固態電池，薛定諤的顛覆者｜PowerOn未見
文｜韓永昌
編輯｜李勤
液態電池在過去十年幾乎創下了電化學的奇蹟：能量密度提升3倍，成本下降80%以上。電動汽車受益於液態電池技術的發展，也在全世界鋪開蔓延，大有對燃油車的替代之勢。
但眼下，阻力出現了。純電動汽車的市場滲透率已經增長乏力，即便是曾經的銷冠特斯拉，在2023年財報上無奈寫道，“2024年銷量增速可能會明顯低於2023年。”
限制純電車增速的根由，仍在動力電池身上。動輒半小時的補能時長，低溫性能衰減導致北方冬季開不起來的汽車空調，以及不時燒起的熊熊大火……仍會將消費者攔在門外。
爲了徹底解決這些問題，固態電池應運而生。理想中的固態電池，能量密度可以突破500Wh/kg，輕鬆6C充放電讓充電效率與加油相當，電池刺穿不起火，低溫能量不跳水，循環壽命過萬次。
如果說，1990年日本Sony公司基於石墨負極讓鋰離子電池的正式走上商業化道路，那麼接下來的2027-2030年，哪家公司率先將固態電池產業化，就意味着捧起了這條路上的終極聖盃。
不僅各家公司在加緊研發步伐，固態電池的押注與突破也變成了國與國之間的你追我趕，沒有一個國家不想提前掌握下一代電池技術。中日韓再次同臺競賽，角逐誰先破關。
下一代電池技術的誕生
動動力電池由正極、負極、隔膜、電解液四大主材以及多種輔材構成。如今市面上所有的動力電池和消費電子類電池都可以歸結爲液態電池，而固態電池就是將電解液換成固態電解質。
固態電解質更高的熱穩定性讓動力電池能夠使用更高能量密度的正負極材料，這也是行業中認爲固態電池能比液態電池性能更優秀、更全面的主要原因。
因此，固態電池的技術路線從固態電解質出發主要可分爲三種：聚合物、氧化物與硫化物。三種路線各有優劣。
聚合物的離子電導率（鋰離子在正負極之間遊動的速度）最低，只有加熱才能提升電導率；氧化物的離子電導率要高於聚合物，但仍不如液態電解質，且材料太硬容易破碎；硫化物的離子電導率要高於液態電解質，材料較軟，但缺點是容易與空氣中的水發生副反應。
目前來看，聚合物路線幾乎已被放棄，硫化物性能最好但也最難，氧化物做的人最多。
聚合物路線早已量產，2012年法國公司Blue Solutions就在電動大巴上應用了聚合物固態電池，但這種電池要加熱到60度才能正常使用，既不具備安全性，也不具備經濟性。
“現在全世界沒有任何一家固態電池公司在做純聚合物路線。”有固態電池從業者告訴36氪。
理想的固態電解質材料起碼要與液態電解質的離子電導率相當，具有良好的電化學穩定性，同時製造成本偏低，容易規模量產。綜合以上，硫化物最爲合適，性能天花板最高，但需要克服多重困難。
豐田在硫化物路線上義無反顧，2012年豐田就在全球首發硫化物固態電池。2017年時，豐田宣佈將在2020-2025年間，推出十款以上採用固態電池的純電車。但事實卻一再跳票。
2023年上半年，豐田在全球範圍內甚至只賣出去了5.9萬輛純電汽車，這只是特斯拉在中國市場一個月的銷量。
執意硫化物固態電池的豐田進展十分緩慢，電池企業們也都摸清了固態電池的量產難度，紛紛在商業化上選擇了的折中方案——半固態。
半固態電池的初衷是量產，但要將固態電池能實現的性能稍減。簡單來說，就是將固態電解質和液態電解質混合使用。
將半固態量產的任務落到了中國的創業公司身上，贛鋒鋰電、清陶能源、北京衛藍、重慶太藍等公司普遍選擇了氧化物路線。
進展最快的是北京衛藍，蔚來李斌已經直播實測了150度半固態電池包續航確實超過1000公里。數據顯示，2023年全年，北京衛藍的動力電池裝機量已經達到0.8GWh，可以搭載超過5300輛ET7。
但半固態電池這種“取巧”的方式並不被看好，其主要技術實現路徑也跟固態電池有較大差異。
“固態電池的核心壁壘是固態電解質，半固態電池的核心壁壘是改良後的液態電解質。”有電池研發人員告訴36氪。“這其實屬於液態電池範疇。”
在半固態電池量產之後，市場看到了這種路線的缺陷，也出現了不少聲音認爲半固態電池是“雞肋”般的存在。究其原因，半固態電池的能量密度比之液態電池並不明顯，成本不低，安全性不如全固態電池。“半固態只要達到300Wh/kg以上，針刺就會爆炸。”有電池研發人員告訴36氪。
看到了半固態電池的性能，也有人堅守液態電池並不差。中創新航CTO潘芳芳就認爲，液態電池的能量密度天花板可能達到500Wh/kg。“固態能達到的能量密度，液態電池都可以更加容易的達到。”
因此，這也給了市場一種疑問，遲遲未能量產的全固態電池，並不一定是完美的。
“如果基於現有的材料體系，只是把液態換成固態，在能量密度上不會有任何改善。”有電池從業者告訴36氪。
爲了更好的性能，固態電池的正極材料普遍使用高鎳三元體系，而負極則分化爲了硅負極和鋰金屬負極兩種路線。
國內創業公司多采取硅負極路線推進固態電池量產，而美國電池公司SES AI Corporation(以下稱SES)等則使用了鋰金屬負極量產半固態電池，或者說液態電池。
理論上來說，固態電池所宣稱的指標，都要依靠鋰金屬作爲電池負極才能做到，但使用鋰金屬電池的難度要遠高於硅負極，目前沒有任何一家公司正在推進鋰金屬全固態電池的量產。
“硅負極突破到400Wh/kg以上很難，而鋰金屬負極輕鬆就可以做到。”SES創始人胡啓朝說，“我們的電解液確實摻了一些氧化物，但我們還屬於液態電池。”
液態的鋰金屬電池，與大衆想象的固態電池，只有電解液的差異，能量密度、循環壽命、倍率性能都是理想中的樣子。
而使用硅負極，受限於材料本身，即便量產了全固態電池，能量密度也不可能達到500Wh/kg。有電池研發人員分析道，“寧德時代2015年就開始做鋰金屬，這是一條很重要的技術路線。”
不過，鋰金屬液態電池似乎比硅負極的固態電池進展更快，SES已經進入B樣階段，胡啓朝說，“我們計劃25年6月份進入C樣，也就是小試裝車。”
因此，如果只是追求性能的極限，最關鍵的不只是固態電解質，而是更高能量的正負極。在如今各種技術路線百家爭鳴之下，究竟哪種電池會率先到來，會更貼合當時的實際需求，還需要時間去驗證。
固態電池的“可望難可即”
在液態電池產業化發展上，中國已經取得了絕對優勢，中國的動力電池產量接近全球的70%，全球前十家動力電池生產商有六家來自中國。但固態電池技術上，中國公司已經落後。
豐田關於固態電池的專利超過1300項。而截止2023年10月，中國單個公司有關固態電池的專利，最高也沒到100項。
我們不能忽視固態電池的前期突破。在中國全固態電池產學研協同創新平臺成立儀式上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出，固態電池替代液態電池1%就是預警。大概2016年，新能源汽車市場佔有率達到1%，全球就開始向電動汽車轉向，對於汽車技術而言，替代1%就已經具有突破性意義。
電池技術的發展大概以三十年爲一個週期。最早從1870年的鉛酸電池、1900年的鉻鎳電池、1930年的鹼性鋅錳電池，以及1960年的鎳氫電池，再到1990年鋰離子電池，都是如此。
2020年以來，電池技術已經進入了一個新的換代週期，我們必須要承認，固態電池確實在加速到來，我們已經可以遙望。
一方面，但隨着科學技術的發展，許多既有的學科領域已經被徹底改變，材料科學的研發範式正在被AI所衝擊。
以前，電池配方的研發需要將已知的元素用不同的方式進行排列組合，只能通過大水漫灌的方式，用規模性實驗來找到一種成功的方法。
日本豐田在過去30多年已嘗試了數萬種電解質應用到電池中，這才造就了固態電池專利第一的存在。
而當下，“使用無人實驗室全套機器人，再加上AI，短時間內發現了220萬個可能的穩定結構，和40多萬個材料合成。”歐陽明高說。
“24小時的黑燈實驗室與大算力平臺的加持會大大加速動力電池的開發過程。這會對2030左右實現全固態電池產業化突破增加了確定性。”
另一方面，電池上車最需要克服的數據問題，也正被深度學習的手段解決。
胡啓朝告訴36氪，一款基於全新材料體系的電芯，最難的問題其實是各種場景下，電芯運營中的安全控制問題。
而深度學習軟件的出現，可以通過做少數實驗來推理出電芯在各種場景下的運營數據。這就像特斯拉使用道路數據來訓練自動駕駛算法一樣，改變原本的不可能。
胡啓朝也直言：“假設今天沒有相應的軟件，我們的鋰金屬電池離上車、上飛行器還是有很大距離。”
在人工智能的加持下，固態電池正加速進入到商業化進程，在汽車上率先應用的場景可能在混動動力車型。武漢大學教授艾新平認爲，固態電池突破1%替代率的機會就在混動車上。
混動汽車需要高功率電池，溫度較高，豐田在HEV上堅持鎳氫電池，就是爲了避免鋰離子電池高溫功率衰減的問題，而且混動車帶電量小，可以承擔成本壓力。
不過，就當下時點來看，固態電池的量產進度並不明確，除了QuantumScape宣佈其A樣產品通過大衆子公司的耐久性測試以外，幾乎沒有公司再公佈固態電池的具體進展。
因此也要看到的是，真正的量產宣傳不應該空談目標，不談實際進展。固態電池的研發進程雖然在加快，但離真正的大規模商用還是很遠。
遲峰（化名）在固態電池領域浸淫多年，他對36氪說，90年代固態電池就已經做出來了，各方面性能都碾壓液態電池，但到現在三十年都沒量產。“這還不能說明難度嗎？”
舉個例子，保證電解質和正負極之間的良好接觸對電池性能至關重要，這保證了鋰離子的傳播效率，“接觸不良”會導致電阻增加、能量損失或者電池壽命縮短。
傳統的液態電池中，電解液與正負極之間的接觸可以看做是液態的水和固態的紙張接觸，電解液的“浸潤性”會讓兩種材料無縫貼合。而固態電池是固態電解質，這個時候就變成了兩張固態的紙需要無縫貼合在一起。
要知道，在電池充放電的過程中，正負極會隨着循環而膨脹和收縮，因此，固態電解質這張白紙，需要時刻無縫貼合一張會伸縮的紙（正負極），難度倍增。
遲峰對此很感慨，固態電池的規模商用，可能十年內都很難看到，像這樣的界面問題，“解決不了就是解決不了。”
“我們在實驗室做的都是小電芯，5Ah電芯能達成的性能，放大到50Ah、150Ah，很多時候連做不都做不出來，更別說去解決問題了。”
當然，技術進步並未停滯，就像前文所說的人工智能在電池領域的應用，時間越往後推移，就會有越多的材料和技術用在固態電池研發上。
把時間拉回到十年前，我們或許也不會相信液態電池的價格能如此便宜，能量密度可以提升到支撐一輛車跑700公里。
任何一種新技術的出現與規模化應用，都在解決原本“不可能”的問題，固態電池同樣如此。新的機會已經出現，各個公司也都厲兵秣馬，準備上陣廝殺。
即便固態電池量產有距離，但沒有一家公司不想成爲下一個寧德時代。