搞不出固态电池,不丢人

关注
要买车就别等了

编者按:本文来自微信公众号 远川汽车评论(ID:yuanchuanqiche),作者:母智婕,编辑:熊宇翔,创业邦经授权转载。

最近,车企与电池厂密集抛出固态电池装车计划,量产时间表看似愈发清晰,另一边,学术界在材料与工程上的突破,也被解读为产业拐点将至的信号。

但现实情况是,你的下一辆电动车,有极大概率装的仍然是液态锂电池。

我们并非要否定固态电池的远大前程,而是要警惕被过度狂热的叙事所裹挟,本文将直面四个核心争议。

问题一:固态电池能彻底解决里程焦虑,而且永不自燃吗?

要了解固态电池,要先了解电解液。

在传统的液态锂电池中,电解液扮演了“通道”的作用,让锂离子可以在正负极之间可以自由穿梭,但问题是,在高温、穿刺或者短路的情况下,电解液可能被引燃,引发热失控。

在低温情况下,电解液容易变得粘稠,导致电池内阻增加,影响电动车的续航和充放电性能,“电车难过山海关”一定程度上也是因为它。

另一方面,电解液本身并不储存能量,但却占了电芯体积30%左右,这导致电池体积能量密度无法得到有效提升,反映到电动车上,就是一块100度电的电池包,重量动辄就在500kg以上,不利于风阻和操控。

更重要的是,传统石墨负极的理论潜力几近耗尽,由于木桶效应的存在,使得液态锂电池的能量密度过去几年始终徘徊在300Wh/kg的关口难以突破。

图片

衡量一款动力电池的核心指标,来源:白呀白talk

正是传统液态锂电池的先天性不足,驱动整个行业将目光投向号称下一代动力电池终极形态的固态电池。

固态电池的革命性在于,用固态电解质同时替代液态电解质和隔膜,由于固态电解质耐高温、不易燃、机械强度高的特性,大大降低了(不是完全消灭)起火爆炸的风险,因此就可以在正负极使用能量密度更高的材料。

图片

比如,正极材料就可以采用NCM811这样的三元材料,负极可以使用金属锂,它的理论比容量高达3860mAh/g,是传统石墨的十倍以上,也意味着同样的体积可以容纳十倍以上的锂离子,能量密度直线拉升。

正是这些特性,让固态电池在理论上能够实现500Wh/kg以上的电芯能量密度,搭载固态电池的电动车也可以轻松做到单次续航1000公里以上。

今年9月,一辆搭载了固态电池的奔驰EQS原型车在中途不充电的情况下连续行驶了1205公里,行程结束时,还剩了137公里的续航里程,比搭载传统三元锂的量产车,续航增加了70%。

图片

搭载了固态电池的奔驰EQS,一口跑了1200多公里

问题二:半固态是智商税吗?

半固态到全固态的区别就像是自动驾驶领域里的L2和L3,看似只有一字之差,但实际上却存在天壤之别。

车企可以通过OTA让一辆车的辅助驾驶能力从L2无限逼近至L2.99,但只要责任主体还是驾驶员,它就永远不是L3+。

同样,半固态电池可以减少液态电解质含量到个位数百分比,但只要电解液承担了锂离子传输的核心功能,它就不是全固态,也无法实现全固态在安全性和能量密度上的终极承诺。

作为革命性技术,无论是无人驾驶还是固态电池都没法做到一蹴而就,都需要经历一个必不可少的技术过渡期。

全固态电池采用固态电解质全面替代,虽然理论性能优异,但面临着界面阻抗、锂枝晶生长、快充能力差以及生产成本高等诸多挑战;

相比之下,半固态电池结构上与现有液态电池相近,通过将电解液含量降低,在不对现有产线全面改造的情况下,可以有效提升电池安全性,能量密度可提升至300–400Wh/kg,普遍高于液态电池300Wh/kg左右的性能上限。

去年,蔚来创始人李斌开着一辆搭载了150度电半固态电池的ET7完成了一场长途试驾,实际续航里程超过了1000公里,而这块电池的电芯能量密度为360Wh/kg。

蔚来总裁秦力洪曾透露,这块半固态电池的成本和一辆蔚来ET5的价格相当,这也意味着每瓦时的成本至少在2块钱左右。

随着规模化生产推进,半固态电池的成本正在缓慢下降,当前其电芯成本约为0.8–1.2元/Wh,而且已经搭载在MG4这样的平价电动车上。

图片

上汽名爵把半固态电池用在了10万级的小车上

据行业预测,半固态电芯的成本到2027年有望降至0.6元-0.8/Wh左右,和主流液态电池的差距进一步缩小。

因此,将半固态电池简单归为“智商税”,不仅忽视了其作为过渡技术的关键价值,也误解了产业发展的客观规律。

问题三:固态电池到底卡在哪了?

世界上没有完美的电池,每种材料体系各有利弊,比如磷酸铁锂安全性好、循环寿命长,三元锂能量密度高、低温性能好。

固态电解质也不例外,聚合物、硫化物、氧化物三条主要路线优缺点都非常明显。

聚合物路线最大问题在于室温环境下导电率极低。

2011年到2018年,法国一家公司在巴黎和周边地区投放上千辆搭载了聚合物固态电池的电动车用于分时租赁,但要启动它们,要先把电池加热到60-80°,使用体验一言难尽,堪称“电动爹中爹”。

图片

搭载了聚合物固态电池的Autolib分时租赁车,2018年因为亏损而停止运营

氧化物的室温电导率略好,但问题在于材料太硬,加工难度大,和正负极材料的固-固界面接触困难,容易形成孔隙,导致内阻增大,影响性能。

东风汽车研究总院副院长史建鹏曾经做过一个比喻:“如果把液态电池的运行原理看作在水里游泳,那么半固态电池就像在泥浆里游泳,全固态电池纯粹就是在水泥地上游泳,而且速度还不能慢。”

而且有些氧化物电解质需要用到稀有金属,比如镧和锆,材料成本更高,而且高温烧结工艺能耗大,进一步推高了生产成本。

去年,大众投资的QuantumScape推出了一款采用氧化物电解质的准固态电池QSE-5,这也是这家公司成立15年来的第一款商业化产品。

图片

QSE-5 B样已经能够兼顾高能量密度和快充性能

之所以被称为准固态,主要原因在于,它为了提高电导率,在正极材料中掺杂了一定的电解液,但另一方面,又采取了更激进的无负极设计,大大降低了固-固接触问题,电芯能量密度达到了301Wh/kg。

硫化物的室温电导率最高,甚至可以超越传统的液态锂电池,与锂金属负极界面相容性比较好,能量密度和充放电倍率性能更好,也是被认为最有前景的技术路线,比亚迪、宁德时代、丰田以及LG等一众巨头都在押注。

但它对于生产环境也最挑剔,一旦遇到空气中的水分,就会产生有剧毒而且闻起来像臭鸡蛋的硫化氢气体,正是因为这种特性,硫化物电解质的生产和目前的湿法工艺生产线的兼容程度比较低,需要在干法工艺上取得突破,而这也是特斯拉4680电池至今没有突破的技术难点。

成本也是一个不能忽视的问题。硫化锂是硫化物电解质前驱体,由于产量低,价格极其昂贵,市场报价达到300万-500万元/吨,是普通电解液的100倍以上。

图片

现在的硫化物电解质价格堪称奢侈品

材料降本需要通过成熟的技术和庞大的需求共同摊薄,但在技术和市场都不成熟的当下,让厂商先行投入扩产,并不现实。

今年11月,“跳票王”丰田再次跳票,计划建在福冈的首个全固态电池电池工厂计划两度推迟,战略摇摆已经难掩产业化迟疑。

问题四:在固态电池的全球竞赛中,中国会被弯道超车吗?

在液态锂电池这条赛道上,中国打了一场漂亮的翻身仗。

今年上半年,全球动力电池出货量前十名中有六家来自中国,剩下四家(LG Energy、松下、SK On和松下)的市场份额总数也就20.2%,用余承东最常说的四字箴言形容也不为过。

图片

打赢翻身仗的根本原因,不在于实验室某一项技术的突破,而在于中国拥有全球最大的新能源车市场、最稳定的产业政策以及消费电子行业所打下的产业基础,因此可以用垂直整合拉低成本并且快速迭代。

一个典型例子就是,被海外大厂集体忽视的磷酸铁锂路线在中国重获新生,形成了滚雪球般的碾压性优势。

其实,从固态电池的布局时间和专利数量的角度看,中国并没有绝对的领先优势。

日本在硫化物全固态路线上的技术积累更长,丰田拥有全球车企中最多的固态电池申请专利;韩国押注高能量密度材料和高镍体系,也试图借固态电池重夺话语权,奔驰、宝马和大众等海外豪门也纷纷找到了外援,大众早在2012年就投资了QuantumScape。

中国进入这个领域时间稍晚,但半固态和各种固态电解质路线都有涉及,目前正在逐步逼近产业化门槛。

宁德时代高层去年多次表示,如果用技术和制造成熟度作为评价体系(1-9打分),公司的全固态电池研发项目目前处于4分水平,目标是到2027年达到7-8分水平,实现小批量生产。

通常而言,一项创新电池技术从概念到量产,要经历四个阶段:材料原理突破(找到能解决核心瓶颈的新材料);实验室验证(证明材料能真实稳定工作);小试阶段(在实验室规模完成可行性测试);以及最关键的中间试验阶段。

中试环节是产品在大规模量产前的较小规模试验,一头连接实验室,一头连接市场,科技成果在经过中试验证后,成功转化为实际生产力的比例通常落在50%–80%区间,但能最终进入大规模量产的仍是其中一部分。

图片

各大厂商发布的半固态/固态电池量产时间线

这也是很多厂商目前都被卡住的环节,无论是谁,打通量产“最后一公里”的难度都不容小觑,至于它们宣称的量产时间,只能奉劝一句:认真你就输了。

冷静下来,我们会发现,无论是产业界还是资本市场追逐的从来不是“固态电池”这个概念本身,而是突破能量密度-循环寿命-安全性这个“不可能三角的终极解决方案,以及随之而来的商业化前景。

对丰田、大众等主流品牌而言,它们的生命线在于成本控制、供应链与规模化能力。它们对固态电池的布局,更多是战略卡位,以确保不在技术突破时被甩出赛道。

丰田官方曾表示:“我们不想成为电池制造商,而是想让电池成为我们掌控的战略资源。”

而对金字塔顶端的豪华品牌与渴望破局的新势力而言,平庸是比成本更可怕的敌人。固态电池于之,是实现技术降维打击的筹码,也是定义下一代产品话语权的入场券。

因此,即便固态电池研发之路充满挑战,却没人敢真正停下;即便量产节点反复推迟,仍有无数玩家愿意押宝。

在技术变革的前夜,谁说对未来的想象与叙事本身,不是创业公司的核心竞争力?谁说一块小小的电池,就不能掀起一场万亿级的产业风暴,催生无数个亿万富豪呢?

参考资料:

[1] 固态电池狂热下的清醒共识,电车商业研究

[2] 史建鹏:东风公司在固态电池领域的思考,2025电动车百人会

[3] 宁德时代吴凯:目标是2027年小批量生产全固态电池,财联社

本文为专栏作者授权创业邦发表,版权归原作者所有。文章系作者个人观点,不代表创业邦立场,转载请联系原作者。如有任何疑问,请联系editor@cyzone.cn。

反馈
联系我们
推荐订阅