中國儲能網(wǎng)訊：電動車要實現(xiàn)1000公里長續(xù)航，固態(tài)電池暫時靠不住。
作者 | Juice
編輯 | 曉寒
就在最近一兩周，電動汽車實現(xiàn)1000公里續(xù)航的口號成了行業(yè)熱點話題。
蔚來、智己、廣汽等車企先后表示有方案可實現(xiàn)上述目標，包括了固態(tài)電池、硅負極電池等等。其中最引人注目的，自然就是代表了動力電池未來的固態(tài)電池技術(shù)了。
傳統(tǒng)車企的領(lǐng)頭羊之一，豐田汽車在不久前也宣布將在今年實現(xiàn)固態(tài)電池的小批量量產(chǎn)。有了固態(tài)電池的加持，仿佛電動汽車技術(shù)就站在了實現(xiàn)突破性進展的前夜，在續(xù)航上分分鐘可以打敗燃油車型。
但固態(tài)電池技術(shù)真的已經(jīng)到了量產(chǎn)的前夜了嗎？蔚來喊出2022年量產(chǎn)的底氣來自哪里？動力電池企業(yè)們對固態(tài)電池的量產(chǎn)時間表，又有著怎樣的預期呢？
帶著這些問題，我們和動力電池領(lǐng)域的從業(yè)者和技術(shù)專家進行了交流，發(fā)現(xiàn)事實遠沒有這么樂觀。
本文福利：新能源車續(xù)航步入1000公里時代，但固態(tài)電池仍然任重道遠。推薦《新能源汽車行業(yè)2021年度策略報告：電動革命，百舸爭流》，公眾號對話框回復【車東西0153】下載。
01.蔚來明年量產(chǎn)固態(tài)電池 再次帶熱固態(tài)電池
在今年的蔚來NIO Day上，蔚來發(fā)布了多款重磅產(chǎn)品，除了被視為下一代旗艦的蔚來ET7，李斌還在發(fā)布會上發(fā)布了一款150kWh大號電池包。
根據(jù)蔚來方面的介紹，這款電池將會是固態(tài)電池，采用原位固化固液電解質(zhì)、無機預鋰化硅碳負極、納米級包覆超高鎳正極，電芯的能量密度達到了360Wh/kg，而現(xiàn)階段能量密度最高的NCM811電芯大概在270Wh/kg左右。
在采用了這款電池包之后，2018款ES8的NEDC續(xù)航里程將會達到730公里，全新ES8的NEDC續(xù)航里程將會達到850公里。ES6的高性能版本的NEDC續(xù)航里程將會達到900公里，EC6的高性能版本的續(xù)航里程為910公里。
在發(fā)布會上剛發(fā)布的新款車ET7在采用了這款電池包之后，NEDC續(xù)航里程將會超過1000公里，這意味著這款車將會成為現(xiàn)階段續(xù)航最長的電動汽車。
在發(fā)布會之后，率先引起用戶討論的并不是這款車的性能如何，而是蔚來表示將會在2022年第四季度量產(chǎn)固態(tài)電池這件事。隨著討論的發(fā)酵，也固態(tài)電池再次成為了行業(yè)的熱點之一。
而在去年年末，《日經(jīng)新聞》報道，豐田計劃在2021年首次亮相其搭載了固態(tài)電池的量產(chǎn)車，也曾引發(fā)過關(guān)于固態(tài)電池的討論。
▲《日經(jīng)新聞》報道豐田將會在2021年推出固態(tài)電池量產(chǎn)車
連續(xù)兩個關(guān)于固態(tài)電池的量產(chǎn)規(guī)劃讓固態(tài)電池的量產(chǎn)似乎出現(xiàn)了曙光，而固態(tài)電池上車，并且讓車輛的續(xù)航突破1000公里似乎已經(jīng)完全不是問題了，電動車全面代替油車的時代似乎已經(jīng)到了。
但事實真的是這樣嗎？蔚來為何能突破行業(yè)平均水平，提前量產(chǎn)？帶著這兩個問題，車東西和動力電池領(lǐng)域從業(yè)人員進行了一些交流，得出了一些新的認識。
02.蔚來是半固態(tài)電池量產(chǎn) 有企業(yè)今年可實現(xiàn)
要知道蔚來為何能夠提前量產(chǎn)固態(tài)電池就首先要明確固態(tài)電池的兩種形式，一種是半固態(tài)電池，電解質(zhì)為固液夾雜；另一種是全固態(tài)電池，電池的電解質(zhì)完全為固態(tài)，也就是更多人理解中的固態(tài)電池。
蔚來本次發(fā)布會上所發(fā)布的固態(tài)電池屬于前一種，即半固態(tài)電池，并非公眾理解中的固態(tài)電池。蜂巢能源的技術(shù)支持總監(jiān)林育民告訴車東西，半固態(tài)電池并不是很先進的技術(shù)，蜂巢能源今年電池日活動上發(fā)布的果凍電池就已經(jīng)是半固態(tài)電池了，蜂巢能源今年能具備量產(chǎn)的條件。
▲蜂巢能源發(fā)布的果凍電池就是半固態(tài)電池
林育民表示，在現(xiàn)階段的NCM 811電池的基礎上，往負極材料上摻加硅碳元素，就能生產(chǎn)出半固態(tài)電池，從技術(shù)上來看完全可行。
半固態(tài)電池最大的優(yōu)點就是能量密度更高，電芯能量密度做到300Wh/kg左右完全沒問題，這樣做的好處是，可以讓電動汽車攜帶更多的電池。
他還表示幾年前這項技術(shù)就已經(jīng)有了，但當時材料的成本都比較高，如果生產(chǎn)出150kWh的電池包，那么只有售價超過百萬的車型才能夠使用。
而且早些年，國內(nèi)電動汽車的補貼政策比較明確，電池企業(yè)也在這個政策下進行生產(chǎn)，明確來講就是，政府對電池的補貼要求是什么，電池企業(yè)就生產(chǎn)什么樣的電池。車企這邊也是同樣的道理，政府補貼對續(xù)航的要求決定了車輛的續(xù)航里程。
近些年，材料成本不斷降價，生產(chǎn)更大容量的電池變得更加可行，再加上蔚來汽車的售價平均都在40萬上下，電池成本對整車售價影響不算太大，蔚來在此時推出這種電池也合情合理。
在使用壽命上，這種電池也完全能夠滿足用戶的需求。舉個例子，電動車使用最多的場景主要是平時的上下班，而上下班的通勤距離一般都不會太遠，夸張來說，假如用戶上下班的通勤距離有100公里，那么充一次電，車輛也足以使用一周。
做個簡單的乘法題，充一次電可以使用一周，一年僅需要充電52次，那么十年，電池也就循環(huán)了500多次，也就是50萬公里的續(xù)航距離了。
林育民表示，這個循環(huán)數(shù)據(jù)對于液態(tài)電池或是摻硅碳電池（半固態(tài)電池）來說完全不成問題，摻硅碳電池在硅碳含量達到10%左右的時候，循環(huán)壽命可以實現(xiàn)700次以上，甚至突破1000次都可以實現(xiàn)。
但這種大電池包也并非完全沒有缺點，更大的容量意味著電池的充電時間會變得更長，目前公共充電樁的功率大部分都維持在30kW~60kW之間，在這種充電樁下，150kWh的電池包完全充滿電理論上需要2.5～5個小時。
而用戶家里安裝的家充的功率則在10kW左右，這就意味著采用家充的話，可能需要十幾個小時才能夠?qū)㈦姵爻錆M。
▲蔚來家充樁
目前蔚來正在全國積極建設換電站，采用換電模式后，用戶直接開車過來換電就行，而電池包的充電則是蔚來換電站的工作。
可能正是出于這個目的，李斌在NIO Day上表示，將會在2021年在全國建成500座換電站，而2022年這一數(shù)據(jù)還會繼續(xù)增加，屆時，蔚來再推出150kWh電池包在充電方面也會有一定的保障。
▲蔚來第二代換電站
北京某研究所電池技術(shù)專家高晨（化名）也向車東西表示，目前在用于電動汽車的固態(tài)電池領(lǐng)域，先推出半固態(tài)電池也不失為一個實現(xiàn)快速商業(yè)化落地的好方法。
03.專家：全固態(tài)電池至少還需五年才能商用
既然蔚來要推出的固態(tài)電池并非是全固態(tài)電池，那么全固態(tài)電池究竟要到什么時候才能大規(guī)模商用呢？
關(guān)于這個問題，車東西也得到了幾個答案，高晨表示，動力電池的大規(guī)模上商用至少要到5年之后，而此前國軒高科高級副總裁徐興無和欣旺達副總裁梁銳也曾傳遞了相似的看法。
豐田雖然要在今年推出固態(tài)電池車型，但是官方也表示將會在2025年實現(xiàn)量產(chǎn)，寶馬此前曾宣布將會在2026年量產(chǎn)搭載固態(tài)電池的電動汽車，而寧德時代更是認為要到2030年才能大規(guī)模量產(chǎn)完全固態(tài)電池。
雖然各個企業(yè)表達的時間點并不一致，但是不難發(fā)現(xiàn)，整個行業(yè)內(nèi)均認為至少要到2025年之后才能推出完全固態(tài)電池。
那么固態(tài)電池的量產(chǎn)難度究竟在哪里呢？為何研發(fā)進度如此緩慢呢？
▲鋰電池技術(shù)路徑演變
1、電解質(zhì)導電性太差和界面阻抗太大影響研發(fā)進展
一位動力電池從業(yè)人員告訴車東西，目前固態(tài)電池的難點在于電解質(zhì)導電性太差和界面電阻太大?；瘜W反應所選擇的介質(zhì)通常會選擇液體，這是因為離子在液態(tài)的物質(zhì)中更容易移動，也更容易發(fā)生反應。
固態(tài)電解質(zhì)的第一大技術(shù)難點就是鋰離子的遷移效率，這直接影響了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率。據(jù)了解，目前絕大多數(shù)的固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率在10^-7—10^-2 S/cm之間，而目前三元鋰電池所使用的液態(tài)電解質(zhì)的離子電導率為10^-2 S/cm，絕大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率低于液態(tài)電解質(zhì)，影響了固態(tài)電池的實用性能。
▲傳統(tǒng)電池（左）與固態(tài)電池（右）結(jié)構(gòu)原理圖對比
林育民也表示，現(xiàn)在主要就是在材料上無法進一步突破，現(xiàn)在國內(nèi)外的電池企業(yè)無論走哪條路線來做固態(tài)電池在材料上都有問題。
另一個問題出在固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸上，液態(tài)電解質(zhì)可以最大限度地與電極保持接觸，而固態(tài)電解質(zhì)與電極之間很難做到完美貼合，如此一來，電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗就會上升，同樣影響固態(tài)電池的實用性能。
高晨認為這也是非常關(guān)鍵的一個問題，在液態(tài)電池里，界面主要是液態(tài)和固態(tài)組成，而固態(tài)電池則是固態(tài)和固態(tài)的界面，所以界面的組成本身材料形態(tài)、物質(zhì)組成都發(fā)生了根本性的變化，很多問題都是固固界面的接觸引起的。
在技術(shù)方面，液態(tài)電池的生產(chǎn)工藝比較成熟，是采用涂布的方式，把不同的材料壓在一起，然后把液態(tài)電解質(zhì)注射進去，達到均勻分布。而固態(tài)電池不能按照這種方式來生產(chǎn)，需要發(fā)展全新的工藝，實現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)、正極材料和負極材料良好的接觸，達到像固體和液體這樣包覆性的接觸。
2、三大技術(shù)路線均存在一定的缺點
據(jù)了解，現(xiàn)在學界與業(yè)界在固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)摸索出了三條較為可行的技術(shù)路線：聚合物電解質(zhì)、無機氧化物電解質(zhì)以及無機硫化物電解質(zhì)，但這三條路線也各有各的優(yōu)缺點。
在聚合物電解質(zhì)方面，材料主要有聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等。高晨介紹，這種聚合物的優(yōu)點在于比較柔軟可以做凝膠狀態(tài)，具有一定的柔韌性。
但這種電解質(zhì)的缺點在于導電率過低，比現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)的導電率低了四到五個數(shù)量級，所以在實際應用中，會產(chǎn)生不少的影響。而制備出的聚合物電解質(zhì)難以避免含有少量水分，同時聚合反應不夠徹底等，都會對電池性能造成較為明顯的負面影響。
在無機硫化物電解質(zhì)方面，材料主要有Thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等。據(jù)高晨介紹，最好的硫化物電解質(zhì)的導電率已經(jīng)可以跟液態(tài)電池持平的水準，但硫系電解質(zhì)還存在一系列的問題。
這種材料耐高壓方面比較差，跟水分接觸，容易發(fā)生負反應，生成有毒的、易燃易爆的硫化氫氣體，這個固有的問題阻礙了現(xiàn)有的硫化物固態(tài)電池的發(fā)展。此外，現(xiàn)有電池的制備工藝是基于濕法的制備方式，很難避免跟水分的接觸。
在無機氧化物電解質(zhì)方面，主要材料有薄膜型（LiPON）、非薄膜型（LLZO）。高晨表示，這類電解質(zhì)跟液態(tài)電解質(zhì)的導電率差距已經(jīng)不是很大了，相對比較容易實現(xiàn)，并且這種材料對環(huán)境的要求比較低。
但這種材料的柔韌性比較差非常堅硬，會帶來一個很大的問題，界面接觸會比較差，直接導致界面阻抗增加，用現(xiàn)有的生產(chǎn)方式很難降低界面阻抗。
3、固態(tài)電池的一致性和量產(chǎn)也非常困難
就算解決了固態(tài)電池的材料問題，在量產(chǎn)方面也面臨著大規(guī)模量產(chǎn)和降低成本方面的問題。
林育民表示，在電解質(zhì)之外，電池的一致性也非常重要，目前電池企業(yè)在生產(chǎn)液態(tài)電池的時候，都在追求產(chǎn)品的一致性。但液態(tài)電解質(zhì)可以自由流動，而固態(tài)是固定的不能流動，做不均勻，一致性會差于液態(tài)電池。
▲液態(tài)電池的輥壓工藝
高晨告訴車東西，現(xiàn)階段的電池生產(chǎn)工藝在固態(tài)電池領(lǐng)域完全不適用，要大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池還需要創(chuàng)新生產(chǎn)工藝。
在這里面主要有兩個問題需要解決，一個是提升電池的生產(chǎn)效率，在上世紀90年代已經(jīng)有小型的固態(tài)電池開始生產(chǎn)了，但是那時的電池體型比較小而且生產(chǎn)效率比較低。
另一個則是降低成本，只有解決了這兩個問題才能實現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模商用。
這主要跟固態(tài)電池的技術(shù)成熟度有關(guān)，如果技術(shù)路線已經(jīng)快速確定下來了，那么產(chǎn)線的搭建就會非常順利。隨著大規(guī)模生產(chǎn)，固態(tài)電池的成本也將會降下來。
04.結(jié)語：純固態(tài)電池的量產(chǎn)還存在諸多難題
今年開年，汽車領(lǐng)域的討論點都集中在了動力電池行業(yè)，固態(tài)電池、石墨烯電池紛紛亮相。而固態(tài)電池這一平靜的領(lǐng)域也重新火熱了起來。
但是蔚來一直對外宣稱的固態(tài)電池卻并不是真的純固態(tài)電池，而是半固態(tài)電池，根據(jù)行業(yè)人士介紹，半固態(tài)電池在技術(shù)上的突破性并不是很大，距離純固態(tài)電池也還有一定的差距。
純固態(tài)電池目前仍然存在電解質(zhì)離子電導率低、高界面阻抗的問題，就連業(yè)內(nèi)摸索已久的三條可靠技術(shù)路線也還存在不小的問題。即使解決了材料方面的問題，電池的一致性、生產(chǎn)方面的問題也會出現(xiàn)。
總的來看，固態(tài)電池仍然是最理想的電池形態(tài)，但是在現(xiàn)階段要實現(xiàn)量產(chǎn)仍然是苦難重重。
