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(shuō)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(píng)論區(qū)，還真有一群人說(shuō)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(guó)科學(xué)院物理所研究電池的博士生白睿，來(lái)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(shuō)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？

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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(jué)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(guò)隔膜和電解液到達(dá)對(duì)面，帶負(fù)電的電子則通過(guò)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(lái)，固態(tài)電池的體積能量密度也更高：

據(jù)說(shuō)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(lái)，還剩下一個(gè)問(wèn)題：到底要用什么固體，來(lái)充當(dāng)電解質(zhì)呢？

如果你還沒(méi)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(wú)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(guó)一家公司推出過(guò)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(méi)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(jí)。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(wèn)題是，是解決不了“界面阻抗”的問(wèn)題。

界面阻抗，是指鋰離子在通過(guò)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(rùn)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(rùn)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(méi)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(lái)解決界面阻抗問(wèn)題，屬于一種妥協(xié)方案。

但問(wèn)題是加了電解液之后，還是得面對(duì)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(shuō)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(méi)有在熱穩(wěn)定性上沒(méi)有進(jìn)步太多；

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

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

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(shuō)。不過(guò)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(jí)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(wèn)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(duì)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(shuō)，目前鋰鍺磷硫的價(jià)格高達(dá)每公斤 7 萬(wàn)美元。作為對(duì)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(shuō)“界面阻抗”的問(wèn)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(duì)好一些——但目前也只能在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)外部加壓等方式，勉強(qiáng)緩解這個(gè)問(wèn)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(duì)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(guó)際車展上，豐田又說(shuō)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?yáng)|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(méi)有豐田跳得多。GTA VII 跟全固態(tài)電池誰(shuí)先上市，那都不好說(shuō)～

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(wú)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(wàn)一蒙對(duì)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(wèn)題不是我們能回答的。不過(guò)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(hào)玩家，寧德時(shí)代的老板曾毓群說(shuō)：

“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(wèn)了白睿，他似乎更“樂(lè)觀”一點(diǎn)：

我感覺(jué)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(shuō)，因?yàn)楝F(xiàn)在我至少?zèng)]看到一個(gè)對(duì)界面改進(jìn)很好的這種文章去報(bào)道出來(lái)……或者說(shuō)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(jué)好像都沒(méi)有看到。所以在如果說(shuō)這個(gè)前提下再去說(shuō)產(chǎn)業(yè)，我感覺(jué)就有點(diǎn)荒謬了。

但是也不好說(shuō)。如果說(shuō)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(shuō)不可能啊。所以說(shuō)這一切可能真的沒(méi)有辦法去人為地預(yù)測(cè)，只能說(shuō)這個(gè)隨緣了。

也有一句話說(shuō)，

，就是所以說(shuō)這個(gè)東西就是看看大家在這個(gè)研發(fā)或者說(shuō)在研究過(guò)程當(dāng)中有沒(méi)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?cè)琰c(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(lái)的吧！加油！下期見！