半固态电池：行百里者半九十？2023-12-27 14:02·买车大师AM2023年的NIO Day前夕，经过14个小时的测试，搭载150kWh半固态电池的蔚来ET7从上海市开到了福建省厦门市，在还剩3%电量的情况下，最终的续航成绩定格在了1044km。回顾3年前的2020 NIO Day上，蔚来宣称将在2022年量产“半固态电池”，150kWh的电池容量可以让ET7实现1000km续航。虽然比预期晚了整整1年，但好在也算兑现了承诺。近两年，“固态”一词似乎总给人一种莫名的高级感，不论是存储界大火的固态硬盘，还是动力电池中的固态电池，人们对这种“固态”技术似乎抱有非常高的期待。半固态≠半个全固态和固态硬盘抛弃机械结构一样，固态电池也放弃了传统的电解液，转而使用固体电解质。这样一来，可以快速移动离子，提高对高电压和温度的耐受性，可见新的电解质就是固态电池的核心。相比传统锂电池，固态电池有以下几大优势。首先就是轻。使用了全固态电解质后，锂离子电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度明显提高。其次，固态电池可以做的更加轻薄。传统锂离子电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了电池中近40％的体积和25％的质量。而如果把它们用固态电解质取代，正负极之间的距离可以缩短到几到十几个微米，这样电池的厚度就能大大降低。因此，固态电池技术是电池小型化、薄膜化的必经之路。第三点是能量密度高。固态电池能量密度有望超400Wh/kg，是目前铁锂电池的2倍。目前磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg左右，对应续航为300km-500km。三元锂电池的能量密度在250Wh/kg左右，对应续航为500km-700km。固态电池若采用高镍三元+金属锂的材料体系，能量密度有望超过400Wh/kg，对应的续航也将获得重大提升。最后就是更安全。传统锂电池在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路。电解质也具有可燃性，在高温下不稳定，有热失控的问题，若发生车祸，可能会导致严重火灾。电解质在低温中也容易冻结，降低电池的续航能力。固态电池具有热稳定性，也不会在低温中冻结，可以保障电动车的冬季续航能力。虽然官网上没有显示，但蔚来的这块固态电池前面还有个“半”字。哪怕只多了一个字，但半固态电池和固态电池二者也已天差地别。半固态电池更为准确的说法是固液混合锂离子电池，与三元锂电池相同，这一电池的正负极材料同样为三元材料和石墨，只是电解质为固液混合。而全固态电池，其电解质全部为固态。此次用于测试的ET7上的150kWh电池包为国内乘用车量产最大容量，采用了蔚来汽车与卫蓝新能源合作开发的半固态软包电芯，单电芯能量密度为360Wh/kg，整包能量密度为260Wh/kg，已经算得上“地表超强”的半固态电池包。除了蔚来，国内新能源汽车产业链上的不少公司都在积极对半固态电池进行技术研发。但这种半固态电池也有自身的缺点，最直观的就是制造成本较高。相比传统液态电池，半固态电池制造工艺更复杂，所使用的液态锂价格也更高，所以在制造成本上也明显高于传统液态电池。蔚来的这个150kWh的电池要价多少？虽然没有明确的售价，但蔚来曾在一场活动中表示，这个电池包很贵，成本相当于一台蔚来ET5，也就是30万元左右。也就是说，半固态电池的每度电成本是2元/Wh，是当下三元电芯价格的2倍，更是铁锂电芯价格的4到5倍。如此高的成本，注定其只能使用在价格较高的高端车型上，普及的难度较大。显然，推出半固态电池的概念，某种角度上来说是目前无法量产全固态电池后给出的妥协方案。固态电池成本构成的大头在于电极材料和电解质本身，但想把这块技术拼图补全并不容易。全固态技术有多难？长期以来，固态电池一直被寄予“游戏规则改变者”之称。毕竟固态电池可以解决电动车的大部分痛点，例如充电时间长、容量低和易着火风险。尽管车企们为研发固态电池付出了大量真金白银，但这一技术在短期内似乎仍没有突破的可能。对于量产固态电池来说，目前最大的问题依旧是技术。包括如何处理电池材料对水、氧气的极度敏感，以及如何避免电池内出现可能引发短路的枝晶等。在量产固态电池的过程中，还有一个非常重要的难题，就是组装电池的步骤。阴极-阳极电池层需要快速且精准地堆叠，且不损伤电池材料。即便解决了固态电解质材料的难题，距离真正实现固态电池的量产依旧有不少挑战。以丰田为例，作为全世界拥有最多固态电池专利的公司，其一再推迟量产时间，从原定的2027年推迟到2030年以后。这意味着在开发和实现商用全固态电池技术后，量产还需要更多的时间。除了技术本身的难点，固态电池的产业链成熟度也远远不及已经普及的液态电池，各个电池厂还处于“摸着石头过河”的探索阶段，这也是固态电池成本高的主要原因。实现固态电池从实验室到规模装车的转换，是整个行业面临的一大挑战。虽说目前半固态电池初次落地亮相，距离大多数人期望中的“完美形象”还相差甚远，但至少让陷入多年瓶颈的电池技术看到了新的希望。除了车企，目前宁德时代、中创新航、赣锋锂电、卫蓝新能源、国轩高科、孚能科技、蜂巢能源等电池公司也都在固态电池领域有所布局。无论是固态硬盘还是固态电池，“降本”都是一场攻坚战。固态硬盘的发展历程就是容量和价格的矛盾统一过程，国产颗粒技术的突破和进步让产物得到了大量普及。对固态电池也是同理，就比如曾经价格高昂的液态电解质动力电池，经过宁德时代、比亚迪、松下等一众电池厂商在这个赛道上投入几千亿的资金和海量的人力资源后，才得以降低成本开始普及，也才让如今的纯电动车“飞入寻常百姓家”。总体而言，固态电池作为一种新型电池技术，具有巨大的潜力和市场前景。不过，现阶段距离固态电池商业化仍然较远。对于国内新能源汽车市场而言，先不说能不能准时量产，想想5年以后各种快充设施的发展，补能速度或早已大幅提升，而且新能源汽车需要关注的不只有电池和续航那么简单，所以需要卷的领域远不止电池。大师观察固态电池一定是新能源汽车下一阶段的重要发展方向，也是值得投入的科研产物。但遗憾的是，目前我们能看到的所谓半固态电池技术，其名字的象征意义大于实际意义，科研意义也大于产物意义，半固态电池距离真正的固态电池还差得很远。人类在电池方面亟待一场革命性的技术突破，不然依旧会被卡在现有的物理界限当中。
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2024-07-10 22:30·财联社
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