当续航 1000KM 成为硬指标，电池技术何去何从

在汽车热的背后，电池革命经常被提及。遗憾的是，这么多年过去了，似乎没有人的生活被改变。去年10月，一家名为QuantumScape的美国固态电池初创公司宣称:“我们的新电池不仅可以将电动汽车的电池寿命提高一倍，还可以在15分钟内完成充电工作，甚至比现有的锂电池更加安全。”三个月后，在大洋彼岸的中国，蔚来在NIODay发布了一款续航超过1000km的汽车。他们声称将配备固态电池技术，并将于2022年第四季度正式上市。或许QuantumScape和蔚来真可以用固态电池带来一场真正的技术革命，但在实现这一目标之前，他们还需要瓦解锂电池几十年的统治地位。1为什么电池革命来得这么晚？为什么锂电池能称霸行业30多年却屹立不倒？答案很简单:制造新电池的化学方程式还没有出现。"自18世纪以来，电池的基本概念从未改变过。"悉尼大学化学家、Gelion Technology创始董事长托马斯·马斯梅尔(Thomas Maschmeyer)教授说。所有电池的主要成分不外乎三个:正极、负极和电解液(电解液起到催化剂的作用)。在上述三要素不可改变的前提下，行业要想实现革命性的技术突破，就必须调整电池的化学成分。在过去的几十年里，电池研究人员一直在努力研究元素周期表，以便找到新的化合物来取代锂电池。主要有两条路线:一是研发超过锂电池能量密度的新型电池，如固态电池、锂硫电池、锂空气电池等。第二，在现有电池中加入更多元素，如钠离子、铝离子、镁离子电池。但是，改变电池的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很多新的问题。主要原因是电池在化学反应中产生能量。以常见的锂离子电池为例，它们会使用石墨负极和金属氧化物正极(通常为钴、镍、锰、铁或铝)，电解液为有机溶剂中的锂盐。锂离子电池通电时，负极与电解液中的锂发生反应，电子在负极周围积累。正极发生化学反应后，这些电子会被吸引，产生电子流。这个过程叫做还原氧化过程。(也就是化学课上的“氧化还原”反应。对于一次性电池(如遥控器中的AA电池)，电子流只需单向工作。但是在充电电池上，电子流的运动过程就变成可逆的了。换句话说，在正极和负极之间穿梭的电子必须购买一张“往返票”，并且不会消耗或破坏活性化学物质。在锂离子电池之上，氧化还原反应只是教科书级别的。在电池材料开始降解之前，电子可以双向移动，实现数千次循环。不幸的是，这个世界上的一切都是有缺陷的:充放电循环会产生微小的金属晶须(称为树枝状晶体)，这些金属晶须会穿过电解液，缩短电池寿命。在极少数情况下，锂离子电池会着火(想想当年发生燃烧事故的Note 7)。那么，如果我们改变成分，用镁代替锂呢？后者更容易开采，可以达到类似的能量密度。事实证明，镁离子电池理论没有问题，实践一塌糊涂。对锂有效的化学反应对镁没有影响，对钠、铝或任何其他系统也没有影响。在锂离子电池中，锂可以通过插层在石墨负极中扩散稳定，而镁不能。不仅不能在负极稳定，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质之间的扩散。一旦出现这种界面膜，电池的性能会迅速下降。镁遇到的问题并不少见。很多想把锂做成神坛的化学成分都可以实现充放电的功能，…但它们并不完美。显然，扩散能力弱意味着镁离子电池不能储存大量能量。锂空气电池虽然实现了高能量密度，但稳定性存在问题。至于钠，虽然是地球上最丰富的化学元素，但钠离子电池的能量密度很低，根本无法用于消费电子或电动汽车。在这么多种锂电池中，唯一投入市场的可能就是锂硫电池了。这项技术之所以受到人们的期待，主要是因为它可以将电池的能量密度提高到传统锂离子电池的5倍。但是锂硫电池并不完美，因为锂和硫会发生化学反应生成多硫化锂。这种物质具有高溶解度，可以扩散到电解质中，并穿过分隔正极和负极的膜。多硫化锂不是期望的氧化还原反应，因为它将覆盖和钝化负电极，随后容量快速下降，直到电池最终放电。这个过程被称为多硫化物重组。20多年来，它一直让研究人员头疼。虽然已经做了大量的改进工作，但仍然很难找到商业化的替代方法。当所有研究人员都束手无策，找不到改进的方法时，固态电池出现了。什么是固态电池？它抛弃了传统的电解质，改用固体电解质，而新型电解质是固体电池的核心。固体电解质除了能做好本职工作外，还能起到隔膜的作用。在固态电池正极材料的选择上，高压电极材料可以胜任；至于负极，可以用锂金属实现能量密度的大飞跃。其实固态电池并不是什么新鲜事。固态电池的研发过程始于20世纪50年代，近年来因为电池革命被迫走上前台。与传统锂电池相比，固态电池有几个优势:一是更安全；二是体型更瘦；第三，能量密度更高；第四，制造难度更低。通常动力电池系统需要先生产单体，单体封装完成后再串联组装单体。如果先串联单体，会导致短路和自放电。固态电池的电芯没有液体，可以先串并联组装，减少了组装外壳所用的材料，大大简化了封装设计。理论上，量产电动车(特斯拉用的)最强的21700NCA三元锂电池电芯，能量密度只有251Wh/kg。业内人士认为，300Wh/kg将是三元锂电池无法逾越的鸿沟。至于固态电池，其能量密度有望达到400-1000WH/kg，可以大大缓解电动车用户的里程焦虑。此外，它的应用还可以降低电池组甚至整车的成本。由于固态电池没有燃烧或爆炸的后顾之忧，BMS(这也是特斯拉的强项)等温控元件可以完全退役，无隔膜设计可以进一步减轻电池系统的负担。好处数不胜数，但固态电池要在实验室里量产并不容易。目前固态电池还存在很多问题，比如离子电导率低，界面阻抗高。另外，即使解决了材料问题，电池的标准化制造等问题也会凸显出来。好在CD机取代卡带的时候锂离子技术就诞生了，存储介质的转换让很多索尼胶片厂闲置。当我意识到这些薄膜厂可以帮助锂电池的时候，原来过时的产能又被重新激活了。换句话说，锂电池诞生之初，就做好了量产的准备。相比之下，固态电池的情况就大不相同了。“这是一次彻底的重新开始。在量产之前，必须放弃过去30年建造的电池工厂和技术，因为固态电池与之前的技术储备不兼容。”Silanano Technologies首席执行官Gene Berdichevsky指出。同时，锂离子电池今天的普及也是经过30多年的量产迭代才能出现的。1994年最常用的18650锂离子电池10多块钱，容量只有1100mAh。2001年，价格跌至3美元，容量跃升至1900mAh。如今这种电池的容量已经超过3000mAh，而且成本还在不断降低。“没有人会和性价比过不去。锂离子电池至少可以统治整个行业10年。”一位电池专家认为。电池行业的发展与成本密切相关，成本与规模紧密相连。有了这样一个好的开始，锂离子电池从高度专业化的产品发展到大众市场的产品仍然花了15年的时间。对于号称几年后彻底颠覆整个电池行业的新技术，很多人还是持怀疑态度。从股价上，也能看出一些端倪。QuantumScape作为固态电池行业的明星公司，持有200多项固态电池专利，市值一度飙升至500亿美元，但自去年底以来已下跌过半。有人指出，虽然QuantumScape技术不错，但他们拿出来的样品电池比Apple Watch的电池还小，而且他们从来没有走出过实验室。很多人在研究了已公布的技术文件后，认为QuantumScape或许终于可以将固态电池推向市场，但恐怕很难满足车辆的要求，价格也会很贵。目前业界普遍认为，固态电池真正落地的时间会在2025年到2030年之间。其实目前很多巨头都或多或少投资了一些固态电池创业公司。福特、宝马和现代共同投资了一家名为Solid Power的初创公司，而本田则选择与美国宇航局和加州理工学院合作，试图开发一种可以将能量密度提高10倍的新产品(尽管该项目仍然使用电解质)。总的来说，它不仅获得了美国能源部200万美元的奖励，还联手LG化学投资2亿美元继续开发固态锂电池，为其雪佛兰Bolt电动车提供弹药。大众汽车公司已经建立了……ed与福特结盟，已向美国固态电池初创公司QuantumScape投资3亿美元，但他们的生产线要到2024年才能完工(1gWh)，第二家工厂将在2026年组建(20gWh)。至于量产，要等到2028年。相比之下，丰田是最快的，他们准备在东京奥运会期间发布一款采用固态电池的电动汽车(票已跳过)。不过量产可能还要再等五六年。此外，丰田还与本田、日产和松下组成了日本固态电池研发联盟，预计2030年电动汽车的续航时间将达到500英里(约804公里)。有趣的是，松下曾表示，固态电池在未来十年将很难投入商业使用。或许，在固态电池出现之前，锂电池可能还会统治行业一段时间。例如，昨天，小鹏发布了基于磷酸铁锂电池的P7和G3的最新版本。理论和实践有时候不在一个频率上。假设固态电池真的能快速落地，达到某些厂商宣称的1000KM续航，人们对电动车还会有其他焦虑吗？当然有，而且不少。比如充电速度，充电站建设，充电站后面的电网设施等等。英国华威大学的大卫·格林伍德教授表示，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。我们先来看看快充技术。这里首先要明确实验室技术和商用技术的区别，因为真正加载的产品都要经过极端温度、恶劣行驶条件和大功率快充的测试，对任何技术都是巨大的挑战。此外，随着电动汽车数量的增加和电动汽车商业化的深入，快速充电网络将变得越来越重要。作为年发电量占全球四分之一的发电超级大国，电能不会成为制约我国电动汽车发展的瓶颈。其真正的挑战在于配电设施、布线和变电站。“从技术角度来说，很多公司都拿出了实验室技术，但是如何大规模产业化是一个很大的问题，而且根据以往的经验，这个过程至少需要5-8年。”一位从业者谈到。在汽车热的背后，电池革命经常被提及。遗憾的是，这么多年过去了，似乎没有人的生活被改变。去年10月，一家名为QuantumScape的美国固态电池初创公司宣称:“我们的新电池不仅可以将电动汽车的电池寿命提高一倍，还可以在15分钟内完成充电工作，甚至比现有的锂电池更加安全。”三个月后，在大洋彼岸的中国，蔚来在NIODay发布了一款续航超过1000km的汽车。他们声称将配备固态电池技术，并将于2022年第四季度正式上市。或许QuantumScape和蔚来真可以用固态电池带来一场真正的技术革命，但在实现这一目标之前，他们还需要瓦解锂电池几十年的统治地位。1为什么电池革命来得这么晚？为什么锂电池能称霸行业30多年却屹立不倒？答案很简单:制造新电池的化学方程式还没有出现。"自18世纪以来，电池的基本概念从未改变过。"悉尼大学化学家、Gelion Technology创始董事长托马斯·马斯梅尔(Thomas Maschmeyer)教授说。所有电池的主要成分不外乎三个:正极、负极和电解液(电解液起到催化剂的作用)。在上述三要素不可改变的前提下，行业要想实现革命性的技术突破，就必须调整电池的化学成分。在过去的几十年里，电池研究人员一直在努力研究元素周期表，以便找到新的化合物来取代锂电池。主要有两条路线:一是研发超过锂电池能量密度的新型电池，如固态电池、锂硫电池、锂空气电池等。第二，在现有的电池中加入更多的元素，如钠离子、铝离子和镁离子……m离子电池。但是，改变电池的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很多新的问题。主要原因是电池在化学反应中产生能量。以常见的锂离子电池为例，它们会使用石墨负极和金属氧化物正极(通常为钴、镍、锰、铁或铝)，电解液为有机溶剂中的锂盐。锂离子电池通电时，负极与电解液中的锂发生反应，电子在负极周围积累。正极发生化学反应后，这些电子会被吸引，产生电子流。这个过程叫做还原氧化过程。(也就是化学课上的“氧化还原”反应。对于一次性电池(如遥控器中的AA电池)，电子流只需单向工作。但是在充电电池上，电子流的运动过程就变成可逆的了。换句话说，在正极和负极之间穿梭的电子必须购买一张“往返票”，并且不会消耗或破坏活性化学物质。在锂离子电池之上，氧化还原反应只是教科书级别的。在电池材料开始降解之前，电子可以双向移动，实现数千次循环。不幸的是，这个世界上的一切都是有缺陷的:充放电循环会产生微小的金属晶须(称为树枝状晶体)，这些金属晶须会穿过电解液，缩短电池寿命。在极少数情况下，锂离子电池会着火(想想当年发生燃烧事故的Note 7)。那么，如果我们改变成分，用镁代替锂呢？后者更容易开采，可以达到类似的能量密度。事实证明，镁离子电池理论没有问题，实践一塌糊涂。对锂有效的化学反应对镁没有影响，对钠、铝或任何其他系统也没有影响。在锂离子电池中，锂可以通过插层在石墨负极中扩散稳定，而镁不能。不仅不能在负极稳定，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质之间的扩散。一旦出现这种界面膜，电池的性能会迅速下降。镁遇到的问题并不少见。很多想让锂成为神坛的化学成分，都可以实现充放电的功能，但并不完美。显然，扩散能力弱意味着镁离子电池不能储存大量能量。锂空气电池虽然实现了高能量密度，但稳定性存在问题。至于钠，虽然是地球上最丰富的化学元素，但钠离子电池的能量密度很低，根本无法用于消费电子或电动汽车。在这么多种锂电池中，唯一投入市场的可能就是锂硫电池了。这项技术之所以受到人们的期待，主要是因为它可以将电池的能量密度提高到传统锂离子电池的5倍。但是锂硫电池并不完美，因为锂和硫会发生化学反应生成多硫化锂。这种物质具有高溶解度，可以扩散到电解质中，并穿过分隔正极和负极的膜。多硫化锂不是期望的氧化还原反应，因为它将覆盖和钝化负电极，随后容量快速下降，直到电池最终放电。这个过程被称为多硫化物重组。20多年来，它一直让研究人员头疼。虽然已经做了大量的改进工作，但仍然很难找到商业化的替代方法。当所有研究人员都束手无策，找不到改进的方法时，固态电池出现了。什么是固态电池？它抛弃了传统的电解质，改用固体电解质，而新型电解质是固体电池的核心。固体电解质除了能做好本职工作外，还能起到隔膜的作用。在固态电池正极材料的选择上，高压电极材料可以胜任；至于负极，可以用锂金属实现能量密度的大飞跃。其实固态电池并不是什么新鲜事。固态电池的研发过程始于20世纪50年代，近年来因为电池革命被迫走上前台。与传统锂电池相比，固态电池有几个优势:一是更安全；二是体型更瘦；第三，能量密度更高；第四，制造难度更低。通常动力电池系统需要先生产单体，单体封装完成后再串联组装单体。如果先串联单体，会导致短路和自放电。固态电池的电芯没有液体，可以先串并联组装，减少了组装外壳所用的材料，大大简化了封装设计。理论上，量产电动车(特斯拉用的)最强的21700NCA三元锂电池电芯，能量密度只有251Wh/kg。业内人士认为，300Wh/kg将是三元锂电池无法逾越的鸿沟。至于固态电池，其能量密度有望达到400-1000WH/kg，可以大大缓解电动车用户的里程焦虑。此外，它的应用还可以降低电池组甚至整车的成本。由于固态电池没有燃烧或爆炸的后顾之忧，BMS(这也是特斯拉的强项)等温控元件可以完全退役，无隔膜设计可以进一步减轻电池系统的负担。好处数不胜数，但固态电池要在实验室里量产并不容易。目前固态电池还存在很多问题，比如离子电导率低，界面阻抗高。另外，即使解决了材料问题，电池的标准化制造等问题也会凸显出来。好在CD机取代卡带的时候锂离子技术就诞生了，存储介质的转换让很多索尼胶片厂闲置。当我意识到这些薄膜厂可以帮助锂电池的时候，原来过时的产能又被重新激活了。换句话说，锂电池诞生之初，就做好了量产的准备。相比之下，固态电池的情况就大不相同了。“这是一次彻底的重新开始。在量产之前，必须放弃过去30年建造的电池工厂和技术，因为固态电池与之前的技术储备不兼容。”Silanano Technologies首席执行官Gene Berdichevsky指出。同时，锂离子电池今天的普及也是经过30多年的量产迭代才能出现的。1994年最常用的18650锂离子电池10多块钱，容量只有1100mAh。2001年，价格跌至3美元，容量跃升至1900mAh。如今这种电池的容量已经超过3000mAh，而且成本还在不断降低。“没有人会和性价比过不去。锂离子电池至少可以统治整个行业10年。”一位电池专家认为。电池行业的发展与成本密切相关，成本与规模紧密相连。有了这样一个好的开始，锂离子电池从高度专业化的产品发展到大众市场的产品仍然花了15年的时间。对于号称几年后彻底颠覆整个电池行业的新技术，很多人还是持怀疑态度。从股价上，也能看出一些端倪。QuantumScape作为固态电池行业的明星公司，持有200多项固态电池专利，市值一度飙升至500亿美元，但自去年底以来已下跌过半。有人指出，虽然QuantumScape技术不错，但他们拿出来的样品电池比Apple Watch的电池还小，而且他们从来没有走出过实验室。很多人在研究了已公布的技术文件后，认为QuantumScape或许终于可以将固态电池推向市场，但恐怕很难满足车辆的要求，价格也会很贵。目前业界普遍认为，固态电池真正落地的时间会在2025年到2030年之间。其实目前很多巨头都或多或少投资了一些固态电池创业公司。福特、宝马和现代共同投资了一家名为Solid Power的初创公司，而本田则选择与美国宇航局和加州理工学院合作，试图开发一种可以将能量密度提高10倍的新产品(尽管该项目仍然使用电解质)。总的来说，它不仅获得了美国能源部200万美元的奖励，还联手LG化学投资2亿美元继续开发固态锂电池，为其雪佛兰Bolt电动车提供弹药。大众汽车公司已经建立了……ed与福特结盟，已向美国固态电池初创公司QuantumScape投资3亿美元，但他们的生产线要到2024年才能完工(1gWh)，第二家工厂将在2026年组建(20gWh)。至于量产，要等到2028年。相比之下，丰田是最快的，他们准备在东京奥运会期间发布一款采用固态电池的电动汽车(票已跳过)。不过量产可能还要再等五六年。此外，丰田还与本田、日产和松下组成了日本固态电池研发联盟，预计2030年电动汽车的续航时间将达到500英里(约804公里)。有趣的是，松下曾表示，固态电池在未来十年将很难投入商业使用。或许，在固态电池出现之前，锂电池可能还会统治行业一段时间。例如，昨天，小鹏发布了基于磷酸铁锂电池的P7和G3的最新版本。理论和实践有时候不在一个频率上。假设固态电池真的能快速落地，达到某些厂商宣称的1000KM续航，人们对电动车还会有其他焦虑吗？当然有，而且不少。比如充电速度，充电站建设，充电站后面的电网设施等等。英国华威大学的大卫·格林伍德教授表示，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。我们先来看看快充技术。这里首先要明确实验室技术和商用技术的区别，因为真正加载的产品都要经过极端温度、恶劣行驶条件和大功率快充的测试，对任何技术都是巨大的挑战。此外，随着电动汽车数量的增加和电动汽车商业化的深入，快速充电网络将变得越来越重要。作为年发电量占全球四分之一的发电超级大国，电能不会成为制约我国电动汽车发展的瓶颈。其真正的挑战在于配电设施、布线和变电站。“从技术角度来说，很多公司都拿出了实验室技术，但是如何大规模产业化是一个很大的问题，而且根据以往的经验，这个过程至少需要5-8年。”一位从业者谈到。

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