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新能源汽车翘首以盼的电池革命,还要多久到来?

作者:博兴广播电视台

1945年,第二次世界大战结束。一个名叫约翰·古迪纳夫(John Goodenough)的年轻人从太平洋战场退役归来。

战争期间他在太平洋一个小岛上收集气象数据,退役后他选择去芝加哥大学进修物理,录取他的面试官揶揄这个大龄青年:“你这个年纪,科学家早已做出他们最大的成就了。”

这句话并不夸张。在物理学爆发式发展的20世纪上半叶,爱因斯坦26岁提出相对论,爱迪生32岁发明白炽灯,居里夫人36岁获得诺贝尔奖,群星璀璨,天才辈出。

而古迪纳夫退役决定读博时,30岁。

不过好在他功底不错,用功又扎实,在芝加哥大学研究固体物理,倒也取得了不少成绩,也是在这里,他第一次接触到电池领域,不过当时他研究的钠硫电池。

转眼到了1976年,牛津大学化学系向54岁的古迪纳夫抛来橄榄枝,邀请他去担任无机化学实验室主任。在那里,古迪纳夫将自己的研究领域转到了电池。

20世纪70年代的电池,是什么样子的?

当时,锂电池刚刚进入人们视野,它拥有很多优点,同样质量下能够储存更多的电能,很受市场青睐,当时掌握其技术的是一家加拿大公司Moli Energy。但不妙的是,由于锂这种金属太过活泼,极易燃烧,用它做电极非常容易出现爆炸事故,由此导致的召回拖垮了Moli Energy,最后被一家日本公司收购。

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Moli公司生产的锂电池

日本人投入了大量人力物力企图解决锂电池的安全问题,从成分、组装、生产环境等方面入手减少杂质,但对一个根本性的隐患却始终一筹莫展,这个隐患就是枝晶问题。

由于动力学等原因,锂金属表面会形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。随着电池的使用,这些枝晶会越长越大,最终会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路并引起电池自燃。

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锂枝晶微观照片

要解决这个问题,不得不将目光从工程领域下探至材料学的基础研究。

这时候,在遥远的英国牛津,学物理出身的古迪纳夫正在研究一种叫做钴酸锂(LiCoO2)的神奇材料。这种材料在晶体学上属于层状结构,如果将其想象成一个三明治,钴-氧构成两片面包,而锂原子镶嵌在中间,可以在钴酸锂晶体中快速移动。

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钴酸锂的层状结构

钴酸锂对空气等不敏感,更重要的是,枝晶问题也得到了改善,在一定使用寿命内相当安全。

嗅觉敏锐的日本公司很快意识到了钴酸锂的价值。80年代正是日本公司走向海外的时刻,日本电子产品风靡全球,他们正极力寻求改进锂电池的方法。很快,索尼公司将钴酸锂与石墨结合分别用作正负极,开发出了全新的可充电锂电池。

整个电池没有纯锂,仅存在其离子状态,被称为锂离子电池(Lithium ion battery)。由于性能高、安全性好,这种电池一经问世立刻大受欢迎,帮助索尼的Walkman(随身听)风靡整个世界。

由于其优异的性能,30年来这种电池架构没有大的改动而一直沿用至今,直到今天我们所使用的绝大部分锂离子电池都属于此类。

但钴酸锂也并非十全十美,它的问题主要有两个:一个是稳定性差,长时间使用后其层状结构容易崩塌,带来电池性能的衰减;另一个问题是成本太高,钴元素储量不多,大大提高了钴酸锂的成本。

直到1997年,已经75岁的古迪纳夫,再一次让世界震动。这次他拿出的材料叫做磷酸铁锂(LiFePO4),简称LFP。相比于钴酸锂的层状结构,磷酸铁锂的骨架结构更加稳定,同时成本也要低的多。虽然储能效果要差一些,但它的稳定性和低成本迅速引起业界注意。

至此,古迪纳夫已是公认的“锂电池之父”。

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“锂电池之父” 古迪纳夫老爷子

但幽灵一般的枝晶问题,数十年来始终未能从根本上得到解决,直至今天仍困扰着整个锂电产业。无论钴酸锂还是磷酸铁锂,都只是在一定程度上改善问题而并未根除它。

除了枝晶带来的安全隐患,使用液态电解液的锂离子电池在储能密度上也存在过低的天花板。

当下的锂电池,理论的最高能量密度就是350wh/kg,如果再加上各种电池管理系统,能够做到全系统300wh/kg,基本上就是极限。

这是由基本的材料性能决定的,不可能再有上升的空间。

这样的锂电池,能够带来手机、电脑等消费电子产品的普及和繁荣,但来到汽车行业,它们实在不足以支撑起一场真正的产业革命。

02

2002年,美国洛杉矶,斯坦福大学的一间“二战”时期留下的简陋活动房内,一群毕业于斯坦福的年轻工程师正在这里进行一些看起来不着调的“极客项目”。

一天晚上,一群人聊到锂离子电池的发展,他们想到笔记本电脑上用的18650锂电池,突发奇想“倘若将一万块这样的电池串联起来,会发生什么?” 他们计算了一下,发现这足够一辆汽车行驶1000英里。

这群人中有一个名为斯特劳贝尔的年轻创业者,开始真正着手实施这个想法。他四处找人拉投资,却一再被拒绝,直到2003年的秋天,他遇到了埃隆·马斯克,后者将他引介到一家刚刚成立几个月的汽车公司——特斯拉电动汽车。

当时还没有人意识到,汽车产业的百年未有之变,自此悄然而起。

在特斯拉之前,美国本土已经有近80年没有成立过新的汽车公司,而特斯拉唯一的优势在于,他们最早意识到18650锂离子电池的技术潜力。在此之前,从没有人尝试将几百块锂离子电池并联在一起。

假如存在一种能够驱动汽车的理想电池,那么它应该是什么样的?

——它应该有足够高的能量密度,足够的安全性,充电速度要快,此外成本还要足够低。

回到当前的锂电池现状,这几乎根本无法兼得。举例来说,对低温失效问题,电池工程师在电解液中掺入有机溶剂来降低电解液的凝固温度,然而这样却造成电解液更加易燃,牺牲了电池的安全性;也有科学家尝试更换电极材料来提升电池能量,却无法抵抗热失控;快充的话,又会导致电池界面的火性太高,也无法保障其安全性。

作为汽车行业变革的引领者,不妨来看看特斯拉的电池进化之路。

从正极材料来看,特斯拉早期18650型号的电池属于三元锂电池,也就是使用了三种元素组合的锂电池,这三种材料为镍、钴、锰/铝,也就是主流的镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种组合。 由于钴的昂贵,特斯拉一直致力于减少电池中钴的含量。

从性能上看,三元锂电池能量密度更高,但在安全性与成本方面不如磷酸铁锂电池。两大主流电池,优缺点都很明显,而且形成互补,但无论哪一种,都无法对燃油车形成足够大的优势进而取而代之。

但正如恩格斯那句名言:“社会一旦有技术上的需要,则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进”。需求是最好的动力。

我们看电池领域,过去10年发生了什么。

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根据BloombergNEF的数据,在过去的10年里,电芯的能量密度基本提高了两倍。这也说明了,在强大的需求推动下,产业界的进步有多快。

但发展到今天,甘蔗好啃的90%都已经啃完了,锂电池已经来到了它的技术瓶颈期。

特斯拉所用的锂电池,无论是最早的18650还是后来的21700,抑或即将搭载的4680,尽管电芯外形尺寸、容量、模组设计等方面不断创新——但回归本质,其能量密度几乎已达到极限。

新能源车什么时候可以取代燃油车?这个问题在动力电池领域,一个公认的答案是:现有动力电池能量密度翻一倍,也就是从普遍的 160wh/kg 提高到 400wh/kg。

对于眼下的锂电池而言,这是一个无法实现的目标。

续航焦虑成为电动车发展的最大瓶颈,各大车企无不围绕这一点展开持续的“军备竞赛”。这几年,纯电车型的续航不断增加,从300km提升至400km,再从500km延长至600km,但续航焦虑一直存在,尤其还要考虑寒冷天气、高速路况等导致的续航里程缩水。

那么要从根本上解决“续航焦虑”,只能寄希望于下一代电池——既可以满足能量密度的需求,也能够兼顾安全。

这一切,都指向下一代锂电池——固态电池。

03

传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成,正负极材料决定电池的容量,电解液及隔膜作为介质传输锂离子。而固态电池则使用固体电解质替代了电解液和隔膜,液态电解质面临的干涸和泄漏问题也不复存在。

虽然枝晶难题目前依然无解,但固态电解质能够极大地抑制枝晶的生长速度,这使得固态电池在安全性与寿命周期方面具有远超液态锂电池的优势。

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然而理想很丰满,现实很骨感。

到目前为止,固态电池的研发难度之大,远远超过人们的预想。

2017年,美国电动汽车公司Fisker发布了一项固态锂电池专利,显示这种电池能够满足充电1分钟,续航800公里。创始人Henrik Fisker在接受采访时信誓旦旦地表示,固态锂电池会在2023年量产,价格只有锂电池的三分之一。

后来的事实证明,这仅仅是Henrik Fisker在公众面前画固态电池“大饼”的开始。

2018年,Henrik Fisker表示,公司已攻克固态电池难题,最终设计将在数月内公布。然而2019年,搭载固态电池的Fisker跑车依然迟迟无法下线。等到了2021年,Henrik Fisker干脆表示,公司已彻底放弃固态电池计划。

Henrik Fisker无奈地表示,当你觉得完成了90%的研发工作时,你会发现,剩下的10%要比前面90%更加艰难。

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屡屡画饼失败的Henrik Fisker

难归难,但面对这样一条决定命运的赛道,哪家车企也不敢怠慢,生怕被时代甩在身后。

丰田在动力电池上的布局较早,目前在车规级固态电池领域拥有超过1000项专利,位居全球前列,而且大多是含金量较高的发明专利。在CES2022上,丰田首席科学家吉尔·普拉特(GillPratt)表示,第一辆采用固态电池技术的丰田汽车将在2025年前后到来。

大众汽车集团零部件公司首席技术官Thomas Schmall也在去年接受采访时表示,大众对开发新一代固态电池寄予厚望,公司希望在2025年向市场供应固态电池,并计划到2030年在欧洲建立6家大型电池工厂。

宝马集团也发布规划,称计划在2030年前实现搭载固态电池的汽车量产。

今天的动力电池产业集中在中日韩,欧美企业已落后一步,纷纷谋求在固态电池领域翻盘,欧美各大车企纷纷投资固态电池初创企业。例如美国高校衍生的初创企业Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。

无论是车企定还是业界研究学者与专家,给出的固态电池量产时间,都指向了2025与2030,不过目前来看,这一切都并没有十分确定的把握。

到目前为止,固态电池的技术指标只是停留在纸面上和实验室里,实际量产仍然存在许多尚未攻克的难题:

  1. 充电速度慢。大部分固态电解质电导率比电解液小10倍以上,快充性能差。固/固界面接触性和稳定性差,电解质对空气敏感。
  2. 制造工艺复杂。目前的固态电解质多为硬脆材料,要加工成很薄的电解质很困难,稍有不慎就会断裂。
  3. 目前成本偏高。除了工艺复杂,固态电解质也较贵。
  4. 产业链尚不完整,难以大规模生产。现阶段的固态电池多为实验室产品,以现有的工艺水平和设备能力,成品的良率也无法保障,更不用说大规模量产。

仔细审察固态电池面临的几个困境,假如借鉴马斯克的“第一性原理”,我们不难得出结论,真正从根本上决定固态电池命运的将是——固态电解质。

目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质,主要有三大流派:

- 聚合物

- 硫化物

- 氧化物

这是三种完全不同的材料路线,欧美公司多选择氧化物与聚合物体系,日韩公司与中国宁德时代则偏向硫化物体系。目前的难点在于,无论哪一种材料类别,均无法在解决低电导率、低能量密度、低稳定性、高昂成本、低电压和锂枝晶等问题之间找到平衡点。

聚合物材料的优点是高温离子电导率高,方便加工,但室温下离子电导率极低。氧化物材料的优点是综合性能佳,但对工艺要求苛刻,成本与量产难度很大。最后是硫化物材料,优点是电导率高,支持快充,但目前开发进度最初级。

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三种固态电解质材料对比

找寻理想的固态电解质材料,是一项异常艰巨的任务。拥有30年以上固态电池研究经验的东京工业大学教授Ryoji Kanno将其比喻为,“在浩瀚大海中捕捞一条无法获知其定位的鱼”——难度近同于大海捞针。

一位从事电池行业的工程师分享,其所在公司研究磷酸铁锂时,“材料配方是3万多次试验试出来的”。没有数学建模,没有可靠的经验公式,基本只能靠不断重复得来的庞大数据做支撑。

参考历史上的其他技术突破,全固态电池的实现或许无法一蹴而就,而是要经过“半固态-准固态-全固态”的逐步迭代方能实现。

新能源汽车翘首以盼的电池革命,还要多久到来?

2021年1月9日于成都举行的NIO Day2020上,蔚来宣布正式推出150kWh电池包,使用固态电池。搭载该电池包的蔚来ES8续航里程将达到730公里,最高续航里程达到910公里。

不过,蔚来的所谓“固态电池”,看起来更像是噱头,本质上仍然过渡性的半固态电池。

04

世界上第一台电动车可以追溯到1881年,42岁的法国电气工程师古斯塔夫·特鲁夫(Gustave Trouvé)在巴黎国际电力科技展上首次展示了它,驱动这辆车前行的是笨重庞大的铅酸电池。

1997年,第一代丰田普锐斯量产交付,然后称霸全球混动市场数十年。它使用的是由日本松下制造、重量53.3公斤的镍氢电池。当时锂离子电池问世不久,还没有人想到将之应用到汽车上。

2008年,特斯拉将锂离子电池装载在了Roadster上,借此颠覆百年汽车行业格局,锂离子电池的汽车故事就此写下开篇。

但从电动汽车诞生之日起,“里程焦虑”的问题便萦绕不去,究其原因,是电动汽车的心脏——动力电池至今没有出现颠覆性创新。

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电池技术商业化时间表

从历史上看,电池革命的发生,几乎是一件可遇而不可求的事。电池的发展已经走过快两百年的历史,近四十年来锂离子电池是其中最亮眼的突破,走到今天也已经接近极限。

在半导体行业,根据摩尔定律晶体管密度每18个月就可以增加一倍,但电池领域,我们今天用的电池与90年代相比差别并不大。电池的基本原理,不过是高中课本上学习的氧化还原反应,但要找到理想的材料却是千难万难。

在电动汽车时代呼啸而来的时刻,汽车行业面临百年未有的大变局,能否把握住下一次电池革命,将决定各大车企巨头是被时代淘汰,还是在下一个汽车时代继续引领风骚。