放出豪言的企業不少，但真正的固態電池何時能量產，依然是個迷。

誰也沒想到，全球動力電池最難啃的骨頭--固態電池，打響其第一槍的是中國企業。

2022年1月22日，東風方面宣稱，首批50輛東風風神E70固態電池車在江西新余完成交付。

東風公司在宣傳稿中聲稱，這批固態電池車是全球首個固態電池車示范運營項目，率先打響了固態電池產業化第一槍。

該固態電池由東風與贛鋒鋰業合作開發，“高比能，采用全球領先的固態柔性隔膜技術，單體通過穿刺等嚴苛測試，放電溫度高達60℃、熱箱180℃無異常，電芯安全優勢突出”。

對于這次合作，有投資者在深交所互動易中評價：

相比4680，貴公司固態電池的參數太難看，完全不像同一時代的產物。

贛鋒鋰業董秘回答是：感謝您對公司的關注和建議。

還有投資者逼問贛鋒鋰業：請問貴公司的固態電池是純固態電池還是固液混合電池？

贛鋒鋰業只能承認：東風E70裝車的電池，是半固態電池。

參數不會撒謊，因為這是上路檢驗一查便知的事情。

首先，E70固態電池公布的能量密度是235—280Wh/kg，與國際上公布的低值400 Wh/kg相去甚遠。

另外，這款電池，最關鍵結構--電解質，并非全固態，因此只能算固液混合鋰離子電池。

東風不是第一家放下豪言的企業。

早在2021年初，蔚來就聲稱全新研發的固態電池將搭載在2022年發布的ET7上。

股價跳漲之后，蔚來方面又改口稱，在NIO Day上介紹的固態電池，準確地說，是半固態電池。

資料顯示，該款固態電池是90％固態＋10％液體電解質的半固態電池。

固態電池：動力電池的完美解決方案？

為什么這么多企業都宣稱自己掌握了固態電池？

一切需要回到原點：目前通用的動力電池怎么來的？什么是固態電池？

目前通用的鋰離子電池的研發過程，可以追溯到上世紀70年代。

1972年，法國科學家Armand首次提出在石墨電極中的陽離子，會在層狀物質的晶體中嵌入和遷出（又稱跎纖）活動，基于這個現象，Armand將其應用于使用固態電解質的電池中。

這是有關固態電池的第一次報道。

70年代末期，Armand又全面討論了插層材料的物理化學性質，提出了一種新穎的可充電電池設計，即“搖椅電池”。

“搖椅電池”是指，鋰電池的充放電不是通過傳統的方式實現電子轉移，而是通過鋰離子在層狀物質的晶體中的出入，發生能量轉化。

在正常充放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會引起晶體結構的破壞，因此從充放電反應來講，鋰離子電池是一種可逆電池。

在充放電時，鋰離子在電池正、負極往返出入，很像搖椅一樣在正負極間搖來搖去，故有人將此形象地稱為“搖椅電池”。

不管液態還是固態鋰離子電池，“搖椅理論”是目前動力電池工作的基本原理。不過，鋰離子在液體和固態電池的兩極中嵌入和脫嵌過程稍有不同：

在液態電池中，鋰離子由一極向另一極移動，通過電解液，穿過隔膜后，插入或嵌入另一極；

在固態電池中，鋰離子由一極向另一極移動，直接穿過固態電解質，嵌入或插入另一極。

結合電池充放電場景，液態鋰離子電池中，陽極和陰極由隔膜隔開。隨著電池充電，鋰離子離開陰極，通過液體電解質，穿過隔膜孔，到達陽極；電子通過外部連接從陰極流向陽極，儲存電能。

在放電過程中，鋰離子從陽極流向陰極，電子通過外部連接從陽極流向陰極，從而產生電能。在固態電池中，固體電解質將陽極和陰極物理分離，無需使用隔板。

液態鋰離子電池和固態鋰離子電池只有一個區別：電解質是固態還是液態。

“電解質是根本區別，有液體電解質就不算固態電池。”國內一家居于領先位置的電池研究項目負責人介紹，兩者原理是相同的，都是搖椅理論。

不過在他看來，兩者有諸多不同。比如雖然傳遞能量的機制相同，但傳遞能量的物質不同；兩者本質結構相同，但微觀層面相差太遠，液態電池每個結構浸潤液態，結構追求疏松，而固態電池強調致密性，又脆又硬。

兩者的優勢和劣勢非常明顯。

目前市場上成熟的液態電池，產業化高度成熟，但電解液導致熱穩定性差，偶爾會發熱甚至燃燒爆炸，質量占比大拉低能量密度，因此基本到了能量密度上限。

這些都是液態電解質導致的，也是液態電池最大的局限。

理論上的固態電解質，首先解決了安全方面問題。由于采用了固態電解質，電池燃燒起火的可能性非常低，電池運行穩定。

由于采用了固態電解質，提升了鋰電池的循環次數，延長了使用壽命。還有，固態電解質能量密度能夠突破目前液態鋰電池的上限，300到400Wh／kg是基本下限。

優勢明顯的同時，固態鋰離子電池需要突破的技術難題也不少。

全球全固態電池技術研發，多處于實驗室狀態，主要分為三個路線：

第一，聚合物固態電池。這是一條研發最早最成熟的路線。這條路線與現有電池工藝通用率較高，便于量產。因此，技術切換成本低。但是，這條路線生產的電池必須在高溫下工作，且耐受的電壓較低，能量密度較低，快充性能較差。

第二條路線是氧化物固態電池。它的優勢是能夠做出來，且能在常溫下工作，但是材料脆，致密性較低。這就導致這條線路的電池產品，量產難度很大，能量密度較低。

最要命的是，氧化物固態電池的價格太高。上述負責人指出，氧化物固態電池成本應該是目前成熟的液態動力電池的500到1000倍，“日本生產的一款氧化物固態電池，小拇指大小，就要50元。”

最后一條路線是硫化物固態電池。這種電池質量較輕，理論上能量密度高，密度和柔性都適合量產。

不過，硫化物固態電池生產難度不小。

“味道太臭了，還要在零下60度的充氬空間內生產。”上述負責人告訴《超源力》，按照這種生產環境計算，一小時的成本就要五六萬元，假若純人工在此環境下生產的話，24小時只能生產1ah電池。

硫化物固態電池的原材料價格不高，但問題是，產品需要原材料提純，需要高純度的材料，這樣價格就隨之攀升。

“原材料其實不貴，但需要提純。”上述負責人指出，原材料提純需要高壓實現材料的致密化，國內的工藝生產水平很難達到需要的純度。

總而言之，聚合物固態電池的難點在于控制聚合物成型的工藝方法；氧化物固態電池，歐洲人起步較早，未來落實可能還在歐洲；硫化物固態電池，因為涉及到提純工藝，提純后的材料被生產工藝相對領先的日本人掌控。

也正因為存在上述諸多的技術難題尚未突破，英國伏特（Britishvolt）首席技術官Allan Paterson 曾將固態電池稱為動力電池解決方案中的“圣杯”。

尚未拿下的“圣杯”

固態電池的不少優勢，吸引了眾多企業和機構投入兵力攻堅。

總部位于美國馬薩諸塞州的固態電池創業公司 Factorial Energy 正是其中典型。

這家堅定的電動汽車固態電池的提供方，曾展示了被稱為業界迄今為止最大的固體電解質電池 40 Ah電池。

但據相關報道，即使他們的實驗室花費數年做研發，仍在電動汽車固態電池技術商業化道路上艱難地前進，許多技術仍處于研發階段，等待突破。

有人選擇“一條路走到黑”，有人則選擇撤退。

一些固態電池的開發人員無法突破技術難關，最后放棄了，最致命的例子便是美國電動汽車公司Fisker。

2017年，Fisker發布一項固態鋰電池專利：充電1分鐘，續航800公里。這在當時確是振奮人心的消息。

創始人Henrik Fisker當時信心滿滿，預估固態鋰電池2023年量產，價格也會比液態鋰離子電池便宜三分之二。

但是，隨后的兩年，公司宣稱的搭載固態電池的跑車遲遲未能下線，公司只能推出液態電池電動車搪塞闖關。2021年，Henrik Fisker無奈承認：他們已徹底放棄固態電池計劃。

“這是一種這樣的技術，當你覺得已經完成了90%，幾乎達到目標時，然后你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多。”Henrik Fisker說，“我們完全放棄了固態電池，因為真的無法落地。我個人認為，不管是哪種形式的量產，固態電池至少還需要7年。”

另一家公司也值得一提，它就是美國創業公司 QuantumScape。這家公司接受大眾等公司的投資，不差錢。

該公司的方法是在無陽極電池中使用固態陶瓷電解質隔膜，其中鋰離子流過電池，在第一次充電時形成陽極。

通過這種方法，該公司正在試圖攻克超過400 Wh/kg的能量密度。

QuantumScape首席技術官Tim Holme指出，實現這種鋰金屬陽極的關鍵是固態隔膜。他們使用的是陶瓷隔板，可防止在電池循環過程中形成鋰枝晶，這種枝晶可能會導致電池短路，甚至燃燒爆炸。

Holme 說，這種電解質必須很薄，并且能夠量產以便降低成本。他說，公司幾十年來一直在努力解決這個問題，未來的關鍵任務是改進隔膜生產工藝，增加多層電池的層數，提高批量制造能力。

“這確實是一個艱巨的挑戰，很多挑戰。”Holme的目標是2024年實現商業規模量產。

另一家美國固態電池創業公司 Solid Power 采取了不同的方法。它正在同時開發具有鋰金屬和硅陽極的固態電池，這兩種電池的陽極都將使用硫化物電解質。該公司已從寶馬、福特、現代和三星等企業籌集了 1.3 億美元。它的目標是在 2026 年開始商業生產。

Solid Power首席技術官Josh Buettner-Garett指出，就能量密度而言，你永遠無法擊敗鋰金屬，而且鋰的成本更低。但硅也很重要，因為它能在低溫下快速充放電。

然而，處理固體電解質并非易事。

“硫化物材料的主要缺點是它對濕度敏感，因此需要在干燥的房間內制造，并將其儲存在惰性氣體的環境中。”Buettner-Garrett 說，一旦材料進入電池堆，它的性能就會急劇下降。

更多突破在前面等著公司研發團隊：電池設計，低溫有效運行，粒徑、成分、孔隙率，電極厚度測試……

雖然全球大廠都在等著固態電池下鍋，但如上面幾家公司一樣，他們都相對審慎。

大眾、福特、寶馬等車企與包括寧德時代在內的電池企業都認為，全固態電池產業化要到2025年才會開啟，乃至到2030年前液態電解質鋰離子電池仍會是主流。手握大量固態電池專利的豐田，不斷推遲固態電池量產時間表：最新的消息已是2028年。

與眾多企業的積極投入相比，特斯拉老板馬斯克一直保持靜默，他正在忙著推銷他的液態電池“4680”：

能量提高5倍，續航里程提高16%，6倍充放電功率，每千瓦時成本下降14%，電池產線的速度提高7倍。這也是馬斯克的風格：小步快跑，一直小步快跑。

也難怪固態電池企業Solid Power首席技術官Buettner-Garrett不無感慨地說：“消費者并不真正關心他們的電動汽車中的化學成分。”

事實上，不管在哪一個維度上，固態電池都超越了液態鋰離子電池，但商業化時間太久，2030年已是最樂觀的估計。

中國國內的固態電池研發，與國外同行相比，除去難度相同外，偶爾出現前述企業的急匆匆“加戲”。

據國內一家電池研發領先團隊負責人介紹，中國固態電池起步于中科院寧波材料所等14家單位發起的攻關。目前，中科院院士南策文、中科院院士陳立泉、中科院物理所研究員李泓、贛鋒鋰電的許曉雄等人所在的團隊研究進展，值得關注。

2022年年初出現的新一輪固態電池熱，在一名投資人眼里是：企業要給車企講故事，每兩到三年給出一些樣品，給出一些小批量制造，讓車企測試裝車，然后吸引資本加大投入固態電池研發，推進上市融資。

“先把彈藥（錢）準備到位，然后再解決技術問題。”該投資人指出，國內有些企業大致是這個思路。

上述投資人指出，國內有些企業太急了，為了研發融資沒有錯，但同時要坐冷板凳才可能有技術突破，在研發上要學習古迪納夫（Goodenough）。

古迪納夫，諾貝爾獎得主，在鋰離子電池研發中作出重大貢獻。

面對鈷酸鋰結構時間久了就會發生“崩塌”導致性能下降和鈷礦石太貴成本太高的局面，研發出鈷酸鋰電池的古迪納夫，75歲時發明出磷酸鐵鋰的鋰離子電池，震驚世界。

當古迪納夫90歲時，他又做出了一個決定，研究全固態電池技術，現在每天堅持到實驗室參與研發。

“我們有些人就像是烏龜，走得慢，一路掙扎，到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道，他必須走下去。”古迪納夫曾經如此說。

參考文獻

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【2】《先讓一部分固態電池“流”“行”起來》，遠川研究所

【3】《錯過動力電池市場？固態電池風口才剛到》， 旺材鋰電

【4】《固態電池距離真正上車還需要多久？》，界面新聞

【5】《 國外固態電池的產品和產能規劃進度 》，汽車電子設計

【6】《 半固態電池商業化元年將至！》，第一電動汽車網

【7】《全球首發！“鋰王之子”的固態電池量產裝車！》，維科網鋰電

【8】《電池革命：固態電池量產還有多遠？》，腦極體

【9】 From Solid-Solution Electrodes and the Rocking-Chair Concept to Today’s Batteries. Angew Chem Int Ed Engl 2019, DOI: 10.1002/anie.201913923

【10】《固態電池產業鏈全景圖》，旺材鋰電

【11 】《解決固態電池商業化的障礙之一 》，中國化學與物理電源行業協會

【12】《固態電池是新能源汽車未來發展的另一道路？》，愛車兵團

【13】《資本持續加碼，半固態電池即將量產裝車》， 蓋世汽車社區

【14】 Solid-state batteries inch their way toward commercializationSmall battery makers hope to prove lithium-ion alternatives’ worth by first energizing internet of things devices C&EN

本文來自微信公眾號“超源力”（ID:diandongyihao），作者：悟能，36氪經授權發布。