當續航 1000KM 成為硬指標，電池技術何去何從

在汽車熱的背后，電池革命經常被提及。遺憾的是，這么多年過去了，似乎沒有人的生活被改變。去年10月，一家名為QuantumScape的美國固態電池初創公司宣稱:“我們的新電池不僅可以將電動汽車的電池壽命提高一倍，還可以在15分鐘內完成充電工作，甚至比現有的鋰電池更加安全。”三個月后，在大洋彼岸的中國，蔚來在NIODay發布了一款續航超過1000km的汽車。他們聲稱將配備固態電池技術，并將于2022年第四季度正式上市。或許QuantumScape和蔚來真可以用固態電池帶來一場真正的技術革命，但在實現這一目標之前，他們還需要瓦解鋰電池幾十年的統治地位。1為什么電池革命來得這么晚？為什么鋰電池能稱霸行業30多年卻屹立不倒？答案很簡單:制造新電池的化學方程式還沒有出現。"自18世紀以來，電池的基本概念從未改變過。"悉尼大學化學家、Gelion Technology創始董事長托馬斯·馬斯梅爾(Thomas Maschmeyer)教授說。所有電池的主要成分不外乎三個:正極、負極和電解液(電解液起到催化劑的作用)。在上述三要素不可改變的前提下，行業要想實現革命性的技術突破，就必須調整電池的化學成分。在過去的幾十年里，電池研究人員一直在努力研究元素周期表，以便找到新的化合物來取代鋰電池。主要有兩條路線:一是研發超過鋰電池能量密度的新型電池，如固態電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。第二，在現有電池中加入更多元素，如鈉離子、鋁離子、鎂離子電池。但是，改變電池的化學成分說起來容易做起來難，解決一個問題的同時可能會帶來很多新的問題。主要原因是電池在化學反應中產生能量。以常見的鋰離子電池為例，它們會使用石墨負極和金屬氧化物正極(通常為鈷、鎳、錳、鐵或鋁)，電解液為有機溶劑中的鋰鹽。鋰離子電池通電時，負極與電解液中的鋰發生反應，電子在負極周圍積累。正極發生化學反應后，這些電子會被吸引，產生電子流。這個過程叫做還原氧化過程。(也就是化學課上的“氧化還原”反應。對于一次性電池(如遙控器中的AA電池)，電子流只需單向工作。但是在充電電池上，電子流的運動過程就變成可逆的了。換句話說，在正極和負極之間穿梭的電子必須購買一張“往返票”，并且不會消耗或破壞活性化學物質。在鋰離子電池之上，氧化還原反應只是教科書級別的。在電池材料開始降解之前，電子可以雙向移動，實現數千次循環。不幸的是，這個世界上的一切都是有缺陷的:充放電循環會產生微小的金屬晶須(稱為樹枝狀晶體)，這些金屬晶須會穿過電解液，縮短電池壽命。在極少數情況下，鋰離子電池會著火(想想當年發生燃燒事故的Note 7)。那么，如果我們改變成分，用鎂代替鋰呢？后者更容易開采，可以達到類似的能量密度。事實證明，鎂離子電池理論沒有問題，實踐一塌糊涂。對鋰有效的化學反應對鎂沒有影響，對鈉、鋁或任何其他系統也沒有影響。在鋰離子電池中，鋰可以通過插層在石墨負極中擴散穩定，而鎂不能。不僅不能在負極穩定，鎂還會在負極發生反應，形成固體電解質界面膜(SEI)，進一步阻礙鎂離子在電極和電解質之間的擴散。一旦出現這種界面膜，電池的性能會迅速下降。鎂遇到的問題并不少見。很多想把鋰做成神壇的化學成分都可以實現充放電的功能，…但它們并不完美。顯然，擴散能力弱意味著鎂離子電池不能儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實現了高能量密度，但穩定性存在問題。至于鈉，雖然是地球上最豐富的化學元素，但鈉離子電池的能量密度很低，根本無法用于消費電子或電動汽車。在這么多種鋰電池中，唯一投入市場的可能就是鋰硫電池了。這項技術之所以受到人們的期待，主要是因為它可以將電池的能量密度提高到傳統鋰離子電池的5倍。但是鋰硫電池并不完美，因為鋰和硫會發生化學反應生成多硫化鋰。這種物質具有高溶解度，可以擴散到電解質中，并穿過分隔正極和負極的膜。多硫化鋰不是期望的氧化還原反應，因為它將覆蓋和鈍化負電極，隨后容量快速下降，直到電池最終放電。這個過程被稱為多硫化物重組。20多年來，它一直讓研究人員頭疼。雖然已經做了大量的改進工作，但仍然很難找到商業化的替代方法。當所有研究人員都束手無策，找不到改進的方法時，固態電池出現了。什么是固態電池？它拋棄了傳統的電解質，改用固體電解質，而新型電解質是固體電池的核心。固體電解質除了能做好本職工作外，還能起到隔膜的作用。在固態電池正極材料的選擇上，高壓電極材料可以勝任；至于負極，可以用鋰金屬實現能量密度的大飛躍。其實固態電池并不是什么新鮮事。固態電池的研發過程始于20世紀50年代，近年來因為電池革命被迫走上前臺。與傳統鋰電池相比，固態電池有幾個優勢:一是更安全；二是體型更瘦；第三，能量密度更高；第四，制造難度更低。通常動力電池系統需要先生產單體，單體封裝完成后再串聯組裝單體。如果先串聯單體，會導致短路和自放電。固態電池的電芯沒有液體，可以先串并聯組裝，減少了組裝外殼所用的材料，大大簡化了封裝設計。理論上，量產電動車(特斯拉用的)最強的21700NCA三元鋰電池電芯，能量密度只有251Wh/kg。業內人士認為，300Wh/kg將是三元鋰電池無法逾越的鴻溝。至于固態電池，其能量密度有望達到400-1000WH/kg，可以大大緩解電動車用戶的里程焦慮。此外，它的應用還可以降低電池組甚至整車的成本。由于固態電池沒有燃燒或爆炸的后顧之憂，BMS(這也是特斯拉的強項)等溫控元件可以完全退役，無隔膜設計可以進一步減輕電池系統的負擔。好處數不勝數，但固態電池要在實驗室里量產并不容易。目前固態電池還存在很多問題，比如離子電導率低，界面阻抗高。另外，即使解決了材料問題，電池的標準化制造等問題也會凸顯出來。好在CD機取代卡帶的時候鋰離子技術就誕生了，存儲介質的轉換讓很多索尼膠片廠閑置。當我意識到這些薄膜廠可以幫助鋰電池的時候，原來過時的產能又被重新激活了。換句話說，鋰電池誕生之初，就做好了量產的準備。相比之下，固態電池的情況就大不相同了。“這是一次徹底的重新開始。在量產之前，必須放棄過去30年建造的電池工廠和技術，因為固態電池與之前的技術儲備不兼容。”Silanano Technologies首席執行官Gene Berdichevsky指出。同時，鋰離子電池今天的普及也是經過30多年的量產迭代才能出現的。1994年最常用的18650鋰離子電池10多塊錢，容量只有1100mAh。2001年，價格跌至3美元，容量躍升至1900mAh。如今這種電池的容量已經超過3000mAh，而且成本還在不斷降低。“沒有人會和性價比過不去。鋰離子電池至少可以統治整個行業10年。”一位電池專家認為。電池行業的發展與成本密切相關，成本與規模緊密相連。有了這樣一個好的開始，鋰離子電池從高度專業化的產品發展到大眾市場的產品仍然花了15年的時間。對于號稱幾年后徹底顛覆整個電池行業的新技術，很多人還是持懷疑態度。從股價上，也能看出一些端倪。QuantumScape作為固態電池行業的明星公司，持有200多項固態電池專利，市值一度飆升至500億美元，但自去年底以來已下跌過半。有人指出，雖然QuantumScape技術不錯，但他們拿出來的樣品電池比Apple Watch的電池還小，而且他們從來沒有走出過實驗室。很多人在研究了已公布的技術文件后，認為QuantumScape或許終于可以將固態電池推向市場，但恐怕很難滿足車輛的要求，價格也會很貴。目前業界普遍認為，固態電池真正落地的時間會在2025年到2030年之間。其實目前很多巨頭都或多或少投資了一些固態電池創業公司。福特、寶馬和現代共同投資了一家名為Solid Power的初創公司，而本田則選擇與美國宇航局和加州理工學院合作，試圖開發一種可以將能量密度提高10倍的新產品(盡管該項目仍然使用電解質)。總的來說，它不僅獲得了美國能源部200萬美元的獎勵，還聯手LG化學投資2億美元繼續開發固態鋰電池，為其雪佛蘭Bolt電動車提供彈藥。大眾汽車公司已經建立了……ed與福特結盟，已向美國固態電池初創公司QuantumScape投資3億美元，但他們的生產線要到2024年才能完工(1gWh)，第二家工廠將在2026年組建(20gWh)。至于量產，要等到2028年。相比之下，豐田是最快的，他們準備在東京奧運會期間發布一款采用固態電池的電動汽車(票已跳過)。不過量產可能還要再等五六年。此外，豐田還與本田、日產和松下組成了日本固態電池研發聯盟，預計2030年電動汽車的續航時間將達到500英里(約804公里)。有趣的是，松下曾表示，固態電池在未來十年將很難投入商業使用。或許，在固態電池出現之前，鋰電池可能還會統治行業一段時間。例如，昨天，小鵬發布了基于磷酸鐵鋰電池的P7和G3的最新版本。理論和實踐有時候不在一個頻率上。假設固態電池真的能快速落地，達到某些廠商宣稱的1000KM續航，人們對電動車還會有其他焦慮嗎？當然有，而且不少。比如充電速度，充電站建設，充電站后面的電網設施等等。英國華威大學的大衛·格林伍德教授表示，電動汽車的成功取決于無處不在的充電網絡和更快的充電速度。我們先來看看快充技術。這里首先要明確實驗室技術和商用技術的區別，因為真正加載的產品都要經過極端溫度、惡劣行駛條件和大功率快充的測試，對任何技術都是巨大的挑戰。此外，隨著電動汽車數量的增加和電動汽車商業化的深入，快速充電網絡將變得越來越重要。作為年發電量占全球四分之一的發電超級大國，電能不會成為制約我國電動汽車發展的瓶頸。其真正的挑戰在于配電設施、布線和變電站。“從技術角度來說，很多公司都拿出了實驗室技術，但是如何大規模產業化是一個很大的問題，而且根據以往的經驗，這個過程至少需要5-8年。”一位從業者談到。在汽車熱的背后，電池革命經常被提及。遺憾的是，這么多年過去了，似乎沒有人的生活被改變。去年10月，一家名為QuantumScape的美國固態電池初創公司宣稱:“我們的新電池不僅可以將電動汽車的電池壽命提高一倍，還可以在15分鐘內完成充電工作，甚至比現有的鋰電池更加安全。”三個月后，在大洋彼岸的中國，蔚來在NIODay發布了一款續航超過1000km的汽車。他們聲稱將配備固態電池技術，并將于2022年第四季度正式上市。或許QuantumScape和蔚來真可以用固態電池帶來一場真正的技術革命，但在實現這一目標之前，他們還需要瓦解鋰電池幾十年的統治地位。1為什么電池革命來得這么晚？為什么鋰電池能稱霸行業30多年卻屹立不倒？答案很簡單:制造新電池的化學方程式還沒有出現。"自18世紀以來，電池的基本概念從未改變過。"悉尼大學化學家、Gelion Technology創始董事長托馬斯·馬斯梅爾(Thomas Maschmeyer)教授說。所有電池的主要成分不外乎三個:正極、負極和電解液(電解液起到催化劑的作用)。在上述三要素不可改變的前提下，行業要想實現革命性的技術突破，就必須調整電池的化學成分。在過去的幾十年里，電池研究人員一直在努力研究元素周期表，以便找到新的化合物來取代鋰電池。主要有兩條路線:一是研發超過鋰電池能量密度的新型電池，如固態電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。第二，在現有的電池中加入更多的元素，如鈉離子、鋁離子和鎂離子……m離子電池。但是，改變電池的化學成分說起來容易做起來難，解決一個問題的同時可能會帶來很多新的問題。主要原因是電池在化學反應中產生能量。以常見的鋰離子電池為例，它們會使用石墨負極和金屬氧化物正極(通常為鈷、鎳、錳、鐵或鋁)，電解液為有機溶劑中的鋰鹽。鋰離子電池通電時，負極與電解液中的鋰發生反應，電子在負極周圍積累。正極發生化學反應后，這些電子會被吸引，產生電子流。這個過程叫做還原氧化過程。(也就是化學課上的“氧化還原”反應。對于一次性電池(如遙控器中的AA電池)，電子流只需單向工作。但是在充電電池上，電子流的運動過程就變成可逆的了。換句話說，在正極和負極之間穿梭的電子必須購買一張“往返票”，并且不會消耗或破壞活性化學物質。在鋰離子電池之上，氧化還原反應只是教科書級別的。在電池材料開始降解之前，電子可以雙向移動，實現數千次循環。不幸的是，這個世界上的一切都是有缺陷的:充放電循環會產生微小的金屬晶須(稱為樹枝狀晶體)，這些金屬晶須會穿過電解液，縮短電池壽命。在極少數情況下，鋰離子電池會著火(想想當年發生燃燒事故的Note 7)。那么，如果我們改變成分，用鎂代替鋰呢？后者更容易開采，可以達到類似的能量密度。事實證明，鎂離子電池理論沒有問題，實踐一塌糊涂。對鋰有效的化學反應對鎂沒有影響，對鈉、鋁或任何其他系統也沒有影響。在鋰離子電池中，鋰可以通過插層在石墨負極中擴散穩定，而鎂不能。不僅不能在負極穩定，鎂還會在負極發生反應，形成固體電解質界面膜(SEI)，進一步阻礙鎂離子在電極和電解質之間的擴散。一旦出現這種界面膜，電池的性能會迅速下降。鎂遇到的問題并不少見。很多想讓鋰成為神壇的化學成分，都可以實現充放電的功能，但并不完美。顯然，擴散能力弱意味著鎂離子電池不能儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實現了高能量密度，但穩定性存在問題。至于鈉，雖然是地球上最豐富的化學元素，但鈉離子電池的能量密度很低，根本無法用于消費電子或電動汽車。在這么多種鋰電池中，唯一投入市場的可能就是鋰硫電池了。這項技術之所以受到人們的期待，主要是因為它可以將電池的能量密度提高到傳統鋰離子電池的5倍。但是鋰硫電池并不完美，因為鋰和硫會發生化學反應生成多硫化鋰。這種物質具有高溶解度，可以擴散到電解質中，并穿過分隔正極和負極的膜。多硫化鋰不是期望的氧化還原反應，因為它將覆蓋和鈍化負電極，隨后容量快速下降，直到電池最終放電。這個過程被稱為多硫化物重組。20多年來，它一直讓研究人員頭疼。雖然已經做了大量的改進工作，但仍然很難找到商業化的替代方法。當所有研究人員都束手無策，找不到改進的方法時，固態電池出現了。什么是固態電池？它拋棄了傳統的電解質，改用固體電解質，而新型電解質是固體電池的核心。固體電解質除了能做好本職工作外，還能起到隔膜的作用。在固態電池正極材料的選擇上，高壓電極材料可以勝任；至于負極，可以用鋰金屬實現能量密度的大飛躍。其實固態電池并不是什么新鮮事。固態電池的研發過程始于20世紀50年代，近年來因為電池革命被迫走上前臺。與傳統鋰電池相比，固態電池有幾個優勢:一是更安全；二是體型更瘦；第三，能量密度更高；第四，制造難度更低。通常動力電池系統需要先生產單體，單體封裝完成后再串聯組裝單體。如果先串聯單體，會導致短路和自放電。固態電池的電芯沒有液體，可以先串并聯組裝，減少了組裝外殼所用的材料，大大簡化了封裝設計。理論上，量產電動車(特斯拉用的)最強的21700NCA三元鋰電池電芯，能量密度只有251Wh/kg。業內人士認為，300Wh/kg將是三元鋰電池無法逾越的鴻溝。至于固態電池，其能量密度有望達到400-1000WH/kg，可以大大緩解電動車用戶的里程焦慮。此外，它的應用還可以降低電池組甚至整車的成本。由于固態電池沒有燃燒或爆炸的后顧之憂，BMS(這也是特斯拉的強項)等溫控元件可以完全退役，無隔膜設計可以進一步減輕電池系統的負擔。好處數不勝數，但固態電池要在實驗室里量產并不容易。目前固態電池還存在很多問題，比如離子電導率低，界面阻抗高。另外，即使解決了材料問題，電池的標準化制造等問題也會凸顯出來。好在CD機取代卡帶的時候鋰離子技術就誕生了，存儲介質的轉換讓很多索尼膠片廠閑置。當我意識到這些薄膜廠可以幫助鋰電池的時候，原來過時的產能又被重新激活了。換句話說，鋰電池誕生之初，就做好了量產的準備。相比之下，固態電池的情況就大不相同了。“這是一次徹底的重新開始。在量產之前，必須放棄過去30年建造的電池工廠和技術，因為固態電池與之前的技術儲備不兼容。”Silanano Technologies首席執行官Gene Berdichevsky指出。同時，鋰離子電池今天的普及也是經過30多年的量產迭代才能出現的。1994年最常用的18650鋰離子電池10多塊錢，容量只有1100mAh。2001年，價格跌至3美元，容量躍升至1900mAh。如今這種電池的容量已經超過3000mAh，而且成本還在不斷降低。“沒有人會和性價比過不去。鋰離子電池至少可以統治整個行業10年。”一位電池專家認為。電池行業的發展與成本密切相關，成本與規模緊密相連。有了這樣一個好的開始，鋰離子電池從高度專業化的產品發展到大眾市場的產品仍然花了15年的時間。對于號稱幾年后徹底顛覆整個電池行業的新技術，很多人還是持懷疑態度。從股價上，也能看出一些端倪。QuantumScape作為固態電池行業的明星公司，持有200多項固態電池專利，市值一度飆升至500億美元，但自去年底以來已下跌過半。有人指出，雖然QuantumScape技術不錯，但他們拿出來的樣品電池比Apple Watch的電池還小，而且他們從來沒有走出過實驗室。很多人在研究了已公布的技術文件后，認為QuantumScape或許終于可以將固態電池推向市場，但恐怕很難滿足車輛的要求，價格也會很貴。目前業界普遍認為，固態電池真正落地的時間會在2025年到2030年之間。其實目前很多巨頭都或多或少投資了一些固態電池創業公司。福特、寶馬和現代共同投資了一家名為Solid Power的初創公司，而本田則選擇與美國宇航局和加州理工學院合作，試圖開發一種可以將能量密度提高10倍的新產品(盡管該項目仍然使用電解質)。總的來說，它不僅獲得了美國能源部200萬美元的獎勵，還聯手LG化學投資2億美元繼續開發固態鋰電池，為其雪佛蘭Bolt電動車提供彈藥。大眾汽車公司已經建立了……ed與福特結盟，已向美國固態電池初創公司QuantumScape投資3億美元，但他們的生產線要到2024年才能完工(1gWh)，第二家工廠將在2026年組建(20gWh)。至于量產，要等到2028年。相比之下，豐田是最快的，他們準備在東京奧運會期間發布一款采用固態電池的電動汽車(票已跳過)。不過量產可能還要再等五六年。此外，豐田還與本田、日產和松下組成了日本固態電池研發聯盟，預計2030年電動汽車的續航時間將達到500英里(約804公里)。有趣的是，松下曾表示，固態電池在未來十年將很難投入商業使用。或許，在固態電池出現之前，鋰電池可能還會統治行業一段時間。例如，昨天，小鵬發布了基于磷酸鐵鋰電池的P7和G3的最新版本。理論和實踐有時候不在一個頻率上。假設固態電池真的能快速落地，達到某些廠商宣稱的1000KM續航，人們對電動車還會有其他焦慮嗎？當然有，而且不少。比如充電速度，充電站建設，充電站后面的電網設施等等。英國華威大學的大衛·格林伍德教授表示，電動汽車的成功取決于無處不在的充電網絡和更快的充電速度。我們先來看看快充技術。這里首先要明確實驗室技術和商用技術的區別，因為真正加載的產品都要經過極端溫度、惡劣行駛條件和大功率快充的測試，對任何技術都是巨大的挑戰。此外，隨著電動汽車數量的增加和電動汽車商業化的深入，快速充電網絡將變得越來越重要。作為年發電量占全球四分之一的發電超級大國，電能不會成為制約我國電動汽車發展的瓶頸。其真正的挑戰在于配電設施、布線和變電站。“從技術角度來說，很多公司都拿出了實驗室技術，但是如何大規模產業化是一個很大的問題，而且根據以往的經驗，這個過程至少需要5-8年。”一位從業者談到。

標簽：本田世紀大眾豐田福特

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