【深度】都在布局，固态电池距离真正上车还需要多久？

　　

记者 | 李文博
编辑 | 王毅鹏

2017年，总部设在加州安纳海姆的美国电动汽车公司Fisker发布了一项刚完成申请的固态锂电池专利：充电1分钟，续航800公里。
这个续航表现是特斯拉在2016年发布的Model 3约346公里续航的2.3倍。
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。

Henrik Fisker

这不是Fisker公司第一次涉足固态电池领域，也不是Henrik Fisker第一次在公众面前画“固态电池”的饼。
2018年，Henrik Fisker表示，公司攻克了固态电池难题，最终设计将在数月内公布。
2019年，搭载固态电池的Fisker跑车迟迟无法下线，公司只能推出搭载液态锂离子电池的普通电动车来堵住愈发猛烈的批评声。
2021年，Henrik Fisker表示，已彻底放弃固态电池计划。
至此，Fisker公司的全球固态电池最速量产梦，彻底宣告破碎。
“这是一种这样的技术，当你觉得已经完成了90%，几乎达到目标时，然后你意识到剩下的10%比前面的90%困难得多。因此现在，我们完全放弃了固态电池，因为真的无法落地。”Henrik Fisker说，“我个人认为，不管是哪种形式的量产，固态电池都至少还需要7年。”
作为液态锂离子电池的替代者，固态电池的出现与发展具有历史必然性。
相比锂离子电池，固态电池安全轻量、成本合理、支持快充，是下一代动力电池的最佳出路，是根除现有电动汽车续航里程顽疾的唯一处方，是电动汽车彻底干掉燃油车的锋利杀手锏。
2022年，中国智能电动汽车公司蔚来将在全新车型ET7上搭载容量为150度的固液混电池包，2022年也因此被划定为“固态电池上车元年”。

是期货画饼，还是脚踏实地。是热钱所向，还是黄粱一梦。
答案，就写在固态电池的电解质里。
　　电动汽车新“肾宝”
提起电动汽车，大部分人的第一反应是：“腿”太短。
这里的“腿”短，并不暗讽电动汽车四个轮圈尺寸偏小，而是直截了当地指出现售电动汽车的续航里程普遍无法覆盖一台交通工具应能支撑的行驶场景。
续航大幅缩水、半路趴窝、冬天开电动车差点被冻僵等驾驶电动车出行时遇见的荒唐问题常见报端。电动汽车续航虚的缺点在寒冷天气中被几倍放大的同时，也降低了潜在消费者对这种新能源形式的信任阈值。
北汽新能源研究院副院长代康伟曾总结过电动车冬季续航衰减的三大因素：
第一个困扰是电池本身。电池作为一个化学产品，一旦温度低，内部电解液会变得黏稠、锂离子迁移速率变慢，导致电池活性降低，影响电池性能和容量。
第二个困扰是空调系统。在燃油车里，空调系统依赖发动机余热供暖。但电动车没有发动机，依赖电池供暖，消耗巨大。
第三个困扰是低温导致传动系阻力增加。冬天空气密度和夏天空气密度不一样。冬天空气密度增大，导致风阻变大，电能消耗随之暴增。
从电动汽车诞生之日起便与之深度捆绑的“里程焦虑”并没有因技术进步发生太多改变。究其原因，是电动汽车的心脏——动力电池至今没有颠覆性创新出现。
1881年，全球第一台电动车呱呱坠地，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，驱动其前行的是笨重庞大且危险的铅酸电池。
1997年，日后称霸全球的混合动力汽车——第一代丰田普锐斯量产交付，它使用的是由日本松下制造，重量53.3公斤的镍氢电池组。
但在普锐斯席卷全球前，日本索尼公司在1991年成功生产出全球首款商用锂离子电池。高能量密度和快充友好两大特性，让锂离子电池在消费电子领域坐上一飞冲天的喷射器。
2008年，特斯拉将锂离子电池装载在了彻底颠覆百年汽车行业格局的跑车Roadster上，一段属于锂离子电池的汽车神话故事就此写下开篇。

至今，锂离子电池已完成三次技术代际转换：钴酸锂正极是第一代，锰酸锂和磷酸铁锂是第二代，三元锂是第三代。三代锂离子电池均由四大部分组成：正极、负极、电解液与隔膜。

磷酸铁锂和三元锂是各大汽车公司最偏爱的主流配方，前者价格低，稳定安全，但能量密度低且低温性能差。后者能量密度高，支持快充，但价格高且热稳定性差。
但无论是磷酸铁锂和三元锂，都将很快面临两大天花板：能量密度与安全问题。
首先，当前液态锂离子电池的能量密度极限约为280Wh/kg。即便向负极引入硅基合金，也很难突破400Wh/kg的密度上限。
工信部在《中国制造 2025》中指出：“到2025年、2030年，我国动力电池单体能量密度分别需达到400Wh/kg、500Wh/kg。”

迈不过能量密度门槛意味着拿不到与能量密度高度挂钩的新能源补贴，这足以让普通圈层消费者对电动汽车瞬间“下头”。
其次，液态锂离子电池中具备高度可燃性的液态有机电解液被普遍认为是隐藏在电动车自燃事故频发背后的第一元凶。
2019年国家市场监督管理总局召回的3.3万台新能源汽车。因动力电池问题而召回数量为6,217台，占新能源汽车总召回量的18.7%。
2020年全年新能源汽车召回35.7万台，其中因三电系统缺陷召回11.2万台，占新能源汽车召回总数量的31.3%。

在中国电动汽车百人会发布的《电动汽车安全报告》中，自燃占国内新能源汽车起火事故原因的比例高达31%，可燃性液态有机电解液一日不退出历史舞台，零自燃的百分百安全构想就无法达成，电动汽车全面取代燃油汽车的远期愿景就不会实现。

从2008年特斯拉将液态锂电池导入电动汽车领域开始计算，传统液态锂离子电池对动力电池市场的全权统治时间超过十年，能量密度、安全需求、续航里程、成本诉求与液态锂离子电池间的矛盾已不可调和。
中科院院士欧阳明高曾公开表示，要实现2030年500Wh/kg的能量密度目标，固体电解质层面的突破是不得不走的必由之路。
固态电池，就是这条路上距离我们最近的里程碑。
为什么一定是固态电池？原因有三：
第一，不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液、耐高温的固态电解质取代电解液、电解质盐与隔膜，彻底解决可燃性液态有机电解液导致的自燃风险；
第二，固态电池能量密度高，有很大希望突破500Wh/kg关口，此举可将电动汽车续航里程拉高至800公里到1000公里。加之固态电池工作温度范围宽、支持超级快充，是实现“加电比加油方便”的最短键程。
第三，固态电池可大幅为系统减重。固态电池电芯内不含液体，可先串联再封装。同时因其完全不可燃的特性，BMS温控组件将不复存在，多措并举提升续航里程。
从技术纬度分析，固态电池是下一代动力电池的最佳出路，是根除现有电动汽车续航里程顽疾的唯一处方，是电动汽车干掉燃油车的锋利杀手锏。
但在各大汽车公司——传统巨头也好，新兴势力也罢的落地时间表上，固态电池的最早出现时间是2022年第四季度。这时，搭载150度电池包、续航超过1000公里的固态电池版蔚来ET7将正式开跑。
但这似乎可以扛起“固态电池”商业量产大旗的150度电池包，本质不过是终局技术路线下的过渡产物，它有一个“半成品”式的名字——半固态电池。
　　技术新神话，还是资本老骗局？
作为和电动汽车一样崭新的事物，固态电池得到资本高度青睐的同时，也在经受着同样力度的质疑。
其中，最常被大写加粗的怀疑角度是：量产进度。
这个问题的答案，我们可以从世界各大知名汽车公司的固态电池上车时间表中一窥端倪。
蔚来是全球汽车公司中进度最快，且时间先发优势明显的“课代表”，150度半固态电池包预计将在明年第四季度量产搭载。
日本汽车公司中最快的是丰田，虽然在2020年就已制造出测试原型车，但真正量产要到2025年。
德国汽车公司目前处于齐头并进状态，大众集团在2018年向固态电池硅谷创业公司QuantumScape注资1亿美元，成为最大股东。2020年追加两亿美元。今年，大众集团宣布会在2025年使用固态电池。

QuantumScape的固态电芯

宝马集团今年向总部位于美国科罗拉多州的固态电池创业公司Solid Power投资1.3亿美元，明年开始进行固态电池原型车的测试与集成，2025年前推出原型车，2030年前量产。
梅赛德斯-奔驰同样在今年与固态电池创业公司Factorial Energy达成战略协议，2022年开始测试电池原型，未来五年内量产上路。这是奔驰与Hydro Quebec合作后，第二次向固态电池公司注资。
美国汽车公司则呈现出鲜明的割裂感，底特律三巨头之一的福特集团在2017年投资Solid Power，明年开始测试产品，2025至2030年间进入道路实测。

Solid Power

通用汽车今年10月宣布在美国密西根州投资设立新的电动车电池研发中心，专注攻克固态电池研发技术难题。2018年，通用汽车向固态电池公司Solid Energy Systems注入B轮融资。今年4月，又领投了Solid Energy Systems总额为1.39亿美元的D轮融资。
已经合并为世界第四大汽车公司Stellantis集团在12月宣布，与总部位于马萨诸塞州沃本市的固态电解质材料电池制造商Factorial Energy签署联合开发协议，在2026年引入首个具有竞争力的固态电池技术。
尽管固态电池已被认定为液态锂离子电池的“终结者”，但始终有一个人不买账。
他就是埃隆·马斯克。
与各大汽车公司对固态电池前赴后继的热切态度截然相反，埃隆·马斯克与他的特斯拉始终对这项新技术保持静默与距离。
在2020年举行的特斯拉年度股东大会及“电池日”活动上，埃隆·马斯克宣称公司新研发的“4680”电池能量密度提高5倍，续航里程提高16%，6倍充放电功率，每千瓦时的成本下降14%，电池产线的速度提高7倍。
全新的电池包采用无模组设计，大约由960个（40x24）“4680”电池组成，相比由4400多个“2170”电池组成的电池包，体积重量大幅减少，能量密度提升到300Wh/kg，轻松突破液态锂离子电池的能量密度极限。

埃隆·马斯克不懂电池技术？不，恰恰因为他是电池技术天才，才一眼“识破”了汽车公司与固态电池间不断上演的“期货”把戏。
固态电池在所有纬度都超越液态锂离子电池是不争的事实，但从各大汽车公司的时间表上不难发现固态电池的共性：商业化时间太久，2030年已是最乐观的估计。
这里，让我们将视线转向截至目前，全球范围内唯一实现动力电池领域量产的法国博洛雷集团（Bollore Group）。
博洛雷集团（Bollore Group）是一家由法国望族博洛雷家族全盘掌控的世界500强公司，是固态电池领域历史最悠久，研发实力最强的机构之一。
2011年10月，博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”上搭载搭载容量为30度，由BatScap制造的固态电池，这些车辆在法国巴黎及郊外以共享方式服务。截至2019年关闭前，2900辆固态电池电动车累计服务用户近20万人，每天的利用次数约1.8万次。

博洛雷集团是第一家成功将固态电池规模商业化运作的公司，但这块固态电池包的容量只有30度，能量密度仅有100Wh/kg，只有液态锂离子电池的一半。

博洛雷牌固态电池面临的问题，正是所有固态电池制造商亟待攻下的课题：实验室的内外之差。
今年11月，市值超过福特汽车的美国固态电池初创公司QuantumScape宣布，电池单元原型在800次循环（100%放电深度）后，保持了80%以上的初始容量。
但投资研究网站Seeking Alpha在一份公开报告称QuantumScape的电池“体积太小，从未在实验室外测试过”。
Seeking Alpha认为，固态电池能在实验室外的真实场景中达到所需的倍率和温度功能，是非常，非常困难的，困难到没有人做过。“它们或许永远不会达到宣传的性能。” Seeking Alpha表示。
QuantumScape创始人兼首席执行官Jagdeep Singh对此反击称，“Seeking Alpha的报告读起来就像是一个对电池一无所知的人写的。”
那么，让固态电池长期滞留在科研阶段，站在商业化量产门外的核心因素是什么呢？
回归固态电池的本质——固态电解质，就能拨开迷雾。
固态电解质材料目前有三种主流体系：聚合物、氧化物和硫化物。
这是三种信仰完全不同的材料路线，欧美公司选择氧化物与聚合物体系，日韩公司偏向硫化物体系。
聚合物体系的优点是高温离子电导率高，方便加工。但它在室温下离子电导率极低，大大制约了其发展广度。
法国博洛雷牌固态电池就是聚合物体系下的产物。一个荒诞意味十足的事件是，为了让自家电动车能在室温下正常工作，博洛雷集团特意为每辆车配载了加热器，发动前将电池系统升温至 60至80℃。长时间停车，加热器不能下线，那时的技术无法实现远程提前开启。
氧化物体系的优点是综合性能佳，其中薄膜型产品对工艺技术要求苛刻，成本与规模化生产难度很大，不适合产能巨大的电动汽车。非薄膜型产品是目前最炙手可热的电动汽车电池解决方案，QuantumScape是该路线的忠实信徒。

硫化物体系的优点是拥有堪比液态电解质的离子电导率，快充支持度高，是电动汽车能否快速取代燃油车的胜负手，是日韩公司丰田、本田、三星和中国电池巨头宁德时代选择的技术路线。但硫化物体系的开发进度最初级，无法商业化量产的风险也最高。
液态锂离子电池，作为当代世界发展的主推器，科学原理与它出现时没有实质改变。固态电池的登场，撼动了它曾不可动摇的根基，唯一困扰它的，只剩仍是星辰大海的批量生产。
　　“换道超车”还是“败走麦城”
来自新能源产业专业研究机构起点锂电研究院的统计显示，今年前十个月全球动力电池装机量225GWh，同比增长116.1%。
排名前十的企业分别为宁德时代、LG新能源、松下、比亚迪、SKI、三星SDI、中创新航（中航锂电）、国轩高科、AESC和蜂巢能源，10家企业合计市场份额达到92.2%。
其中宁德时代、比亚迪、中创新航（中航锂电）、国轩高科和蜂巢能源5家是中国公司。
液态锂离子电池战场的失势，让美国和日本企业跳过现有阶段，在另一条赛道——固态电池掷下重金。
中国科学院院士欧阳明高曾在2019年中国电动汽车百人会论坛上表示：“日本为了应对中国和韩国电池产业的崛起，自2017年起举全国之力研发下一代固态电池，并投入了大量的研发经费。美国和欧洲也在全力开发新一代固态电池，以实现超越。中国电池产业虽然取得暂时优势，但国际竞争压力巨大，需全力追赶固态电池前沿技术。”
今年，欧阳明高在“2021年新能源汽车技术与市场亮点及中长期趋势”的主题演讲中再次表达了类似观点。

“日本等国家在大力发展下一代全固态电池，这方面中国品牌还有差距。”欧阳明高说，“全固态电池技术要产业化，并对市场格局产生重要影响，估计要10年左右。”
在时间蓝图上，欧阳明高给出了自己的预测：到2025年，会出现与现有液态电解质锂离子电池比能量大体相当的第一代全固态电池。2030年后，会出现第二代采用新型正负极材料的全固态电池，比能量提升到每公斤500瓦时，还会有高比能量锂-硫电池、金属空气电池。
“现有的锂离子电池，包括固液混合的锂离子电池，2030年前仍占绝对主导地位。”欧阳明高总结道。
市场研究机构Orbis Orbis Reseach今年7月发布的报告《全球固态电池市场2017-2021》支撑了欧阳明高的推测：2017-2021年期间全球固态电池市场将以72.33％的复合年增长率增长。

当下，中国新能源汽车市场已平稳度过认知期，迈入极速膨胀期。预计2022年国内新能源汽车销量约500万辆，市占率超过20%；2025年700万至1000万辆；2030年1700万至2000万辆。
中国电动汽车保有量的暴增，直接刺激了车载电池产量的几何级数增长，2025年预计超过20亿千瓦时，2030年超过70亿千瓦时，2035年超过150亿千瓦时。
对任何一家汽车公司和固态电池制造商来说，这都是不容错过，也不容有失的机会窗口。市场已将潜能预埋完成，现在到了考验智慧的关键时刻。

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