【太平洋汽車網 技術頻道】蔚來NIO Day 2020延后到2021年1月初才終于發(fā)布，發(fā)布會全程高能，eT7實車、容納13塊電池的二代換電站、終于上車的激光雷達、1016TOPS的最強大腦都很騷包，當然最驚艷的要數150kWh固態(tài)電池包。

　　跟往前所有屆的NIO Day一樣，讀者/媒體對此毀譽參半，我們不妨讓子彈飛一會（讓鍵盤俠胡謅多一陣子），先靜下來看看這次發(fā)布的電池技術是否能為當前電動汽車續(xù)航問題解困。

　　NIO Day 2020的實況與復盤（點擊鏈接），大家可以看這個鏈接里面的內容集合，很詳盡，不丟幀。

　　NIO Day 2020讓固態(tài)電池重回公眾視野，但這次蔚來發(fā)布的“固態(tài)電池”并非真固態(tài)，嚴謹一點來說是“準固態(tài)電池”（液態(tài)電解質少于50%），依然需要使用電解液和隔膜。

　　什么才是固態(tài)電池（Solid-State Battery，SSB）呢？

　　電極與電解液全是固態(tài)的，不存在任何氣態(tài)和液態(tài)的流體，便是。

　　蔚來“固態(tài)”電池包采用“原位固化固液電解質”（這個后面再詳聊），實際上并未做到全固態(tài)，但在同樣規(guī)格的電池包體積中（蔚來換電系統(tǒng)只能兼容一種外尺寸）完成360Wh/kg的整包能量密度和150kWh的整包容量，不得不說“抓得到老鼠的就是好貓”，你管他包裝上寫100%芒果汁還是芒果風味飲品。

　　放在后面詳聊的還有蔚來150kWh電池包的無機預鋰化碳硅負極、納米級包覆工藝的超高鎳正極等技術。這些技術可以促成蔚來全系車型的續(xù)航升級，其中2018款ES8將超過730km，新ES8將超過850km，ES6和EC6將超過900km，ET7超過1000km。

　　我們先來回顧固態(tài)電池的研發(fā)歷史，了解一下為什么這項技術一直被卡脖子，最快什么時候能實現(xiàn)量產化。

　　1831-1834年間，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)了硫化銀（Ag₂S）和氟化鉛（PbF?）可作為電池的固態(tài)電解質，為固態(tài)電池領域奠定了基礎。

　　20世紀50年代后期，一些儲電設備也使用了銀離子固態(tài)電解質，但能量密度太低，內阻太高。

　　1972年，鋰-碘電池（一次鋰電池）在心臟起搏器中替代了鋅汞電池，可延長心臟病人約10年壽命。

　　20世紀90年代，美國能源部所屬的橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）開發(fā)了一種可用作制造薄膜型鋰離子電池的新型固態(tài)電解質，電芯可以做到ji微米薄，且可彎曲，但這種電池未能走出實驗室。

　　2011年，古老的法國Bolloré公司推出了全新的共享汽車服務品牌Autolib及旗下BlueCar車隊，其中一款電池用的是鋰金屬聚合物（ LMP，Lithium Metal Polymer）固態(tài)電池，容量30kWh，只有100kWh/kg的能量密度，續(xù)航最高250km，電池產自法國布列塔尼和加拿大蒙特利爾工廠，同一型號一共鋪了2900輛。

　　這款LMP電池由四種超薄材料組成：

　　1、陽極：金屬鋰箔，既是鋰源，又是電流集電極；

　　2、固態(tài)聚合物電解質：將鋰鹽溶解在聚氧乙烯中的共聚物；

　　3、陰極：由氧化釩、碳和聚合物組成的復合材料；

　　4、集電器：鋁箔。

　　2012年前后，豐田、大眾、寶馬、本田、現(xiàn)代、日產等汽車企業(yè)陸續(xù)投入固態(tài)電池的研發(fā)當中，其中豐田在2014年拿出了一種體積能量密度為400Wh/L的實驗室原型（硫化物電解質），宣稱在2025年實現(xiàn)商業(yè)化。2017年豐田與它的電池界萬年好基友松下達成合作協(xié)議，推動固態(tài)電池商業(yè)化。

　　2013年，科羅拉多大學博爾德分校的研究人員宣布開發(fā)出一種基于鐵硫化合物制成的固態(tài)鋰電池。

　　2014年，位于密歇根州安阿伯市的初創(chuàng)公司Sakti3的研究人員宣布能量密度更高、成本更低的固態(tài)鋰離子電池研發(fā)成功，據稱體積能量密度可以達到1143kW/L。這家公司隨后被戴森用9000萬美元收購了。

　　2016年，火花塞制造商NGK展示了其研發(fā)5年之久的芯片型陶瓷固態(tài)電池，這種固態(tài)電池需要使用層積技術，電池越大制造難度越高。

　　2017年，約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough），鋰電池領域最大的大神推出了一款固態(tài)電池，使用玻璃電解質和堿金屬陽極（由鋰、鈉或鉀組成）。古迪納夫博士早在1976年開始了固體化學的研究。

　　2018年，大眾入股美國加州QuantumScape公司，建立合資公司研發(fā)固態(tài)電池。固態(tài)電池可能是大眾ID.系列逆襲的一個可能性。

　　同年，中國清陶在昆山建成了中國第一條固態(tài)電池生產線。

　　固態(tài)電池研發(fā)緩慢，是因為業(yè)界大規(guī)模投入研發(fā)來得非常晚，在21世紀第二個10年才迎來爆發(fā)期，因此專家預測最早2025年才有大規(guī)模量產的可能，是客觀的。

　　如下圖，固態(tài)電池使用了固態(tài)的電解質，而業(yè)界研究的正是用哪種固態(tài)電解質可以生產出電化學性能最佳的電池來。

　　目前技術路線有三條：

　　聚合物電解質屬于有機電解質路線，是固態(tài)電池的敲門磚，目前已率先實現(xiàn)小規(guī)模量產，技術最成熟，但技術性能的天花板比較低。

　　聚合物電解質的電導率太低了，能量密度也難以超過300Wh/kg。

　　剛剛提到的Bolloré公司BlueCar車隊用的就是這種聚合物電解質，電池需要在60-80℃下才能正常工作，所以需要一直消耗很多電能來維持電池溫度。

　　使用此技術路線的企業(yè)：Bolloré、ionic、Seeo、寧德時代、Solid Power

　　氧化物電解質屬于無機電解質路線，分為非薄膜（LLZO）和薄膜（LiPON）兩種路線。其中，非薄膜型的各項性能都不錯，是現(xiàn)在的當紅炸子雞，電導率低于氧化物薄膜型但遠高于聚合物，目前已經實現(xiàn)3C電子領域的實用化，但界面接觸差（電解質與電極之間）；薄膜型是微型電池，容量小，不能做車用動力電池。

　　使用此技術路線的企業(yè)：Sakti3、TDK、NGK、QuantumScape、村田muRata、臺灣輝能、江蘇清陶、KAIST、衛(wèi)藍

　　另一條無機電解質路線，電導率最高，晶界阻抗低，潛力最強，但又最難研發(fā)。

　　在電動汽車領域，硫化物電解質是非常有潛力的，不僅能量密度高，還有望實現(xiàn)更強的快充快放。只不過，硫化物體系的安全性能并不怎么理想，而且電解質容易氧化，遇水產生有害氣體。

　　使用此技術路線的企業(yè)：松下、三星SDI、寧德時代、豐田、本田

　　用表格羅列三種固態(tài)電解質體系：

　　三種固態(tài)電解質的性能排序如下：

　　電導率：硫化物 ＞ 氧化物 ＞ 聚合物

　　能量密度：硫化物 ＞ 氧化物 ＞ 聚合物

　　成本優(yōu)勢：聚合物 ＞ 氧化物 ＞ 硫化物

　　安全性能：氧化物 ＞ 聚合物 ＞ 硫化物

　　在2015年5月印發(fā)的《中國制造2025》國家行動綱領中，十大領域中的“節(jié)能與新能源汽車領域”專門提到了對動力電池的技術期望值：2020年達到300Wh/kg，2025年達到400Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。

　　這遠遠超出了當前液態(tài)電解質的鋰離子電池性能指標，后者的能量密度只能達到280kW/kg左右，再往上都是天花板。

　　接下來，該輪到固態(tài)電池上場了。太深奧的東西不說，我們直接來一點易懂易學的小結論吧，固態(tài)電池的優(yōu)勢有：

　　1、能量密度更高，目前實驗室樣品可以達到300-400Wh/kg，

　　2、同等體積/容量下，整包重量更低，用于運輸電池本身的電量更少，節(jié)能效率更高，更環(huán)保。

　　3、可使用金屬鋰負極（蔚來這個固液混合的沒用），提供高比容量（3861mAh/g，遠高于石墨負極的372mAh/g）、低電化學勢（-3.04V）、較小的密度（0.534g/cm³）

　　4、安全性能更高，不會刺破隔膜造成短路，不會脹包，不會漏液，不會揮發(fā)。

　　5、碰撞受損后，電池安全性更高，（可能）不會在高溫下分解出氧氣加劇燃燒，用剪刀剪掉電芯的一個角之后依然不會熱失控，此外在日常使用中的高溫穩(wěn)定性也好很多。

　　6、薄膜柔性化，除了作動力電池之用，還能給可穿戴設備供電。

　　7、溫度適應性好（部分配方），可以在-25℃到60℃之間工作。

　　8、循環(huán)壽命1000次以上，最多有吹45000次的（很可能是PPT概念）。

　　9、電化學窗口更寬，電解質穩(wěn)定性更佳，可以使用電壓更高的正極，也可以使用金屬鋰負極。（電化學窗口就是最正電位和最負電位的區(qū)間，超出這個區(qū)間，電解質就會發(fā)生電化學反應分解完蛋了）

　　10、可以做更大的單體電芯，C2P更容易實現(xiàn)，成組更簡單，電控和冷卻都可以做得簡單一些，整包能量密度提升。

　　11、自放電率很低，靜置虧電速度慢。

　　固態(tài)電池的劣勢有：

　　1、技術不成熟，工藝很復雜，產業(yè)鏈上下游不完整，暫時不適合大規(guī)模生產。

　　2、固態(tài)電解質的界面接觸性差（固體-固體），電導率偏低，高倍率大電流一來就捉襟見肘了，比較難實現(xiàn)快速充電，功率密度有限。

　　3、成本過高，這條能把所有優(yōu)勢滅掉。

　　4、運用金屬鋰負極的同時會產生死鋰、鋰枝晶生長的問題，導致安全隱患多、鋰源損失、庫倫效率低、循環(huán)壽命短、容量衰減的缺點。

　　5、氧化物堅硬，制作成電解質片容易脆裂。

　　我們先來再次確認一下蔚來150kWh電池包的定義——“原位固化固液電解質”，拆分一下就是“原位固化 - 固液 - 電解質”，意思是固液混合的，絕非全固態(tài)電池。

　　那么問題來了，這算是放衛(wèi)星、PPT造車嗎？

　　看你怎么定義了。伊隆·馬斯克在特斯拉電池日就一直吹牛，最近蔚來和廣汽埃安的發(fā)布會也吹，只不過馬斯克吹牛的時候觀眾們一點負面情緒都沒有，特斯拉自帶舔粉的。

　　其實海內外造車新勢力的大佬們不吹牛是會造成資金鏈斷裂的，有些在實驗室階段就拿出來說了有些連實驗室都沒跑通純粹是PPT“賣樓花”而已（不知賣樓花神操作的可以去百度下）。

　　不吹牛會死？是的，因為多數初創(chuàng)公司根本沒有現(xiàn)成產品，不賣樓花的話真會死……

　　所以有業(yè)界大拿出來抨擊說“2025年之前都不可能有量產的固態(tài)電池”，說的是“全固態(tài)電池”。蔚來可沒說它家是全固態(tài)……

　　別管了，如果你真能在2020年四季度量產出360Wh/kg、150kWh、1000km的固液混合電池也算你是好貓，抓到老鼠了唄。

　　下面我們來看看蔚來150kWh電池包的幾項核心技術：

　　蔚來根本沒有透露固液混合電解質電池是哪家供貨的，業(yè)界猜測可能是寧德時代、輝能、蜂巢（長城）中的一家。

　　李斌也沒有回避“固液混合”的真相，他還主動強調了：“全固態(tài)電池的量產還是很遠的事情，原因是目前固態(tài)電池的市場需求很低。”

　　固液混合電解質（凝膠狀電解質），具體會帶來怎樣的充放電特性呢？筆者沒有辦法給出確切的猜測，畢竟我們不是科研機構也不是神棍媒體，實事求是不懂就是不懂。

　　目前必須用少量液態(tài)電解質來緩解電極界面接觸差的問題，以此增加電導率。電池實現(xiàn)全固態(tài)之后，隔膜和液態(tài)電解液才會完全消失。

　　可以預想到的是，若固液混合電解質成為現(xiàn)實，它在接下來相當長的一段時間內都會是續(xù)航能力最強的鋰電池配方。

　　這個就是字面意思，誘導液態(tài)電解質發(fā)生梯度固化，使其生成凝膠聚合物電解質阻擋層，同時保留適量液態(tài)電解質。

　　下圖是LiPF₆-復合隔膜引發(fā)“鋰-硫（硒）電池”電解質原位界面固化的原理示意圖，論文來源自北京化學所，第一作者是博士生王文鵬：

　　上圖的流程解析是這樣的：

　　(a) LiPF₆-復合隔膜的基本構型；

　　(b) LiPF₆-復合隔膜在鋰-硫（硒）電池中的組裝過程；

　　(c) LiPF₆通過擴散作用在正極/電解質界面上的緩釋過程；

　　(d) LiPF₆誘導電解質原位界面聚合；

　　(e) 界面凝膠電解質對多硫（硒）穿梭的阻擋作用。

　　看不懂的話，將其簡單理解成夾心威化餅也行……

　　未來，固液混合電解質中的液態(tài)電解液占比會越來越小，直至實現(xiàn)全固態(tài)。

　　當前鋰離子電池的研發(fā)方向是減少鈷（22萬/噸，增加層狀結構和循環(huán)壽命）、增加鎳（3萬/噸，增加能量密度）。

　　從下表可知，在NCM三元鋰配方中，NCM811正極用到最少的鈷和最多的鎳。

　　超高鎳正極，意味著配方可能趨向于NCM9/0.5/0.5（蔚來并未公布，純猜測），可以更環(huán)保、更廉價、更高能量密度，但循環(huán)壽命更短，穩(wěn)定性/安全性會變差，需要更多的輔助技術去確保電池不會自燃，讓液態(tài)電解質固化也是其中一種方案。

　　這里指的是對超高鎳正極材料的包裹，功效有多大不好判斷，原理是保護三元材料正極，但又不會因為太厚而影響鋰離子脫嵌。

　　類比一下就是做一份廣式腸粉，粉皮要很薄且有彈性，既要包得住肉片和蝦仁，又不能太厚了咬下去全是面皮吃不著蝦仁。

　　古迪納夫博士研發(fā)了當今鋰離子電池領域的三大正極材料，目前業(yè)界的負極材料多用碳素材料（好消息是中國石墨儲量占全球70%），非碳負極材料則有四大系列，包括硅基材料。

　　硅的理論容量超過石墨10倍以上，造成電池的話有望提升大約50%的能量密度。

　　此前的學者都不知道硅那么好用嗎？都知道，只是解決不了硅基材料體積膨脹的問題。

　　碳素材料（石墨）與非碳材料（硅）的充放電機理不同，石墨是鋰的嵌入和脫嵌，硅則是合金化反應，硅的脫嵌鋰反應會令其體積膨脹3倍，電池內部結構破壞之后，就沒后文了。

　　求同存異可以嗎？還真可以。使用Si/C復合體系（硅碳負極），Si硅顆粒這種活性物質可大大提升鋰的容量，C碳能改善Si的導電性、緩沖Si充放電體積變化、防止Si顆粒充放電時團聚。

　　類比一下，Si就是脆弱但攻擊力極強的大法師，C就是承受各種物理攻擊/魔法攻擊的肉盾。

　　鋰離子電池首次充電時會形成SEI膜（固體電解質界面），消耗掉大量來自電極材料的鋰離子，雖然降低了內部短路風險、防止溶劑分子的共嵌入（提升循環(huán)壽命），但也因此降低了總容量。

　　為此，我們可以通過預鋰化對電極材料進行補鋰，抵消SEI膜的鋰離子消耗，從而提高電池的總容量和能量密度。

　　換句人話來說就是：茄子太吸油，所以我們炒茄子時多放油……

　　預鋰化技術有很多個方向，其中正極補鋰可以使用富鋰化合物、二元鋰化合物等等，負極補鋰可以使用鋰箔補鋰、硅化鋰粉等等，在此不作展開。

　　小結一下：蔚來這套150kW固液混合電解質電池包的技術亮點還是挺多的，但都算不上革命性的，不過要是6個亮點都能在量產化產品上實現(xiàn)，那的確是個很強的競品角色。

　　根據2015年的一份陳年報告，全固態(tài)電池的制造成本達到 1.5萬美元（約97萬人民幣）一度電，算下來一臺車就是數千萬。當然，這只是實驗室階段的成本，根本不應該拿來作為量產商品成本估算。

　　這時候我們或許可以套用摩爾定律（Moore's Law）來估算一下襁褓中的電池，在推向市場的初步階段，如果價格可以每1.5年下降一半，也要相當長的年份才能形成產業(yè)規(guī)模，才能以1000元/kWh左右的有競爭力的合理價格進入市場，與液態(tài)電解液電池進行同臺競爭。

　　當然，在成本昂貴的前期，固態(tài)電池可以被用作心臟起搏器、可穿戴設備、智能手機的二次電池，產業(yè)鏈培養(yǎng)起來之后才能更快地均攤成本，形成規(guī)模效應，達到良性循環(huán)。

　　一旦產業(yè)規(guī)模上來了，固態(tài)電池還有一些成本上的優(yōu)勢，比如某些配方的原材料價格（比如氧化物）比傳統(tǒng)液態(tài)電解質要便宜些，固態(tài)電池還沒有注液工序所以工藝會更簡單。

　　固態(tài)電池能量密度得到質的提升，但市場只會考慮性價比，接下來最大的對手可能來自特斯拉4680電芯，《福布斯》估算其最有可能的成本是127美元（824元）/kWh，那么120kWh電池包的成本也不過10萬元。

　　至于2020年四季度發(fā)布的蔚來150kWh固液混合電池包要多少成本，真的不好估算。這套電池包里面用了太多新技術，產業(yè)鏈都沒這玩意，成本能低就怪了。

　　合肥國軒高科工程研究總院常務副院長徐興無表示：固態(tài)電池將會逐漸應用到市場，而大規(guī)模應用預計將在2025年。

　　國聯(lián)汽車動力電池研究院董事長熊柏青表示：全固態(tài)電池現(xiàn)在距商業(yè)化還很遠，現(xiàn)在甚至做個演示都還很困難，反正至少這5年沒戲了。在未來10年內，完全攻克全固態(tài)電池仍然具有難度，全固態(tài)電池距離商業(yè)化還有待時日。

　　以上專家/董事長的觀點針對的是全固態(tài)電池。固液混合電池的量產化目前還是有點希望的，不過這只是一項過渡性的技術，當前與之競爭的應該是高鎳正極/硅負極的液態(tài)電池，而大家最終目標依然是能量密度指向500Wh/kg大關的全固態(tài)電池。

　　固態(tài)電池能拯救電動車孱弱的續(xù)航嗎？

　　它可能承此重任，但絕對不是唯一可能的路線。

（文：太平洋汽車網 黃恒樂）