超級電池將改變電動汽車的性能

王曉濤

被問及最希望看到的電動汽車進步時，許多駕駛員都會列出以下3點：更長的行駛里程、更短的充電時間以及與類似配置內(nèi)燃機汽車相比有競爭力的價格。為了實現(xiàn)這些目標，汽車制造商一直在尋找用更先進的“固態(tài)”電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池（目前大部分現(xiàn)代電動汽車用的就是這種電池）的方法。畢竟，我們很早就知道這些新型超級電池能保證充電更快、行駛里程更長。最終，在克服多年來遭遇的諸多技術(shù)問題后，研發(fā)新型超級電池的努力即將開花結(jié)果。如果一切順利的話，第一批固態(tài)鋰離子電池應(yīng)該會在未來數(shù)年里投入生產(chǎn)。

全球最大的汽車生產(chǎn)商豐田公司早在2012年就開始探索固態(tài)電池了。在此后的多年里，這家公司甚至多次計劃展示原型產(chǎn)品，但最后真正拿出來的成果寥寥無幾。不過，豐田公司最近宣布已經(jīng)取得了“技術(shù)突破”，并且計劃最早于2027年開始生產(chǎn)固態(tài)電池。同時，這家公司還宣稱，他們研發(fā)的新型電池可以讓電動汽車的行駛里程達到1 200千米左右，差不多在當前的基礎(chǔ)上翻了一倍，而且只需10分鐘左右就能充電完畢。

振奮人心

大力研發(fā)新型電池的汽車生產(chǎn)商不止豐田一家。其他開發(fā)固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)商大力鼓吹的新型電池性能與豐田大致相同。舉個例子，目前正在橫濱建設(shè)試驗工廠的日產(chǎn)汽車公司會在2024年開始生產(chǎn)測試版本的新型電池。歐洲方面，寶馬計劃與固態(tài)能源公司（一家總部位于美國科羅拉多的電池開發(fā)商）合作，在德國籌建類似的試驗工廠。硅谷初創(chuàng)企業(yè)量子空間則已經(jīng)開始向他的主要支持者大眾汽車公司輸送原型固態(tài)電池。

研發(fā)固態(tài)電池需要花費那么長時間，或許很難令人意外。研發(fā)一款能在實驗室里工作的新型電池是一碼事，但把它量產(chǎn)、把它變成工廠里可以生產(chǎn)數(shù)百萬件的物件又是另一碼事，而且很困難。就拿現(xiàn)在統(tǒng)治汽車市場的鋰離子電池來說，這種產(chǎn)品早在20世紀70年代末就已發(fā)明，但直到20世紀90年代初才完全商業(yè)化，而且起初是用于可移動電子設(shè)備（比如筆記本電腦和手機），而非汽車的，后來才出現(xiàn)了可以給新型電動汽車供能的更大版本。

電動汽車幾乎是和汽車同一時間問世。實際上，相比亨利·福特（Henry Ford）制造的汽油動力汽車，他的妻子克拉拉·福特（Clara Ford）對1914年款底特律電動汽車的喜愛要大得多。然而，這些早期電動汽車——以及后續(xù)出現(xiàn)的其他版本——大多數(shù)都由幾十塊笨重的鉛酸電池供能，成本高昂、行駛里程有限且加速往往慢得像樹懶一樣。鋰離子電池不僅更輕，而且可以儲存更多電能。它的出現(xiàn)大幅降低了電動汽車的成本、增加了行駛里程（見圖1），從而開啟了交通電氣化時代。對汽車產(chǎn)業(yè)來說，固態(tài)鋰離子電池的出現(xiàn)可能是又一場重大變革。

圖1 電動汽車電池的發(fā)展

起初，汽車制造商看中的是固態(tài)電池的安全性——傳統(tǒng)鋰離子電池雖然功率強大，但也有一定風險。這是因為這類電池含有一種通常由有機溶劑制成的液體電解質(zhì)，極易燃。因此，如果鋰離子電池出現(xiàn)損壞——比如在交通事故中或是在充電時過熱——它就可能爆炸起火。使用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)就沒有這個問題。很多材料都可以充當固態(tài)電解質(zhì)，比如聚合物和陶瓷。然而，即便是大規(guī)模生產(chǎn)的大師級公司豐田，在開始研發(fā)后都發(fā)現(xiàn)，很難讓固態(tài)電池長時間高效工作。

固態(tài)電解質(zhì)本身并不必然意味著電池性能的提高。但是，它可以改變鋰離子電池的布局，使其變得更小、更輕，從而用更小的空間儲存更多能量。另外，工程師則可以借助固態(tài)電解質(zhì)拓寬生產(chǎn)鋰離子電池的原材料，并且進一步改善這種電池的工作方式。

除了易燃這個問題之外，使用液體形式的電解質(zhì)理由充分。電池充電后，電子就會從鋰原子中剝離出來，電池電解質(zhì)的陰極就會產(chǎn)生離子——所謂“離子”，就是一種帶電粒子（見圖2）。接著，電解質(zhì)就充當了離子遷移到另一個電極也即陽極的介質(zhì)。離子遷移的途中還會通過一個多孔分離器，后者的作用是確保兩個電極分開，以免短路。與此同時，陰極處產(chǎn)生的電子則會沿著外部充電電路的導線向陽極移動。最后，離子和電子會在陽極處重新結(jié)合，并且存儲在那兒。電池的放電過程與充電過程相反，電子在充電電路導線中運動時就能給設(shè)備供能——在電動汽車中，這種設(shè)備就是電動機。

圖2 電之夢

媒介是關(guān)鍵

要想讓上述一切高效運轉(zhuǎn)，離子需要在電解質(zhì)和陰陽兩個電極之間輕松移動。兩個電極上以微小粒子層的形式涂有各種物質(zhì)。傳統(tǒng)鋰離子電池中的液體電解質(zhì)可以流入這些粒子層并且進入粒子中，相當于為離子通行提供了很大的表面積。固態(tài)電解質(zhì)不能像這樣流入各種角落和縫隙，因此，我們得把它們緊緊壓在電極上，才能保證接觸良好。然而，在制造電池時這么做會損壞電極。這就是所謂的“導電問題”?？偛课挥诓剪斎麪柕碾姵卦瞎?yīng)商優(yōu)美科老板馬思棋（Mathias Miedreich）表示：“導電問題正是生產(chǎn)固態(tài)電池的主要挑戰(zhàn)之一?！?/p>

馬思棋說，雖然在研究的起步階段遇到了諸多問題，但2022年，日本汽車生產(chǎn)商在量產(chǎn)固態(tài)鋰離子電池方面取得了重大進展。馬思棋認為，他們在電動汽車的研發(fā)方面略微落后，因而計劃通過新型電池實現(xiàn)彎道超越。或許的確如此，但打造超級電池的競賽還遠未分出勝負，尤其是因為存在各種各樣的競爭者。

部分固態(tài)電池已經(jīng)在市場上出現(xiàn)了。例如，隸屬于博洛雷集團的法國公司藍色方案已經(jīng)生產(chǎn)了一款用聚合物作電解質(zhì)的電池。由于這款電池需要較高的工作溫度，最佳應(yīng)用場景就是那種一旦電池加熱就會持續(xù)使用的車輛。因此，它現(xiàn)在被用于電動公共汽車的供能。

還有一些電池則屬于過渡產(chǎn)品，因為它們?nèi)匀缓猩倭恳簯B(tài)電解質(zhì)以提升導電能力。主導市場的許多中國電池生產(chǎn)商正在研發(fā)半固態(tài)電池。從總市場份額看，全球電動汽車電池的1/3以上目前都由中國公司寧德時代生產(chǎn)。這家公司表示，2023年年末時就將開始生產(chǎn)一種半固態(tài)電池，并稱其為“凝聚態(tài)”電池。寧德時代還同時宣稱，這款電池不僅很安全，而且儲電能力也很強。

電池的儲電能力可以用它的比能來衡量，也即單位質(zhì)量可以存儲的能量。按照寧德時代的說法，它的凝聚態(tài)電池每千克可以儲存高達500瓦時的電能（500Wh/kg）。當前市場上使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池最高儲電性能大約是300Wh/kg。全固態(tài)電池的性能則可以達到600Wh/kg以上。除了大幅提升電動汽車的性能之外，如此輕便且高功率的電池還能極大擴展小型垂直起降空中出租車（一種小型短途飛機，即將獲得適航證）的應(yīng)用范圍。

不過，儲電能力只是評判電池優(yōu)劣的一個方面，輸電速度、耐用性以及生產(chǎn)成本是同等重要的因素。當然，在解決這些問題時需要做一定取舍。舉個例子，提升電池的儲電能力如果要用到更多鋰的話，就很可能會增加成本。另外，一般來說，快速充電會縮短電池的使用壽命。平衡各方面的關(guān)鍵在于選用的電池原材料。

材料問題

鋰電池中成本最高的部件就是陰極。理論上說，固態(tài)電池陰極選用哪種材料相當不確定，目前最常見的兩種分別是所謂的NMCs和LFPs。前者由不同比例的鎳、錳和鈷構(gòu)成，同時覆有鋰涂層，后者則由磷酸鐵鋰的混合物制成。由于鎳和鈷成本高昂，現(xiàn)在生產(chǎn)商越來越青睞LFPs，中國制造商尤其擅長制造使用這類陰極的電池。不過，由于儲電能力不及NMCs，使用LFPs陰極的電池往往使用在不需要太高性能的車輛上。

全球有成百上千家實驗室在研發(fā)各種新型電池原材料，因而一定會出現(xiàn)各種新型陰極。舉例來說，優(yōu)美科同日本電解質(zhì)生產(chǎn)商出光興產(chǎn)合作，正在開發(fā)一種叫作“陰極電解質(zhì)”的材料。這種材料把陰極化學物質(zhì)同固態(tài)電解質(zhì)整合到一起，形成單層。如果成功，這種材料會使電池的制造變得更加簡單。另外，科學家還在研究用鈉代替鋰作為電池中離子的來源，畢竟，地球上鈉儲量豐富且價格低廉。不過，鋰作為最輕的金屬在某些交通應(yīng)用上還是具備優(yōu)勢的。

至于陽極，材料也在發(fā)生變化。目前，大多數(shù)陽極由石墨構(gòu)成。石墨是一種純碳，主要從莫桑比克和中國的少數(shù)幾個礦中提取，或是利用碳密集型過程在石化工廠中合成。因為固態(tài)電解質(zhì)降低了發(fā)生不良反應(yīng)的風險，所以也可以使用硅和某些金屬（特別是金屬形式的鋰）來作為陽極材料。相比石墨，這些材料可以用更小的空間存儲更多能量，于是，電池就能造得更輕、更小。另外，固態(tài)電解質(zhì)還能同時起到分離器的作用，因而能留下更多空間。

未來，部分固態(tài)電池甚至會是“無陽極”的（見表2）。這正是量子空間的研發(fā)方向。這家公司研發(fā)了一種已經(jīng)獲得專利的特制陶瓷，充當分離器和電解質(zhì)，安放在陰極和金屬箔片之間。電池充電時，鋰離子通過固態(tài)電解質(zhì)移動，并且在金屬箔片上積聚，從效果上說，等同于在箔片上鍍了一層鋰，構(gòu)成有效的陽極。電池放電時，離子又會往回遷移，陽極隨之消失。

以這種方式形成陽極意味著電池會膨脹、收縮。量子空間聯(lián)合創(chuàng)建人蒂姆·霍爾姆（Tim Holme）表示，傳統(tǒng)鋰離子電池其實也有這個情況，只不過膨脹、收縮幅度在4%左右，而量子空間的電池差不多有15%。當然，這種尺寸變化是在電池封裝內(nèi)發(fā)生，這些封裝堆疊成層，形成構(gòu)成完整電動汽車電池的模塊。

量子空間公司表示，他們的電池除了行駛里程長、充電快，“使用壽命”也很長。這個指標衡量的是，電池儲電能力下降到90%以下、性能開始衰退之前可以充電、放電多少次?；魻柲氛f，量子空間的電池至少能充、放電800次。因此，即便每次充電只能提供大約500千米的平均行駛里程，使用量子空間電池的電動汽車總行駛壽命也能達到40萬千米左右——這對任何車輛來說，都算是很不錯了。霍爾姆還補充道，由于使用了陶瓷，他們的電池還能規(guī)避樹枝晶的形成。樹枝晶就是一些像手指一樣的金屬微結(jié)構(gòu)，可以在液態(tài)電解質(zhì)中生長并且造成短路。包括凝聚態(tài)電池在內(nèi)的半固態(tài)電池都仍會受到樹枝晶的影響。

生產(chǎn)線上

在正式裝上汽車并接受檢驗之前，我們永遠也無法真正了解生產(chǎn)商鼓吹的這些新型電池性能究竟如何。就現(xiàn)在的電動汽車市場來說，廣告宣傳中的行駛里程在真實駕駛條件下往往無法達到。IDTechEx分析員何小西（Xiaoxi He，音譯）表示，2025—2026年，半固態(tài)電池會首次出現(xiàn)在汽車上。至于全固態(tài)電池——豐田等公司開發(fā)的那種——按她的預計要到2028年才能正式投入應(yīng)用。

最初生產(chǎn)的新型電池數(shù)量一定不大，因為各大公司都只會試產(chǎn)，在保證前景之后才會為生產(chǎn)、制造新型電池投入數(shù)十億美元改造現(xiàn)有的“超級工廠”。何小西博士說，這意味著這類電池在剛進入市場時價格會比較昂貴，多數(shù)在豪車和高性能車輛上使用。因此，廉價固態(tài)電池在家用汽車上的廣泛應(yīng)用可能是21世紀30年代后半葉的事了。

大規(guī)模生產(chǎn)新型電池究竟能削減多少成本？這個問題在很大程度上取決于未來10年內(nèi)電池原材料價格的變化。保時捷咨詢公司（獨立于這家德國跑車生產(chǎn)商的子公司）法比安·達夫納（Fabian Duffner）說：“固態(tài)電池使用的鋰會比現(xiàn)在多得多?！卑凑账墓浪悖啾葌鹘y(tǒng)鋰離子電池，含有大容量陰陽極的新型固態(tài)電池需要的鋰要多出40%～100%，具體數(shù)字取決于生產(chǎn)方式。與此同時，生產(chǎn)商在逐步提升電動汽車產(chǎn)量以取代內(nèi)燃汽車時，本來也會需要更多的鋰。

鋰這種金屬有時也被叫作“白金”，價格一直處于過山車狀態(tài)。大部分鋰市場由中國主導。2022年年底，電池級碳酸鋰的價格飆升到了一噸60萬人民幣左右，但自那之后逐漸回落到了一噸25萬人民幣上下——仍是兩年前的兩倍左右。另外，鎳的價格波動也很劇烈。

達夫納博士補充說，在這樣一個不斷變化的市場中，電池生產(chǎn)公司需要保證原料供應(yīng)線穩(wěn)定。這點其實很難做到，因為即使一些新的鋰礦以及其他電池原料都在開發(fā)中，全面生產(chǎn)也是十年甚至更久之后的事了。

因此，達夫納博士預測，許多大型汽車生產(chǎn)商將同電池生產(chǎn)商和原料供應(yīng)商更加緊密地合作，實現(xiàn)垂直方向上的整合。在日本，豐田、日產(chǎn)和本田已經(jīng)與兩家電池生產(chǎn)商松下和GS湯淺聯(lián)合，構(gòu)成了一個開發(fā)固態(tài)電池的聯(lián)盟。

回收原材料也能提供一定程度的幫助。實際上，大多數(shù)工廠已經(jīng)開始回收消費者手中電子產(chǎn)品的電池了。隨著老舊電動汽車的報廢，他們還會進一步擴大回收規(guī)模，循環(huán)利用越來越多的電池。這種方法相當有優(yōu)勢——只要從報廢電動汽車中分離出電池，就能把它們碾碎，回收其中的鋰、鈷、鎳和錳等原材料并作提純處理。

總部位于美國內(nèi)華達州的電池回收商“紅木材料”利用部分回收的材料生產(chǎn)新的電池陰極和陽極。瑞典電池制造商諾斯沃特在歐洲建有許多超級工廠。這家公司期望，在2030年前從回收電池中獲取所需原材料的一半左右。

無論如何，固態(tài)鋰離子電池已經(jīng)在路上了。這種新型電池看上去很有希望讓電動汽車同使用骯臟舊式內(nèi)燃機的傳統(tǒng)汽車在行駛里程、性能和便利性上展開終極全面競爭。目前，標準鋰離子電池的花費占到了電動汽車生產(chǎn)總成本的40%左右。如果電動汽車要想在價格上也具備同傳統(tǒng)汽車一較高下的競爭力，那么配備固態(tài)超級電池之后，這一電池成本占比必須下降。

資料來源TheEconomist