固態(tài)電池的量產(chǎn)難度究竟在哪里呢？揭秘固態(tài)電池量產(chǎn)之謎

就在最近一兩周，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn) 1000 公里續(xù)航的口號(hào)成了行業(yè)熱點(diǎn)話題。

蔚來(lái)、智己、廣汽等車企先后表示有方案可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，包括了固態(tài)電池、硅負(fù)極電池等等。其中最引人注目的，自然就是代表了動(dòng)力電池未來(lái)的固態(tài)電池技術(shù)了。

傳統(tǒng)車企的領(lǐng)頭羊之一，豐田汽車在不久前也宣布將在今年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的小批量量產(chǎn)。有了固態(tài)電池的加持，仿佛電動(dòng)汽車技術(shù)就站在了實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展的前夜，在續(xù)航上分分鐘可以打敗燃油車型。

但固態(tài)電池技術(shù)真的已經(jīng)到了量產(chǎn)的前夜了嗎？蔚來(lái)喊出 2022 年量產(chǎn)的底氣來(lái)自哪里？動(dòng)力電池企業(yè)們對(duì)固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間表，又有著怎樣的預(yù)期呢？

帶著這些問(wèn)題，我們和動(dòng)力電池領(lǐng)域的從業(yè)者和技術(shù)專家進(jìn)行了交流，發(fā)現(xiàn)事實(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有這么樂(lè)觀。

一、蔚來(lái)明年量產(chǎn)固態(tài)電池 再次帶熱固態(tài)電池

在今年的蔚來(lái) NIO Day 上，蔚來(lái)發(fā)布了多款重磅產(chǎn)品，除了被視為下一代旗艦的蔚來(lái) ET7，李斌還在發(fā)布會(huì)上發(fā)布了一款 150kWh 大號(hào)電池包。

根據(jù)蔚來(lái)方面的介紹，這款電池將會(huì)是固態(tài)電池，采用原位固化固液電解質(zhì)、無(wú)機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極、納米級(jí)包覆超高鎳正極，電芯的能量密度達(dá)到了 360Wh/kg，而現(xiàn)階段能量密度最高的 NCM811 電芯大概在 270Wh/kg 左右。

在采用了這款電池包之后，2018 款 ES8 的 NEDC 續(xù)航里程將會(huì)達(dá)到 730 公里，全新 ES8 的 NEDC 續(xù)航里程將會(huì)達(dá)到 850 公里。ES6 的高性能版本的 NEDC 續(xù)航里程將會(huì)達(dá)到 900 公里，EC6 的高性能版本的續(xù)航里程為 910 公里。

在發(fā)布會(huì)上剛發(fā)布的新款車 ET7 在采用了這款電池包之后，NEDC 續(xù)航里程將會(huì)超過(guò) 1000 公里，這意味著這款車將會(huì)成為現(xiàn)階段續(xù)航最長(zhǎng)的電動(dòng)汽車。

在發(fā)布會(huì)之后，率先引起用戶討論的并不是這款車的性能如何，而是蔚來(lái)表示將會(huì)在 2022 年第四季度量產(chǎn)固態(tài)電池這件事。隨著討論的發(fā)酵，也固態(tài)電池再次成為了行業(yè)的熱點(diǎn)之一。

而在去年年末，《日經(jīng)新聞》報(bào)道，豐田計(jì)劃在 2021 年首次亮相其搭載了固態(tài)電池的量產(chǎn)車，也曾引發(fā)過(guò)關(guān)于固態(tài)電池的討論。

連續(xù)兩個(gè)關(guān)于固態(tài)電池的量產(chǎn)規(guī)劃讓固態(tài)電池的量產(chǎn)似乎出現(xiàn)了曙光，而固態(tài)電池上車，并且讓車輛的續(xù)航突破 1000 公里似乎已經(jīng)完全不是問(wèn)題了，電動(dòng)車全面代替油車的時(shí)代似乎已經(jīng)到了。

但事實(shí)真的是這樣嗎？蔚來(lái)為何能突破行業(yè)平均水平，提前量產(chǎn)？帶著這兩個(gè)問(wèn)題，車東西和動(dòng)力電池領(lǐng)域從業(yè)人員進(jìn)行了一些交流，得出了一些新的認(rèn)識(shí)。

二、蔚來(lái)是半固態(tài)電池量產(chǎn) 有企業(yè)今年可實(shí)現(xiàn)

要知道蔚來(lái)為何能夠提前量產(chǎn)固態(tài)電池就首先要明確固態(tài)電池的兩種形式，一種是半固態(tài)電池，電解質(zhì)為固液夾雜；另一種是全固態(tài)電池，電池的電解質(zhì)完全為固態(tài)，也就是更多人理解中的固態(tài)電池。

蔚來(lái)本次發(fā)布會(huì)上所發(fā)布的固態(tài)電池屬于前一種，即半固態(tài)電池，并非公眾理解中的固態(tài)電池。蜂巢能源的技術(shù)支持總監(jiān)林育民告訴車東西，半固態(tài)電池并不是很先進(jìn)的技術(shù)，蜂巢能源今年電池日活動(dòng)上發(fā)布的果凍電池就已經(jīng)是半固態(tài)電池了，蜂巢能源今年能具備量產(chǎn)的條件。

林育民表示，在現(xiàn)階段的 NCM 811 電池的基礎(chǔ)上，往負(fù)極材料上摻加硅碳元素，就能生產(chǎn)出半固態(tài)電池，從技術(shù)上來(lái)看完全可行。

半固態(tài)電池最大的優(yōu)點(diǎn)就是能量密度更高，電芯能量密度做到 300Wh/kg 左右完全沒(méi)問(wèn)題，這樣做的好處是，可以讓電動(dòng)汽車攜帶更多的電池。

他還表示幾年前這項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)有了，但當(dāng)時(shí)材料的成本都比較高，如果生產(chǎn)出 150kWh 的電池包，那么只有售價(jià)超過(guò)百萬(wàn)的車型才能夠使用。

而且早些年，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼政策比較明確，電池企業(yè)也在這個(gè)政策下進(jìn)行生產(chǎn)，明確來(lái)講就是，政府對(duì)電池的補(bǔ)貼要求是什么，電池企業(yè)就生產(chǎn)什么樣的電池。車企這邊也是同樣的道理，政府補(bǔ)貼對(duì)續(xù)航的要求決定了車輛的續(xù)航里程。

近些年，材料成本不斷降價(jià)，生產(chǎn)更大容量的電池變得更加可行，再加上蔚來(lái)汽車的售價(jià)平均都在 40 萬(wàn)上下，電池成本對(duì)整車售價(jià)影響不算太大，蔚來(lái)在此時(shí)推出這種電池也合情合理。

在使用壽命上，這種電池也完全能夠滿足用戶的需求。舉個(gè)例子，電動(dòng)車使用最多的場(chǎng)景主要是平時(shí)的上下班，而上下班的通勤距離一般都不會(huì)太遠(yuǎn)，夸張來(lái)說(shuō)，假如用戶上下班的通勤距離有 100 公里，那么充一次電，車輛也足以使用一周。

做個(gè)簡(jiǎn)單的乘法題，充一次電可以使用一周，一年僅需要充電 52 次，那么十年，電池也就循環(huán)了 500 多次，也就是 50 萬(wàn)公里的續(xù)航距離了。

林育民表示，這個(gè)循環(huán)數(shù)據(jù)對(duì)于液態(tài)電池或是摻硅碳電池（半固態(tài)電池）來(lái)說(shuō)完全不成問(wèn)題，摻硅碳電池在硅碳含量達(dá)到 10% 左右的時(shí)候，循環(huán)壽命可以實(shí)現(xiàn) 700 次以上，甚至突破 1000 次都可以實(shí)現(xiàn)。

但這種大電池包也并非完全沒(méi)有缺點(diǎn)，更大的容量意味著電池的充電時(shí)間會(huì)變得更長(zhǎng)，目前公共充電樁的功率大部分都維持在 30kW~60kW 之間，在這種充電樁下，150kWh 的電池包完全充滿電理論上需要 2.5～5 個(gè)小時(shí)。

而用戶家里安裝的家充的功率則在 10kW 左右，這就意味著采用家充的話，可能需要十幾個(gè)小時(shí)才能夠?qū)㈦姵爻錆M。

目前蔚來(lái)正在全國(guó)積極建設(shè)換電站，采用換電模式后，用戶直接開(kāi)車過(guò)來(lái)?yè)Q電就行，而電池包的充電則是蔚來(lái)?yè)Q電站的工作。

可能正是出于這個(gè)目的，李斌在 NIO Day 上表示，將會(huì)在 2021 年在全國(guó)建成 500 座換電站，而 2022 年這一數(shù)據(jù)還會(huì)繼續(xù)增加，屆時(shí)，蔚來(lái)再推出 150kWh 電池包在充電方面也會(huì)有一定的保障。

北京某研究所電池技術(shù)專家高晨（化名）也向車東西表示，目前在用于電動(dòng)汽車的固態(tài)電池領(lǐng)域，先推出半固態(tài)電池也不失為一個(gè)實(shí)現(xiàn)快速商業(yè)化落地的好方法。

三、專家：全固態(tài)電池至少還需五年才能商用

既然蔚來(lái)要推出的固態(tài)電池并非是全固態(tài)電池，那么全固態(tài)電池究竟要到什么時(shí)候才能大規(guī)模商用呢？

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，車東西也得到了幾個(gè)答案，高晨表示，動(dòng)力電池的大規(guī)模上商用至少要到 5 年之后，而此前國(guó)軒高科高級(jí)副總裁徐興無(wú)和欣旺達(dá)副總裁梁銳也曾傳遞了相似的看法。

豐田雖然要在今年推出固態(tài)電池車型，但是官方也表示將會(huì)在 2025 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，寶馬此前曾宣布將會(huì)在 2026 年量產(chǎn)搭載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車，而寧德時(shí)代更是認(rèn)為要到 2030 年才能大規(guī)模量產(chǎn)完全固態(tài)電池。

雖然各個(gè)企業(yè)表達(dá)的時(shí)間點(diǎn)并不一致，但是不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)行業(yè)內(nèi)均認(rèn)為至少要到 2025 年之后才能推出完全固態(tài)電池。

那么固態(tài)電池的量產(chǎn)難度究竟在哪里呢？為何研發(fā)進(jìn)度如此緩慢呢？

1、電解質(zhì)導(dǎo)電性太差和界面阻抗太大影響研發(fā)進(jìn)展

一位動(dòng)力電池從業(yè)人員告訴車東西，目前固態(tài)電池的難點(diǎn)在于電解質(zhì)導(dǎo)電性太差和界面電阻太大。化學(xué)反應(yīng)所選擇的介質(zhì)通常會(huì)選擇液體，這是因?yàn)殡x子在液態(tài)的物質(zhì)中更容易移動(dòng)，也更容易發(fā)生反應(yīng)。

固態(tài)電解質(zhì)的第一大技術(shù)難點(diǎn)就是鋰離子的遷移效率，這直接影響了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。據(jù)了解，目前絕大多數(shù)的固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率在 10^-7—10^-2 S/cm 之間，而目前三元鋰電池所使用的液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率為 10^-2 S/cm，絕大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低于液態(tài)電解質(zhì)，影響了固態(tài)電池的實(shí)用性能。

林育民也表示，現(xiàn)在主要就是在材料上無(wú)法進(jìn)一步突破，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的電池企業(yè)無(wú)論走哪條路線來(lái)做固態(tài)電池在材料上都有問(wèn)題。

另一個(gè)問(wèn)題出在固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸上，液態(tài)電解質(zhì)可以最大限度地與電極保持接觸，而固態(tài)電解質(zhì)與電極之間很難做到完美貼合，如此一來(lái)，電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗就會(huì)上升，同樣影響固態(tài)電池的實(shí)用性能。

高晨認(rèn)為這也是非常關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，在液態(tài)電池里，界面主要是液態(tài)和固態(tài)組成，而固態(tài)電池則是固態(tài)和固態(tài)的界面，所以界面的組成本身材料形態(tài)、物質(zhì)組成都發(fā)生了根本性的變化，很多問(wèn)題都是固固界面的接觸引起的。

在技術(shù)方面，液態(tài)電池的生產(chǎn)工藝比較成熟，是采用涂布的方式，把不同的材料壓在一起，然后把液態(tài)電解質(zhì)注射進(jìn)去，達(dá)到均勻分布。而固態(tài)電池不能按照這種方式來(lái)生產(chǎn)，需要發(fā)展全新的工藝，實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)、正極材料和負(fù)極材料良好的接觸，達(dá)到像固體和液體這樣包覆性的接觸。

2、三大技術(shù)路線均存在一定的缺點(diǎn)

據(jù)了解，現(xiàn)在學(xué)界與業(yè)界在固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)摸索出了三條較為可行的技術(shù)路線：聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)以及無(wú)機(jī)硫化物電解質(zhì)，但這三條路線也各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。

在聚合物電解質(zhì)方面，材料主要有聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等。高晨介紹，這種聚合物的優(yōu)點(diǎn)在于比較柔軟可以做凝膠狀態(tài)，具有一定的柔韌性。

但這種電解質(zhì)的缺點(diǎn)在于導(dǎo)電率過(guò)低，比現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率低了四到五個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)產(chǎn)生不少的影響。在材料聚合的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生水，同樣會(huì)對(duì)電池里的金屬元素造成不好的影響。

在無(wú)機(jī)硫化物電解質(zhì)方面，材料主要有 Thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS 等。據(jù)高晨介紹，最好的硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率已經(jīng)可以跟液態(tài)電池持平的水準(zhǔn)，但硫系電解質(zhì)還存在一系列的問(wèn)題。

這種材料耐高壓方面比較差，跟水分接觸，容易發(fā)生負(fù)反應(yīng)，生成有毒的、易燃易爆的硫化氫氣體，這個(gè)固有的問(wèn)題阻礙了現(xiàn)有的硫化物固態(tài)電池的發(fā)展。此外，現(xiàn)有電池的制備工藝是基于濕法的制備方式，很難避免跟水分的接觸。

在無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)方面，主要材料有薄膜型（LiPON）、非薄膜型（LLZO）。高晨表示，這類電解質(zhì)跟液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率差距已經(jīng)不是很大了，相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，并且這種材料對(duì)環(huán)境的要求比較低。

但這種材料的柔韌性比較差非常堅(jiān)硬，會(huì)帶來(lái)一個(gè)很大的問(wèn)題，界面接觸會(huì)比較差，直接導(dǎo)致界面阻抗增加，用現(xiàn)有的生產(chǎn)方式很難降低界面阻抗。

3、固態(tài)電池的一致性和量產(chǎn)也非常困難

就算解決了固態(tài)電池的材料問(wèn)題，在量產(chǎn)方面也面臨著大規(guī)模量產(chǎn)和降低成本方面的問(wèn)題。

林育民表示，在電解質(zhì)之外，電池的一致性也非常重要，目前電池企業(yè)在生產(chǎn)液態(tài)電池的時(shí)候，都在追求產(chǎn)品的一致性。但液態(tài)電解質(zhì)可以自由流動(dòng)，而固態(tài)是固定的不能流動(dòng)，做不均勻，一致性會(huì)差于液態(tài)電池。

高晨告訴車東西，現(xiàn)階段的電池生產(chǎn)工藝在固態(tài)電池領(lǐng)域完全不適用，要大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池還需要?jiǎng)?chuàng)新生產(chǎn)工藝。

在這里面主要有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，一個(gè)是提升電池的生產(chǎn)效率，在上世紀(jì) 90 年代已經(jīng)有小型的固態(tài)電池開(kāi)始生產(chǎn)了，但是那時(shí)的電池體型比較小而且生產(chǎn)效率比較低。

另一個(gè)則是降低成本，只有解決了這兩個(gè)問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模商用。

這主要跟固態(tài)電池的技術(shù)成熟度有關(guān)，如果技術(shù)路線已經(jīng)快速確定下來(lái)了，那么產(chǎn)線的搭建就會(huì)非常順利。隨著大規(guī)模生產(chǎn)，固態(tài)電池的成本也將會(huì)降下來(lái)。

結(jié)語(yǔ)：純固態(tài)電池的量產(chǎn)還存在諸多難題今年開(kāi)年，汽車領(lǐng)域的討論點(diǎn)都集中在了動(dòng)力電池行業(yè)，固態(tài)電池、石墨烯電池紛紛亮相。而固態(tài)電池這一平靜的領(lǐng)域也重新火熱了起來(lái)。

但是蔚來(lái)一直對(duì)外宣稱的固態(tài)電池卻并不是真的純固態(tài)電池，而是半固態(tài)電池，根據(jù)行業(yè)人士介紹，半固態(tài)電池在技術(shù)上的突破性并不是很大，距離純固態(tài)電池也還有一定的差距。

純固態(tài)電池目前仍然存在電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低、高界面阻抗的問(wèn)題，就連業(yè)內(nèi)摸索已久的三條可靠技術(shù)路線也還存在不小的問(wèn)題。即使解決了材料方面的問(wèn)題，電池的一致性、生產(chǎn)方面的問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)。

總的來(lái)看，固態(tài)電池仍然是最理想的電池形態(tài)，但是在現(xiàn)階段要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)仍然是苦難重重。

責(zé)任編輯：PSY