畫餅十幾年，永遠(yuǎn)在跳票，固態(tài)電池為何總是“下次一定”？｜圖文

在 2024 年，柴司策劃小卡就說要寫“固態(tài)電池”選題，因?yàn)椤?strong>2025 年是固態(tài)電池元年”，提前部署，好接廣告；

等到了 2025 年 ，“固態(tài)電池元年”又跳票到了2026年和 2027 年；

如果我們往前翻翻合訂本，會(huì)發(fā)現(xiàn) 2018年、2021年、2022年、2023年 ......年年都是“固態(tài)電池元年”：

翻一翻汽車內(nèi)容的評論區(qū)，還真有一群人說要等到固態(tài)電池上車，才愿意買新能源車。

這期視頻，我們找到了在中國科學(xué)院物理所研究電池的博士生白睿，來看看固態(tài)電池好在哪里，為什么永遠(yuǎn)是“明年一定”？雖然說等等黨永不認(rèn)輸，但等到哪個(gè)明年，汽車才能用上固態(tài)電池？

視頻版

↓↓ 看完這個(gè)視頻就知道了 ↓↓

↑↑ 信我，真的超級好看 ↑↑

圖文版

各個(gè)行業(yè)，尤其是汽車界，吹……期盼固態(tài)電池已經(jīng)很久了。這主要是因?yàn)楣虘B(tài)電池畫了一個(gè)真香的大餅——安全。

很多人覺得電車不安全，是因?yàn)殡姵匕?strong>易燃易爆炸。這個(gè)鍋，主要跟鋰電池里的電解液有關(guān)。

我們?nèi)缃裼玫匿囯姵兀?fù)極之間是一層隔膜，其中浸滿了用于傳導(dǎo)離子的電解液。在充放電時(shí)，帶正電的鋰離子經(jīng)過隔膜和電解液到達(dá)對面，帶負(fù)電的電子則通過外部電路移動(dòng)，形成電流。這里的“電解液”，主要成分是有機(jī)碳酸酯類溶劑和鋰鹽。

有機(jī)碳酸酯類溶劑易揮發(fā)、閃點(diǎn)低，一旦泄露或者受熱，就容易爆炸；后者比如六氟磷酸鋰，受熱分解的同時(shí)會(huì)釋放更多熱量，加劇燃燒。

那如果，我們能把電解液和隔膜打包扔掉，替換成某種作用相同，但更穩(wěn)定的固體，不就安全了嗎？

而且這樣一來，固態(tài)電池的體積能量密度也更高：

據(jù)說固態(tài)電池的體積能量密度能達(dá)到800-1000Wh/L，相比目前使用液態(tài)電解液的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池接近翻倍。

又安全又持久，這就是固態(tài)電池給各位畫的餅。

但要把餅做出來，還剩下一個(gè)問題：到底要用什么固體，來充當(dāng)電解質(zhì)呢？

如果你還沒把《高中化學(xué)必修 1》還給老師的話，那應(yīng)該能記得它曾高屋建瓴地指出：電解質(zhì)往往需要在溶液，或者高溫熔融狀態(tài)下，才能導(dǎo)電。而呈固態(tài)時(shí)離子不能自由移動(dòng)，所以無法導(dǎo)電。

要做固態(tài)電池，就要改寫教科書。被寄予厚望逆天改命的材料有好幾種：聚合物、氧化物和硫化物，以及一些“非主流”路線。

固態(tài)電池什么時(shí)候能上車，就看這些技術(shù)路線哪個(gè)能率先跑通。

首先，其中的聚合物，已經(jīng)被淘汰了。

2011 年，法國一家公司推出過的一款搭載聚合物固態(tài)電池的電動(dòng)汽車。它電池小，續(xù)航少，充電慢，更奇葩的是每次開車前都要先把電池預(yù)熱到 60-80℃。

之所以這么拉胯，是因?yàn)榫酆衔锕虘B(tài)電池在室溫下的離子電導(dǎo)率非常低。

所謂“離子電導(dǎo)率”，就是衡量電解質(zhì)導(dǎo)電能力的物理量。聚合物在室溫下的離子電導(dǎo)率，只有電解液的千分之一甚至更低，沒法兒用；加熱到 60℃ 后也只有液態(tài)電解質(zhì)的十分之一。

所以聚合物固態(tài)電池上車之后，很快又下車了。

相比而言，氧化物、硫化物的電導(dǎo)率，比聚合物高了幾個(gè)數(shù)量級。他們也是目前車企和電池廠的主流技術(shù)路線。

其中的氧化物，也已經(jīng)上車了，但卻只能以所謂“半固態(tài)電池”的身份上車。這是為啥呢？

氧化物很穩(wěn)定，生產(chǎn)、使用都很安全。雖然電導(dǎo)率也遠(yuǎn)不如電解液，但差不多能用。它最大的問題是，是解決不了“界面阻抗”的問題。

界面阻抗，是指鋰離子在通過電極和電解質(zhì)的接觸面時(shí)，所遇到的阻力。我們現(xiàn)在用的鋰電池中，電極是浸潤在電解液中的，二者接觸面積很大，鋰離子很容易就能移動(dòng)。

但固態(tài)電池就麻煩了：

因?yàn)槭枪腆w和液體的界面，相當(dāng)于液體本身就具備這種浸潤性，它這樣子界面接觸就非常好。那如果是固體與固體之間的接觸的話，它相當(dāng)于就是一個(gè)顆粒與一個(gè)顆粒的這種“點(diǎn)接觸”，它沒有辦法像到做到像固-液這種“面”接觸。就相當(dāng)于就是它的這種接觸的點(diǎn)少了，那么它的傳輸?shù)倪@個(gè)作用就會(huì)大大地被削弱。

不管用哪種材料，“界面阻抗”都是固態(tài)電池目前最大的技術(shù)難題之一。一些車企宣傳的“半固態(tài)電池”，就是在氧化物之外，再加入一部分電解液，來解決界面阻抗問題，屬于一種妥協(xié)方案。

但問題是加了電解液之后，還是得面對鋰電池“易燃易爆炸”的風(fēng)險(xiǎn)：

你這既然有電解液加在里面，那為什么不全用這個(gè)液態(tài)電池呢？

因?yàn)槟阆裼须娊庖杭釉诶锩妫廊槐Ａ袅酥耙簯B(tài)電池，它這個(gè)或者說有機(jī)溶劑的，它這種在密閉空間里面會(huì)隨時(shí)發(fā)生這個(gè)熱失控的這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，它還是存在，相當(dāng)于你相比液態(tài)電池也沒有在熱穩(wěn)定性上沒有進(jìn)步太多；

然后相比于全固態(tài)電池，可能又沒有把這個(gè)就是能量密度提升的，或者說很到位。

就是相當(dāng)于這個(gè)只能說是有點(diǎn)想要去往前走，但是好像又沒有邁出很多的那種感覺。

所以“半固態(tài)電池”，到底能不能在現(xiàn)有的技術(shù)路線上發(fā)展成全固態(tài)電池，難說。不過已經(jīng)有車企宣稱，會(huì)在 2026–2027 年前后讓“全固態(tài)電池”上車，用的就是氧化物和其他物質(zhì)混合的方案。

至于能不能成真......明年再看吧。

而硫化物，則是目前電池行業(yè)的頂級玩家，寧德時(shí)代、比亞迪、豐田、三星都在押注的“版本答案”。

硫化物的電導(dǎo)率非常優(yōu)秀，目前研究最多的LGPS，鋰鍺磷硫，導(dǎo)電率幾乎跟電解液相當(dāng)。

但它的問題是……安全性弱了億點(diǎn)。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)一旦暴露在空氣中，就容易水解產(chǎn)生硫化氫，是著名的易燃易爆、有劇毒和臭雞蛋味的氣體。

這不光對生產(chǎn)環(huán)境提出了很高的要求，還大幅推高了生產(chǎn)成本。有報(bào)道說，目前鋰鍺磷硫的價(jià)格高達(dá)每公斤 7 萬美元。作為對比，每公斤電解液只要 5 美元～

就算不管價(jià)格和安全性，技術(shù)上的難點(diǎn)也很多。就說“界面阻抗”的問題，硫化物也很難解決。相比于堅(jiān)硬的氧化物，硫化物呈粉狀，跟電極的接觸面相對好一些——但目前也只能在實(shí)驗(yàn)室里通過外部加壓等方式，勉強(qiáng)緩解這個(gè)問題。

真要量產(chǎn)上車有多難？手握 1000 多個(gè)固態(tài)電池專利的豐田對此最有發(fā)言權(quán)：

早在2011–2012 年，豐田就發(fā)布了基于鋰鍺磷硫開發(fā)的固態(tài)電池，并宣布將在 2015–2020 年商用；

到了2017 年的東京國際車展上，豐田又說他們計(jì)劃在2020 年初推出一款由固態(tài)電池供電的原型車；

結(jié)果到了2019 年的東京車展上，這個(gè)“年初”又變成了2020 東京奧運(yùn)會(huì)期間；

眾所周知，2020 年東京奧運(yùn)會(huì)其實(shí)是在 2021 年辦的，所以豐田的 flag 也延期到了 2021 年；

到了 2021 年，又毫不意外地迅速跳票；

再等到了2023 年，豐田又計(jì)劃在2027 年推出全固態(tài)電池的電動(dòng)汽車；

但很快，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)又推遲到了2030 年……

怎么講，GTA VI 都沒有豐田跳得多。GTA VII 跟全固態(tài)電池誰先上市，那都不好說～

除了這三種外，目前還有一些新的熱門方向，比如鹵化物。

清陶能源正在開發(fā)的第二代半固態(tài)電池，就使用了“氧化物+鹵化物+聚合物”的組合。

還有把有機(jī)物和無機(jī)物復(fù)合在一起的固體電解質(zhì)。

總之就是各種排列組合都試試，萬一蒙對了呢～

那么最后，到底在哪個(gè)明年，“等等黨”才能等到固態(tài)電池呢？

這個(gè)問題不是我們能回答的。不過就在諸多玩家又又又又宣布要在 26、27 年量產(chǎn)固態(tài)電池的時(shí)候，2024 年 9 月，電池行業(yè)的頭號玩家，寧德時(shí)代的老板曾毓群說：

“如果用 1 到 9 表示固態(tài)電池的技術(shù)和制造成熟度，那當(dāng)前行業(yè)最高水平只到了 4 左右，只是做出了一些器件樣品，進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。”

至少寧德時(shí)代還拿不準(zhǔn)，固態(tài)電池是不是能在 2027 年量產(chǎn)。他們預(yù)計(jì)至少要在2030 年之后，固態(tài)電池才能大規(guī)模應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)和目前鋰電池同樣的價(jià)位水平。

我們也問了白睿，他似乎更“樂觀”一點(diǎn)：

我感覺如果真要是全固態(tài)上車的話，這個(gè)時(shí)間可能真不好說，因?yàn)楝F(xiàn)在我至少?zèng)]看到一個(gè)對界面改進(jìn)很好的這種文章去報(bào)道出來……或者說這種相當(dāng)于是真正的在不加外壓，然后不加這個(gè)就是不加一點(diǎn)點(diǎn)解液，同時(shí)這個(gè)電池又能跑得很好的，就實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品感覺好像都沒有看到。所以在如果說這個(gè)前提下再去說產(chǎn)業(yè)，我感覺就有點(diǎn)荒謬了。

但是也不好說。如果說這兩年如果真的有一些這個(gè)課題組的同學(xué)，包括老師，包括企業(yè)，他們的這些研發(fā)人員，最終發(fā)現(xiàn)了某種方案真的是可行的，也不是說不可能啊。所以說這一切可能真的沒有辦法去人為地預(yù)測，只能說這個(gè)隨緣了。

也有一句話說，

，就是所以說這個(gè)東西就是看看大家在這個(gè)研發(fā)或者說在研究過程當(dāng)中有沒有一些新的靈感出現(xiàn)。

聽到這里，你心里應(yīng)該有個(gè)數(shù)了～所以最后呢，我們祝愿產(chǎn)業(yè)界能順利突破技術(shù)難題，讓我們早點(diǎn)用上固態(tài)電池。

但各位等等黨，也要做好心理預(yù)期。光明就在 2 年……

3 年……

或者 5 年后？

反正總會(huì)來的吧！加油！下期見！