固态电池离上车还有多远:真正难题不是实验室样品,而是量产账本

固态电池最容易造成误解的地方就是它看上去已经可以做很多了。更高能量密度、更快的补能速度、更好的高温安全性以及超过一千公里续航能力几乎每过一段时间就会有新的技术进展传出。

但是消费者走进4S店的时候问哪款量产车已经搭载全固态电池,得到的回答依然还是没有真正普及。

固态电池离上车还有多远:真正难题不是实验室样品,而是量产账本-有驾

这不是矛盾,实验室中可以做出一个性能出色的样品,而工厂里可以稳定生产数十万、数百万块电芯,是两回事。固态电池目前真正要面对的考验不是“能不能做出来”,而是“能不能长期稳定地做、以合理的价格做”。

先看它为什么受到关注。

普通锂电池内部使用液态电解质,锂离子依靠这层液体在正极和负极之间移动。液态电解质的优势是工艺成熟、浸润性好,可以比较充分地填充电极材料之间的空隙。但是也存在易挥发、可燃、高温稳定性差等问题,在电池受到挤压、撞击或者过充的时候,热失控的风险就会随之增加。

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固态电池把液态电解质替换成了固态材料。理论上来说,该种结构能够降低可燃物含量,并且可以和高比容量电极材料结合使用以达到更好的效果。从电动车的角度而言,在不大幅度改变电池包重量的前提下实现续航里程的增长;对手机、无人机等设备而言,则会取得更高的能量密度。

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但是“理论上可行”,并不是“工程上容易实现”。

固体材料之间存在着一个很现实的问题就是接触不充分。

液体可以自然渗入到电极内部,把细小的空隙填满;而固体颗粒即使经过压制后也还会存在微小间隙。电池反复充放电的时候,就会引起材料膨胀和收缩,原本紧密的接触面也会慢慢松动起来。一旦界面出现问题就会造成电阻增大、电池容量降低、充电速度变慢以及循环寿命变短的现象发生。

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锂枝晶也是绕不开的问题。人们认为只要换成固态电解质就可以使枝晶消失,但实际上并不是这样简单的。不同的材料体系的机械强度、化学稳定性以及离子传导能力存在很大差别,即使在有缺陷或界面生长的情况下,也仍然可能会出现沿着这些区域渗透的情况造成短路。

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为了保证固体电解质与正负极之间良好的接触,在电池包的工作过程中会施加一定的压力。在实验室里可以很容易地实现这样的压力,但是汽车上就不得不考虑电池包的结构、长期耐久性、碰撞安全性和维护成本等问题。如何保持压力,材料怎样承受几千次循环的压力,都是量产时必须回答的问题。

因此固态电池的核心竞争不是某一项指标有多高而是能否把多个指标同时维持住。能量密度高但是循环寿命差;充电速度快但是成本太高;安全性得到提高的同时还需要复杂的加压结构——任何一个环节的短板都可能让整个方案在短时间内难以进入主流市场。

成本是另一道更直接的门槛。

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液态锂电池经过多年的研发之后已经形成了比较完整的供应链以及大规模的制造体系了。原料采购、极片生产、电芯组装、检测和回收等各个部分的成本都在不断下降。固态电池刚开始产业化的时候,产量少、良率低,设备折旧压力大,单块电芯的价格自然不能同成熟产品竞争。

这也是为什么一些技术演示中的高性能样品并没有立刻变成可以被普通消费者购买的车型。汽车厂商所要的不只是一辆能够跑出漂亮数据的样车,还要保证电池在各种温度、不同的路况以及多年使用后仍然可靠,并且可以以较高的良率持续生产。

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路线选择也加大了产业化的不确定性。

目前行业内存在聚合物、氧化物、硫化物以及其他复合体系等不同方向。聚合物路线工艺容易加工,在室温离子传导性能上还需要进一步改进;氧化物稳定性较好,但是可能会出现材料脆性和界面接触的问题;硫化物的离子传导性能好,但是对生产环境和材料处理提出了更高的要求。

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不同的路线各有千秋,企业很难在早期就找到最终的赢家。对于投入巨大的汽车产业来说,在产线建成后技术路线发生变化的时候,前期设备和工艺投资都会重新调整。因此许多厂商采取的是渐进方式即先发展半固态或者混合固液电池再逐步提高固态电解质占比来观察可靠性和成本变化。

这条路径并不是技术上的退让,而是更加符合制造业的规律。新技术要从试验室走向市场,一般需要经过样品验证、中试生产、小规模装车、长期测试和大规模交付这几个阶段。任何一个阶段出现问题都会导致量产时间的延误。

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近几年来国内外很多企业都公布了固态电池的研发计划以及量产的时间表,时间节点大多集中在近几年内。但是从计划、试生产到全面装车之间还存在着很大的距离。消费者真正关心的是车辆是否可以稳定使用、冬季续航是否可靠、维修是否方便,以及最终价格能否被市场所接受。

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就这个角度而言,固态电池不是做不出来的问题而是还没有完成从技术上可行到商业上可行的转变过程。材料性能要继续提高,界面问题要长期验证,生产良率要逐步提升,供应链也要重新磨合。只有这些环节同时成熟起来后,固态电池才可能由少数高端车型的技术卖点变成普通消费者能够负担的产品。

它的普及不是一次实验室突破就完成的,而是一场持续多年的产业接力。谁能把性能、寿命、安全、产能和价格等所有因素都放在同张账单上进行计算的人,才是真正有能力把这项技术送进大众市场的人。

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