中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全世界最厚實(shí)的錢包支持下，一群全世界最聰明的大腦正在和電池死磕。
哪怕再篤定的電動(dòng)車擁躉，也不可能說(shuō)眼下市面上已有的電池技術(shù)，就足以支持純電動(dòng)車的全面普及——誰(shuí)不承認(rèn)誰(shuí)就是不客觀。真·續(xù)航1000km？10分鐘充滿？低溫不衰減？超長(zhǎng)循環(huán)壽命？成本低一半？我們什么都想要，我們什么都需要。
鋰電池在原理上并非新事物，第一款商用鋰離子電池早在1991年就誕生了；但先進(jìn)車用動(dòng)力電池又仍有發(fā)展空間，實(shí)用化的純電動(dòng)車出現(xiàn)也不過(guò)是七八年前的事。所以這幾年隨著資本蜂擁而至，電池圈轉(zhuǎn)瞬之間多了一個(gè)又一個(gè)新名詞兒……
1、最終幻想：固態(tài)電池
要說(shuō)未來(lái)電池，固態(tài)一定是怎么都繞不開(kāi)的。這些年，電動(dòng)車銷量猛增，我們會(huì)想固態(tài)來(lái)了會(huì)更棒；電動(dòng)車?yán)m(xù)航尷尬，我們也會(huì)說(shuō)固態(tài)來(lái)了就好了。再加上豐田不信任現(xiàn)有鋰電池、押寶固態(tài)電池的策略備受議論，更讓固態(tài)電池成為坊間熱詞。
固態(tài)電池到底“固”了啥？現(xiàn)在的電池不是固態(tài)是啥態(tài)？為什么這個(gè)固態(tài)就會(huì)讓電池更好？又為什么咱至今用不上固態(tài)的好？
▲常見(jiàn)的圓柱電池，其實(shí)內(nèi)部是卷起來(lái)的，一層正極一層負(fù)極中夾一層電解液
所謂固態(tài)電池，說(shuō)的是電解質(zhì)為固態(tài)而非液態(tài)。目前市面上的所有車用鋰電池，雖然外面看仿佛是個(gè)實(shí)心鐵盒子，內(nèi)部其實(shí)無(wú)一例外都是電解液——只是液體被各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“固定”得比較好，不會(huì)像礦泉水那樣隨便晃蕩。
▲把上圖簡(jiǎn)化其實(shí)就是這樣
如果你的初中物理還沒(méi)有還給體育老師，應(yīng)該至少還記得：電池是由正極、負(fù)極、電解液組成。
電池外面，負(fù)極失去電子沿著導(dǎo)線流向正極，因?yàn)殡娮訋ж?fù)電，所以電流是從正極流向負(fù)極；電池內(nèi)部，負(fù)極上失去了電子的陽(yáng)離子在電解液中流向正極，正極得到電子的陰離子則流向負(fù)極。我們用電時(shí)用到的只是電池外面那部分，電流流過(guò)導(dǎo)線和用電器，發(fā)光發(fā)熱出功出力。
說(shuō)白了就是一大型電子離子分頭跑路現(xiàn)場(chǎng)，外面是電子跑掉一個(gè)，里面就是鋰離子跑掉一個(gè)。那么內(nèi)部離子如果流動(dòng)不夠“通暢”，外面電流也就不可能“通暢”，表現(xiàn)為充放電性能不佳。很顯然，液體是最方便離子在里面游來(lái)游去的，就算你不懂化學(xué)，也應(yīng)該見(jiàn)過(guò)化學(xué)老師比劃各種溶液。
將電解質(zhì)換為固態(tài)，也很顯然的，離子在其間流動(dòng)會(huì)更加困難：原先是從液態(tài)這頭到液體那頭，現(xiàn)在需要穿越一片固體物質(zhì)。這也是目前固態(tài)電池遇到的最大難點(diǎn)，大電流充、放電能力不足，而高功率放電、高功率充電又是未來(lái)電動(dòng)車不可或缺的。
但誘惑也同樣來(lái)自固態(tài)電解質(zhì)。
傳統(tǒng)鋰電池的電解液占據(jù)了相當(dāng)一部分重量，而固態(tài)電解質(zhì)可以更薄更輕，從而提高電池的能量密度。含鋰化合物的電解液本來(lái)就易燃，液體可能泄露進(jìn)一步增加了風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)內(nèi)隔開(kāi)正負(fù)極、對(duì)外以外殼保護(hù)，也是增加重量和體積。液態(tài)電解質(zhì)中，難以使用鋰金屬電極來(lái)提高能量密度。
也就是說(shuō)電解質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，電池的能量密度和安全性都會(huì)有顯著提高可能。但眼下，在快充快放、循環(huán)壽命、制備成本等方面，固態(tài)電池還存在著尚未徹底解決的不足。早期產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)也許就在這幾年，然而可以大規(guī)模商用化的成熟固態(tài)電池，幾乎必定要等到2025年甚至更遠(yuǎn)。
▲最左
蔚來(lái)ET7的所謂固態(tài)電池，其實(shí)人家自己宣傳中就已經(jīng)標(biāo)明了“原位固化固液混合電解質(zhì)”。所謂原位固化，說(shuō)白了就是這個(gè)電解質(zhì)一開(kāi)始并不是固態(tài)的，在涂覆到電極上之后經(jīng)過(guò)某些措施或反應(yīng)（具體未知），電解液在原位形成了一部分固態(tài)物質(zhì)。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程結(jié)束后還殘留有部分液態(tài)，所以叫做固液電解質(zhì)。
所以這個(gè)半固態(tài)電池的能量密度，蔚來(lái)給出的數(shù)字是360Wh/kg（單體/電芯能量密度）。這相對(duì)于目前的常規(guī)非固態(tài)電池當(dāng)然高出一截（目前最高大概在300Wh/kg），但是又并不像我們對(duì)于固態(tài)電池的幻想那么遙不可及，尤其是考慮到其正負(fù)極材料也采用了更前沿技術(shù)。
固了嗎？固了，但沒(méi)全固。好的方面是，用戶確實(shí)能盡早享受到目前第一流的電池能量密度；遺憾之處主要是在行業(yè)技術(shù)角度，它無(wú)法充分說(shuō)明蔚來(lái)掌握了足夠的未來(lái)全固態(tài)電池技術(shù)。當(dāng)然，第二點(diǎn)并不十分充分，同時(shí)也不應(yīng)該掩蓋第一點(diǎn)。
2、重塑過(guò)去：鋰金屬負(fù)極
固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)之一，是更可能采用鋰金屬電極。而就在上個(gè)月，一直以來(lái)鉆研鋰金屬電池的初創(chuàng)公司SES，在其首屆SES Battery World活動(dòng)上發(fā)布了名為Apollo的鋰金屬電池，單體能量密度達(dá)到了驚人的417Wh/kg，而這還只是鋰金屬電池的第一代成品。
所謂鋰金屬電池，鋰金屬指的是負(fù)極材料，而目前常用的負(fù)極材料是石墨，主流的發(fā)展趨勢(shì)是摻入硅，即硅碳負(fù)極（蔚來(lái)固態(tài)也在用）。負(fù)極材料對(duì)外提供電子（放電），對(duì)內(nèi)在電解質(zhì)中脫出鋰離子，所以負(fù)極能“存儲(chǔ)”多少鋰離子，會(huì)決定電池能量密度的上限。
硅的這個(gè)“存儲(chǔ)”能力，要比碳高出十倍有余，自然成為了更好的選擇。但直接用硅負(fù)極又不可行，因?yàn)楣柝?fù)極充放電時(shí)體積變化太大，膨脹率可達(dá)300%，而石墨僅為10%。所以眼下趨勢(shì)是在石墨負(fù)極中盡可能加入硅——也就是智己L7所謂“摻硅補(bǔ)鋰”中的摻硅。
既然負(fù)極的作用是提供鋰離子，為何非要另辟蹊徑去找“存儲(chǔ)”鋰離子的碳和硅，而不直接使用“自帶”鋰離子的鋰金屬呢？相比碳和硅，鋰金屬負(fù)極只需要薄薄的一片，大幅降低了負(fù)極的重量和體積，這是鋰金屬電池高能量密度的重要來(lái)源。
▲相比傳統(tǒng)負(fù)極材料，鋰金屬負(fù)極只需要很薄的一層；負(fù)極即陽(yáng)極
其實(shí)廣義下的鋰金屬電池早有，但過(guò)去的鋰金屬電池壓根就不是充電電池，只能一次性使用。這是因?yàn)殇嚱饘僮鲐?fù)極雖好，但充電時(shí)鋰離子需要回到負(fù)極，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)中，鋰離子會(huì)回到負(fù)極在表面析出鋰金屬，這種析出經(jīng)過(guò)時(shí)間推移會(huì)生長(zhǎng)出所謂枝晶。
日積月累，枝晶生長(zhǎng)到一定程度就可能刺破正負(fù)極間的隔膜，也可能刺破電池外殼造成危險(xiǎn)的電解液泄露，還可能直接生長(zhǎng)接觸到正極材料引發(fā)短路。所以以往，如果以鋰金屬作為負(fù)極，一定是一次性或短壽命電池，用完拉倒才能不管枝晶問(wèn)題。
▲枝晶是個(gè)危險(xiǎn)因素
今天重新現(xiàn)身江湖的鋰金屬電池，能夠躋身車用動(dòng)力電池的原因，也是由于固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)的興起和日漸成熟。析出鋰在電解液中“野蠻生長(zhǎng)”成為惱人的枝晶，那么如果電解質(zhì)是固態(tài)，不就可以阻擋銳利的枝晶嗎？
SES的鋰金屬電池就采用了部分固態(tài)的混合電解質(zhì)，而固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)之一也包括了更便于啟用鋰金屬負(fù)極。二者可以說(shuō)是彼此促進(jìn)甚至共進(jìn)退的關(guān)系，固態(tài)電解質(zhì)讓鋰金屬負(fù)極可用，鋰金屬負(fù)極又讓固態(tài)電解質(zhì)更有優(yōu)勢(shì)。
鋰金屬負(fù)極技術(shù)也還處在較早期階段，電解質(zhì)固態(tài)化對(duì)于枝晶問(wèn)題的解決程度，也尚需時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)去驗(yàn)證。目前的預(yù)計(jì)大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)間，也要到2025年之后。比較看好鋰金屬電池的車企，主要是參與了SES幾輪融資的通用和現(xiàn)代。
3、持續(xù)演進(jìn)：高鎳無(wú)鈷
相對(duì)于電解質(zhì)和負(fù)極，正極的“進(jìn)階玩法”稍單調(diào)一些。對(duì)于三元鋰正極材料，主旋律就是提高鎳含量、降低乃至去掉鈷。這一趨勢(shì)從NCM（鎳：鈷：錳）523到622再到811就一直在持續(xù)：鎳的比例提高到80%，而鈷含量被一減再減。
鎳是提高能量密度的直接因素，含量高低決定著正極的可逆嵌鋰容量。但鎳的比例當(dāng)然不是說(shuō)提高就提高，過(guò)多的鎳會(huì)導(dǎo)致正極出現(xiàn)陽(yáng)離子混排，鎳離子和鋰離子彼此占據(jù)對(duì)方位置，降低電池的循環(huán)性能和壽命；高鎳會(huì)加劇電池高溫下的自加熱現(xiàn)象，并導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度和壓力更易上升，使得安全性受到影響。
而鈷起到的作用，正是幫助電池提高循環(huán)壽命。當(dāng)鋰離子可逆地進(jìn)、出正極材料，即充放電時(shí)，鈷可以幫助正極中的層狀分子結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定；但同時(shí)，鈷含量越高則正極的可逆嵌鋰容量越低，表現(xiàn)為能量密度下降。
▲注意左側(cè)，鎳鈷錳元素的位置
由于鈷是一種有毒金屬，在開(kāi)采過(guò)程中伴隨著大量的不人道，一直以來(lái)都被世界各地環(huán)保和人權(quán)組織所抗議。同時(shí)，鈷的價(jià)格也因開(kāi)采困難而非常昂貴。所以無(wú)論從道義上還是成本上，電池廠商都有足夠的動(dòng)力降低鈷用量。
特斯拉經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)迭代，目前其三元鋰電池中的鈷已經(jīng)降至3%，下一步還要降低至1%直至最終實(shí)現(xiàn)無(wú)鈷。要做到低鈷無(wú)鈷，就必須找到其他方法，取代鈷元素在正極材料分子層狀結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定作用。
在國(guó)內(nèi)，脫胎于長(zhǎng)城旗下的蜂巢能源今年第一個(gè)做到了量產(chǎn)無(wú)鈷，其目前的NMx電池去除了鈷元素，單體能量密度仍保持在240Wh/kg的較高水平。無(wú)鈷化的常見(jiàn)做法是摻雜陽(yáng)離子、納米網(wǎng)絡(luò)包覆等方法，改良分子層狀結(jié)構(gòu)，以替代鈷元素起到穩(wěn)定作用。一直在說(shuō)的蔚來(lái)半固態(tài)電池，也提到了納米級(jí)包覆超高鎳正極（低鈷）。
▲170Wh/kg為整包能量密度
正極、負(fù)極、電解質(zhì)，還只是電芯層面的車用電池技術(shù)，在電芯以外，整包技術(shù)也是提高電池整體性能的關(guān)鍵。
像特斯拉正在做的，以更大的4680規(guī)格替代2170規(guī)格電芯、以CTC方式減少結(jié)構(gòu)冗余并同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)模組CTP，都是在整包層面做的優(yōu)化?？梢?jiàn)即便不尋求激進(jìn)的電芯技術(shù)效果，整包層面也依然有足夠多的挖掘空間。但同時(shí)，整包優(yōu)化又離不開(kāi)電芯層面的進(jìn)步，如果不是對(duì)電芯穩(wěn)定性足夠有信心，像CTP和CTC也無(wú)從談起。
如果你對(duì)電池技術(shù)的進(jìn)步速度足夠有信心，也許可以開(kāi)始期（zuò）待（mèng）一輛采用固態(tài)電解質(zhì)、鋰金屬負(fù)極、高鎳正極、CTC電池包的純電動(dòng)車了。
