還原成金屬鋰，也就是常說(shuō)的鋰枝晶。隨著充放次數(shù)的增加，越來(lái)越多的鋰離子被還原，鋰枝晶會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)，直到刺穿隔膜，引發(fā)短路。
而且，鋰枝晶目前還沒(méi)有有效的手段阻止，這是電池本身存在的問(wèn)題，只能用點(diǎn)納米技術(shù)之類的盡量延緩枝晶生長(zhǎng)。
另一方面，我們對(duì)長(zhǎng)續(xù)航快充的需求進(jìn)一步的增加了安全隱患。
現(xiàn)在新能源越來(lái)越卷，消費(fèi)者基本都是既要又要還要，又要長(zhǎng)續(xù)航，電池還不能太重影響駕駛。這么一來(lái)，電池只剩提高能量密度這一條路可走了。
當(dāng)你給能量密度塞爆了，自然就變得危險(xiǎn)了。
提高能量密度有兩條途徑，一個(gè)是加強(qiáng)正極，另一個(gè)是加強(qiáng)負(fù)極。
以三元鋰電池為例，目前常用的正極材料為鎳鈷錳（ NCM ）。這里有一份正極材料的能量密度對(duì)比表，我們可以看到，鎳的成分越高，比容量和能量密度就越大。
那既然含鎳越多越好，那把鎳頂滿行不行？
額。。。行
鎳這個(gè)玩意就是給鋰離子加 “ 攻速 ” 的，當(dāng)鎳含量過(guò)高（ >0.8 ），就會(huì)導(dǎo)致電池?zé)岱€(wěn)定性變差。
遇到高溫、碰撞等情況，會(huì)更容易發(fā)熱釋出氧氣，二次破壞正極結(jié)構(gòu)。而在液態(tài)電池的環(huán)境下，隔膜受熱收縮，導(dǎo)致正負(fù)極化學(xué)物質(zhì)接觸后發(fā)生短路，后就炸了。
之前的 NCM 811 電池，就發(fā)生過(guò)多起起火事件。
而負(fù)極在找替代材料中，同樣也出現(xiàn)了很多需要解決的問(wèn)題。
我們前面提到負(fù)極材料一般是石墨，在充電的時(shí)候，鋰離子從正極過(guò)來(lái)，石墨可以通過(guò)自身特有的插層反應(yīng)，讓鋰離子排隊(duì)嵌入到這些六邊形的中間。這樣石墨整體的膨脹幅度小，離子進(jìn)進(jìn)出出石墨也不會(huì)有大的形變，電池循環(huán)壽命得以提高。
但是，鋰離子一個(gè)個(gè)排隊(duì)進(jìn)入還是太慢了，排得越慢，充電就越慢，得找種新材料了。
所以，工程師們盯上了元素周期表里和石墨同族的硅，硅的理論比容量為 4200mAh/g ，是石墨的 10 倍以上。
而且硅的結(jié)構(gòu)和要離子排隊(duì)入座的石墨不同，在硅里面，鋰離子可以從四面八方 “ 插隊(duì) ” ，這意味著，拿硅基材料當(dāng)負(fù)極，充電速度可以變得更快。
當(dāng)然，有優(yōu)點(diǎn)就肯定有缺點(diǎn)。
硅在作為負(fù)極材料的時(shí)候，會(huì)與鋰發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)（ 相變 ），體積膨脹率可達(dá) 300% 。這么離譜的膨脹會(huì)撐爆負(fù)極表面的 SEI 膜。
這個(gè) SEI 膜原本是電解液與負(fù)極反應(yīng)生成的一層鈍化層，能夠起到一定的保護(hù)作用。
不過(guò)，這層鈍化層的形成需要消耗鋰離子，而硅負(fù)極這么不斷地把它撐爆，然后又修復(fù)，撐爆，又修復(fù)。來(lái)回倒騰后，會(huì)導(dǎo)致鋰離子變少，電池電量就衰減了。
而且，戳著戳著，鋰離子在負(fù)極堆積，會(huì)加速鋰枝晶的生成，到時(shí)候鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致短路，又要炸了。
上面的這些問(wèn)題，無(wú)外乎都是因?yàn)?strong>中間的電解液和隔膜過(guò)于弱雞。
但固態(tài)電解質(zhì)就不同的了。像比較成熟的氧化物固態(tài)電解質(zhì)，本身材質(zhì)就像陶瓷一樣，不可燃、耐高溫、防腐蝕、不揮發(fā)，能從根本上把這些問(wèn)題全都解決掉。
面對(duì)危險(xiǎn)的鋰枝晶，固態(tài)電解質(zhì)不易反應(yīng)的特性也能抑制鋰枝晶的生成。即使生成了，堅(jiān)硬的固態(tài)電解質(zhì)也是擋在鋰枝晶面前堅(jiān)硬的壁壘。
解決掉安全問(wèn)題之后，正負(fù)極就可以敞開(kāi)了用更猛的耐高壓材料，什么 900Wh/kg 能量密度的富鋰正極；超危險(xiǎn)，但理論上達(dá)到 2567Wh/kg 的鋰硫正極。。。都可以通通往上搞。
加上固態(tài)電解質(zhì)的體積更小，電池就能更輕薄，電池包內(nèi)液冷等設(shè)計(jì)也可以縮減了，空間利用率進(jìn)一步提升。
所以，固態(tài)電池基本上就是目前電池發(fā)展的優(yōu)解，各大廠商，像寧德、 byd 、上汽、廣汽、蔚來(lái)等等，都在緊鑼密鼓的研發(fā)。
但是，這么好的東西，也有無(wú)數(shù)投資機(jī)構(gòu)往里砸錢(qián)，為什么固態(tài)電池就是死活弄不出來(lái)呢？
那是因?yàn)?，固態(tài)電池難點(diǎn)也太太太多了。。。
首先，固態(tài)電解質(zhì)硬是硬了，但硬了也有壞處，這樣固態(tài)電解質(zhì)的阻抗先天就高。原來(lái)鋰離子那都是在液體中游動(dòng)的，現(xiàn)在成固體了，想想都覺(jué)得難。
這是由固體的性質(zhì)決定的，沒(méi)辦法徹底解決，只能想辦法優(yōu)化，比如加點(diǎn)納米材料在電解質(zhì)內(nèi)部，增加材料內(nèi)部通道的有序性，從而提高通過(guò)性。
而且，固態(tài)電池在微觀上還存在固 - 固界面問(wèn)題。就是正、負(fù)極和電解質(zhì)的連接從液體的浸潤(rùn)變成了硬連接，而固體無(wú)論表面做的多光滑，放大一看，總會(huì)留有縫隙，這樣鋰離子的通過(guò)性就會(huì)變差。
不僅如此，電池在工作的過(guò)程中，離子嵌入析出會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極發(fā)生微小的形變，放以前液態(tài)電池軟包裹的環(huán)境可能沒(méi)啥，但是換成固態(tài)之后，每一處都是硬連接，擠著擠著就容易把結(jié)構(gòu)擠壞，電池的循環(huán)壽命就減少了。
后一點(diǎn)，也是重要的一點(diǎn)，固態(tài)電解質(zhì)暫時(shí)還找不到適合大規(guī)模量產(chǎn)的材料。
目前固態(tài)電池里面的電解質(zhì)主要有三條路線，分別是聚合物、氧化物、硫化物。
其中，聚合物電池雖然早開(kāi)始研發(fā)，但是室溫下能量密度實(shí)在太低了，得加熱到 50 度 - 80 度才能用，使用場(chǎng)景非常有限。
氧化物的研究則較為成熟，有著不錯(cuò)的能量密度，穩(wěn)定性也好，但前面也說(shuō)過(guò)了，本身的性質(zhì)比較像陶瓷，固 - 固界面問(wèn)題突出，充放電表現(xiàn)不佳。
而且，氧化物制備過(guò)程需要用到900 度以上的超快高溫?zé)Y(jié)工藝，對(duì)工廠的加工技術(shù)提出挑戰(zhàn)的同時(shí)，過(guò)高的能耗也增加了產(chǎn)線的成本。況且燒制出來(lái)的氧化物還容易顆粒大小不一，還需要研發(fā)新的活性材料去填充孔位，成本 upup 。
至于硫化物，質(zhì)地較軟，電導(dǎo)率那叫一個(gè)離譜，甚至比液態(tài)電解質(zhì)還高。能量密度也是頂級(jí)，平常說(shuō)能量密度比液態(tài)高一倍（ 500Wh/kg ）的那個(gè)就是它，但是，它有一個(gè)很致命的缺點(diǎn)——不穩(wěn)定。
它活性極高，基本可以看作是爆炸物。
在內(nèi)部，容易與正負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，需要研發(fā)緩沖層來(lái)涂敷在表面降低活性。
在外面，又對(duì)空氣和水分極度敏感，一丟丟水和空氣就能釋放出毒氣。導(dǎo)致硫化物路線的全套工藝都要在干燥房中進(jìn)行，露點(diǎn)要求低于 -60 ℃，即五立方米內(nèi)只能有一滴水。
這么危險(xiǎn)，導(dǎo)致每一個(gè)生產(chǎn)步驟、主機(jī)廠的 BMS 、電池的 CTC ，全鏈條都得重新匹配，成本爆炸。
幾條路線看下來(lái)，各有優(yōu)劣，目前也并沒(méi)有哪一條真正實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，很難說(shuō)哪一條是正確的。像別的道路也還有像鹵化物之類的，各大科研機(jī)構(gòu)、電池廠商都在積極的尋找可以量產(chǎn)的方案。
說(shuō)到這，咱們基本上把固態(tài)電池盤(pán)完了，要想實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池真的還遠(yuǎn)著呢。中科院院士歐陽(yáng)明高曾經(jīng)表示，到了 2030 年左右，全固態(tài)電池才有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
所以智己的電池又是怎么做的呢？
根據(jù)清陶能源的直播，智己的半固態(tài)電池在固態(tài)電解質(zhì)里加入了10% 的 “ 潤(rùn)濕劑 ” 。
這在一定程度上可以解決固態(tài)電解質(zhì)的界面問(wèn)題，算是固態(tài)和液態(tài)之間的一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品。他們也預(yù)計(jì)在今后的兩三年內(nèi)逐步減少潤(rùn)濕劑的比例，逐漸過(guò)渡到真正意義上的固態(tài)電池。
所以，開(kāi)始智己那個(gè)問(wèn)題也可以回答了，白馬是馬，但半固態(tài)它真的不是固態(tài)。
誒，我想到一個(gè)更貼切的名稱，要不咱們把半固態(tài)叫半液態(tài)？這樣消費(fèi)者就不會(huì)混淆了。
其實(shí)就像蔚來(lái)斌哥自己說(shuō)的，蔚來(lái)的 150 度半固態(tài)電池象征意義大于實(shí)際意義。半固態(tài)電池的出現(xiàn)更多的是在展現(xiàn)電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度，行業(yè)也基本確定了 “ 液態(tài) - 半固態(tài) - 固態(tài) ” 的路線，總歸是一件好事。
既然固態(tài)電池看起來(lái)還是那么遙遠(yuǎn)，那么現(xiàn)階段的電池真的就沒(méi)有什么進(jìn)步的空間了嗎？
欸，當(dāng)然不是。
比如寧德時(shí)代的麒麟電池，就在電池包的利用率上繼續(xù)做文章。
通過(guò)第三代的 CTP 封裝方式，取消模組形態(tài)設(shè)計(jì)，優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)充分利用電池包內(nèi)的空間，盡可能多的往里塞電池，利用率達(dá)到了 72% 。
而快在今年 8 月上市的比亞迪第二代刀片電池，也是殊途同歸。根據(jù)國(guó)家專利局公開(kāi)的文件（ CN117748057A ），比亞迪將橫置的刀片電池改成縱置，通過(guò)新型集成度更高的電芯連接件，將刀片電池排得密密麻麻，應(yīng)該也能增加不少能量密度。
更多像中鎳單晶、富鋰錳基等用上新正極材料的電池也都在持續(xù)研發(fā)中，液態(tài)電池的潛力還沒(méi)被挖盡呢。
如果液態(tài)電池可以做到像半固態(tài)那樣上千公里續(xù)航，還比半固態(tài)更安全，成本更低，那半固態(tài)可就沒(méi)車(chē)企們吹的這么香了。
真到了 2027 年，咱們?cè)賮?lái)看看固態(tài)電池出來(lái)沒(méi)。
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