造车热背后,电池革命也时常被人所提及。遗憾的是,多年过去,好像谁的命也没被革成。
去年 10 月,一家名叫 QuantumScape 的美国固态电池新创公司宣称:“我们的新型电池不但能让电动车续航翻倍、15 分钟完成充电工作,甚至还比现有的锂电池更为
安全。”
三个月后,大洋彼岸的中国,蔚来则在 NIODay 上发布了一款续航超 1000km 的车型。他们号称会配备固态电池技术,2022 年第四季度正式开卖。
或许,QuantumScape 和蔚来真可凭借固态电池带来一次真正的技术革命,但在实现这一目标之前,尚需瓦解锂电池建立的几十年的统治地位。
1电池革命为何迟迟不来?锂电池为何能够统治业界超三十年却屹立不倒?
答案比较简单:打造新型电池的化学方程式尚未出现。
“自 18 世纪以来,电池的基本概念从未发生改变。”悉尼大学化学家、Gelion Technology 的创始主席 Thomas Maschmeyer 教授说道。
所有电池的主要构件无外乎三个:正极、负极、电解质(起催化剂作用)。
在上述三大元素不可改变的大前提下,如果业界想要实现革命性的技术突破,就必须对电池的化学成分做出调整。
过去几十年来,电池研究者们在元素周期表上可没少下功夫,目的则是能够找到代替锂电池的新型化合物。
主要路线分为两种:
一、研发超越锂电池能量密度的新型电池,比如固态电池、锂硫电池、锂空气电池等。
二、在已有电池中添加更多元素,如钠离子、铝离子和镁离子电池。
不过,改变电池化学成分说起来容易做起来难,解决一个问题的同时可能会带来多个新问题。
最主要的原因是电池在化学反应中会产生能量。
以常见的锂离子电池为例,它们会用到石墨负极和金属氧化物正极(通常是钴、镍、锰、铁或铝),而电解液则是有机溶剂中的锂盐。
当锂离子电池通电时,负极与电解液中的锂发生反应,产生电子积聚在负极周围,正极发生化学反应后就会吸引这些电子,产生电子流。
这一过程被称为还原—氧化过程。(也就是化学课上学的 “氧化还原”反应。)
于一次性电池(比如遥控器里的 AA 电池)来说,电子流只需朝着一个方向工作。
但在充电电池上,电子流的运动过程就变成可逆的了。也就是说,在正极和负极之间穿梭的电子必须买张 “往返票”,而且不会消耗或破坏活性化学物质。
锂离子电池之上,氧化还原反应简直是教科书级别的。在电池材料开始退化之前,电子可以双向移动,实现数千次循环。
可惜的是,这世上万事皆有缺憾:
充放电循环会产生微小的金属晶须(被称为树突),这些晶须会穿过电解液,缩短电池寿命。
在极少数情况下,锂离子电池还会起火(想想当年出现燃损事故的 Note 7)。
那么,如果换种成分,将锂换成镁呢?后者更容易开采,而且能够达到类似的能量密度。
事实证明:镁离子电池理论没问题,实践一团糟。
对锂有效的化学反应对镁不起作用,而且对钠、铝或任何其他体系都不起作用。在锂离子电池中,锂可以通过嵌入的过程扩散并稳定在石墨负极内,但镁不行。
它不但无法稳定在负极之内,镁还会在负极发生反应,形成固体电解质界面膜(SEI),进一步阻碍镁离子在电极和电解液之间的扩散。一旦这层界面膜出现,电池性能会迅速下降。
镁元素遭遇的问题并不罕见,不少要将锂元素打下神坛的化学成分都能实现充放电功能,但做得都不够完美。
显然,扩散能力弱意味着镁离子电池无法储存大量能量。锂空气电池虽然实现了高能量密度,但在稳定性方面存在问题。
至于钠,虽然它是地球上储量最为丰富的化学元素,但钠离子电池能量密度很低,根本无法用于消费电子产品或电动车。
这么多锂电池的变体中,唯一投入市场的恐怕只有锂硫电池了。
这项技术被人们所期待的最主要原因是:它能将电池能量密度提到传统锂离子电池的 5 倍。
不过,锂硫电池也不完美,因为锂和硫会发生化学反应,产生多硫化锂。这种物质的溶解度很高,能扩散到电解液中并穿过分隔正极和负极的隔膜。
多硫化锂可不是人们想要的氧化还原反应,因为它会覆盖负极并使其钝化,随后就是容量的迅速降低,直至电池最终罢工。
这个过程叫做多硫化物重组,二十多年来,它让研究人员们伤透了脑筋,尽管做了大量改善工作,但仍然难以找到商业化落地的变通方法。
2当所有研究人员都一筹莫展、难寻进步通道时,固态电池登场了。
何为固态电池?它抛弃了传统电解液,转而使用固态电解质,而新的电解质则是固态电池的核心。
除了能够做好自己的本职工作,固态电解质还能一并扮演隔膜的角色。
固态电池正极材料选择上,高电压型电极材料就可胜任;至于负极,则可用到锂金属,以实现能量密度的大飞跃。
固态电池事实上并非新鲜事物,其研发进程开始于上世纪五十年代,最近几年因为电池革命需要被迫走上前台。
相比于传统锂电池,固态电池有几大优势:
一、安全性更好;
二、体型更加轻薄;
三、能量密度更高;
四、生产制造难度更低。
通常,动力电池
系统需要先生产单体,单体封装完成后将单体之间进行串联组装。若先在单体内部进行串联,则会导致正负极短路与自放电。
固态电池电芯内部不含液体,可实现先串并联后组装,减少了组装壳体用料,封装设计得以大幅简化。
从理论上来讲,量产电动车中最强的 21700NCA 三元锂电池电芯(特斯拉使用),其能量密度也只有 251Wh/kg。
业内人士认为,300Wh/kg 将是三元锂电池难以跨越的鸿沟。
至于固态电池,其能量密度有望达到 400-1000WH/kg,这可大大缓解电动车用户的里程焦虑。
此外,它的应用还能拉低电池组甚至整车的成本。
由于固态电池已经没有燃烧或爆炸之忧,BMS 等温控组件(这也是特斯拉的强项)可以彻底退役,无隔膜设计还能进一步为电池系统减负。
利好无数,但固态电池想从实验室量产上车可不简单。
眼下,固态电池仍存不少问题,譬如离子电导率低、高界面阻抗等。
此外,即使解决了材料问题,电池标准化制造等问题也会凸显出来。
当年的锂离子技术比较幸运,它在 CD 机替代卡带时诞生,而存储介质的转换让不少索尼的薄膜工厂闲置了下来。
当日本人意识到这些薄膜工厂能助锂电池一臂之力时,原本过时的产能又被重新
激活。
也就是说,锂电池诞生之初,就已经做好了规模化量产的准备。
相比之下,固态电池的情况大不一样。
“这是完完全全地打掉重来,量产之前必须放弃过去 30 多年所建成的电池工厂和技术,因为固态电池与此前的技术储备毫不兼容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。
与此同时,今天锂离子电池的普及经过了三十多年的量产迭代才能出现。
1994 年,最常用的 18650 型锂离子电池的制造成本超过 10 美元,容量仅为 1100mAh。
到了 2001 年,价格降到了 3 美元,容量也跃升至 1900mAh。
今天,此类电池已经有了超过 3000mAh 的容量,而且成本还在持续下降。
“没有人会与性价比过不去,锂离子电池至少还能统治整个行业 10 年时间。”某电池专家认为。
电池行业发展与成本息息相关,而成本与规模更是紧密相连。锂离子电池在拥有如此良好开局的情况下,依然花了 15 年时间才从高度专业化的产品进化成大众市场产品。
对于那些号称要在几年内彻底颠覆整个电池行业的新技术,不少人仍然持怀疑态度。
从股价上,我们也能看出一些端倪。
作为固态电池界的明星公司,QuantumScape 手握 200 多项固态电池专利,市值曾一度冲高至 500 亿美元,但从去年年底到现在已经跌掉了一大半。
有人指出,虽然 QuantumScape 技术不错,但他们拿出的样品电池比苹果手表的电池都要小,而且从未走出过试验室。
在研究了公开的技术文件后,不少人认为 QuantumScape 也许最终能将固态电池推向市场,但恐怕很难满足车用要求,而且价格会非常昂贵。
眼下,业界普遍认为,固态电池真正落地时间会在 2025-2030 年之间。
事实上,目前已有不少巨头或多或少
投资了一些固态电池新创公司。
福特、宝马与现代就联合投资了名为 Solid Power 的新创公司,本田则选择与 NASA 及加州理工合作,试图研究出可将能量密度提升 10 倍的新产品(不过该项目依然在用电解液)。
通用方面,不但拿到了美国能源部的 200 万美元奖励,还携手 LG 化学投资 2 亿美元继续开发固态锂电池,为旗下雪佛兰 Bolt 电动车
提供弹药。
与福特建立同盟关系的大众则向美国固态电池新创公司 QuantumScape 投资 3 亿美元,不过它们的生产线 2024 年才能建成(1gWh),而 2026 年第二座工厂才会成型(20gWh),至于大规模量产要到 2028 年了。
相比之下,丰田走得最快,它们此前准备趁着东京奥运会发布一款搭载固态电池的电动车(已跳票)。不过,量产恐怕要再等五六年。
除此之外,丰田还联合本田、日产与松下组建了一个日本固态电池研发联盟,预计 2030 年能将电动车续航做到 500 英里(约合 804 千米)。
有趣的是,松下曾表示固态电池未来十年内都难以投入商用。
也许,在固态电池来临之前,锂电池可能还会统治业界一段时间。比如昨天小鹏又最新发布了他们基于磷酸铁锂电池版本的 P7 及 G3。
3理论与实践有时候不太同频。
假设固态电池真的能够快速落地,实现了某些厂商声称的 1000KM 续航,关于电动车,人们还会有其它焦虑吗?
当然有,而且还不少。
譬如充电速度、充电站建设,充电站背后的电网设施等等。
英国华威大学的 David Greenwood 教授表示,电动汽车的成功取决于无处不在的充电网络和更快的充电速度。
先看快充技术,这里首先还得明确试验室技术与商用技术之间的差别,因为真正装车后的产品就必须在极端的温度、苛刻的驾驶条件和大功率快速充电等工况下接受考验,而它们对任何技术而言都是巨大的挑战。
另外,随着电动车保有量的不断增加,以及电动车商用化的深入,快充网络将变得越来越重要。
作为年发电量占到全球四分之一的发电超级大国,电能倒不会成为制约中国电动车发展的瓶颈,其真正挑战在于配电设施、布线和变电站等。
“从技术角度来看,已经有不少公司拿出了实验室技术,但如何大规模工业化是个大问题,而按照以往
经验,这个过程至少需要 5-8 年。”某从业人士谈到。