今天小編分享的互聯網經驗：固态電池，薛定谔的颠覆者，歡迎閱讀。
文｜韓永昌
編輯｜李勤
液态電池在過去十年幾乎創下了電化學的奇迹：能量密度提升 3 倍，成本下降 80% 以上。電動汽車受益于液态電池技術的發展，也在全世界鋪開蔓延，大有對燃油車的替代之勢。
但眼下，阻力出現了。純電動汽車的市場滲透率已經增長乏力，即便是曾經的銷冠特斯拉，在 2023 年财報上無奈寫道，"2024 年銷量增速可能會明顯低于 2023 年。"
限制純電車增速的根由，仍在動力電池身上。動辄半小時的補能時長，低溫性能衰減導致北方冬季開不起來的汽車空調，以及不時燒起的熊熊大火……仍會将消費者攔在門外。
為了徹底解決這些問題，固态電池應運而生。理想中的固态電池，能量密度可以突破 500Wh/kg，輕松 6C 充放電讓充電效率與加油相當，電池刺穿不起火，低溫能量不跳水，循環壽命過萬次。
如果說，1990 年日本 Sony 公司基于石墨負極讓锂離子電池的正式走上商業化道路，那麼接下來的 2027-2030 年，哪家公司率先将固态電池產業化，就意味着捧起了這條路上的終極聖杯。
不僅各家公司在加緊研發步伐，固态電池的押注與突破也變成了國與國之間的你追我趕，沒有一個國家不想提前掌握下一代電池技術。中日韓再次同台競賽，角逐誰先破關。
下一代電池技術的誕生
動動力電池由正極、負極、隔膜、電解液四大主材以及多種輔材構成。如今市面上所有的動力電池和消費電子類電池都可以歸結為液态電池，而固态電池就是将電解液換成固态電解質。
固态電解質更高的熱穩定性讓動力電池能夠使用更高能量密度的正負極材料，這也是行業中認為固态電池能比液态電池性能更優秀、更全面的主要原因。
因此，固态電池的技術路線從固态電解質出發主要可分為三種：聚合物、氧化物與硫化物。三種路線各有優劣。
聚合物的離子電導率（锂離子在正負極之間遊動的速度）最低，只有加熱才能提升電導率；氧化物的離子電導率要高于聚合物，但仍不如液态電解質，且材料太硬容易破碎；硫化物的離子電導率要高于液态電解質，材料較軟，但缺點是容易與空氣中的水發生副反應。
目前來看，聚合物路線幾乎已被放棄，硫化物性能最好但也最難，氧化物做的人最多。
聚合物路線早已量產，2012 年法國公司 Blue Solutions 就在電動大巴上應用了聚合物固态電池，但這種電池要加熱到 60 度才能正常使用，既不具備安全性，也不具備經濟性。
" 現在全世界沒有任何一家固态電池公司在做純聚合物路線。" 有固态電池從業者告訴 36 氪。
理想的固态電解質材料起碼要與液态電解質的離子電導率相當，具有良好的電化學穩定性，同時制造成本偏低，容易規模量產。綜合以上，硫化物最為合适，性能天花板最高，但需要克服多重困難。
豐田在硫化物路線上義無反顧，2012 年豐田就在全球首發硫化物固态電池。2017 年時，豐田宣布将在 2020-2025 年間，推出十款以上采用固态電池的純電車。但事實卻一再跳票。
2023 年上半年，豐田在全球範圍内甚至只賣出去了 5.9 萬輛純電汽車，這只是特斯拉在中國市場一個月的銷量。
執意硫化物固态電池的豐田進展十分緩慢，電池企業們也都摸清了固态電池的量產難度，紛紛在商業化上選擇了的折中方案——半固态。
半固态電池的初衷是量產，但要将固态電池能實現的性能稍減。簡單來說，就是将固态電解質和液态電解質混合使用。
将半固态量產的任務落到了中國的創業公司身上，贛鋒锂電、清陶能源、北京衛藍、重慶太藍等公司普遍選擇了氧化物路線。
進展最快的是北京衛藍，蔚來李斌已經直播實測了 150 度半固态電池包續航确實超過 1000 公裡。數據顯示，2023 年全年，北京衛藍的動力電池裝機量已經達到 0.8GWh，可以搭載超過 5300 輛 ET7。
但半固态電池這種 " 取巧 " 的方式并不被看好，其主要技術實現路徑也跟固态電池有較大差異。
" 固态電池的核心壁壘是固态電解質，半固态電池的核心壁壘是改良後的液态電解質。" 有電池研發人員告訴 36 氪。" 這其實屬于液态電池範疇。"
在半固态電池量產之後，市場看到了這種路線的缺陷，也出現了不少聲音認為半固态電池是 " 雞肋 " 般的存在。究其原因，半固态電池的能量密度比之液态電池并不明顯，成本不低，安全性不如全固态電池。" 半固态只要達到 300Wh/kg 以上，針刺就會爆炸。" 有電池研發人員告訴 36 氪。
看到了半固态電池的性能，也有人堅守液态電池并不差。中創新航 CTO 潘芳芳就認為，液态電池的能量密度天花板可能達到 500Wh/kg。" 固态能達到的能量密度，液态電池都可以更加容易的達到。"
因此，這也給了市場一種疑問，遲遲未能量產的全固态電池，并不一定是完美的。
" 如果基于現有的材料體系，只是把液态換成固态，在能量密度上不會有任何改善。" 有電池從業者告訴 36 氪。
為了更好的性能，固态電池的正極材料普遍使用高鎳三元體系，而負極則分化為了矽負極和锂金屬負極兩種路線。
國内創業公司多采取矽負極路線推進固态電池量產，而美國電池公司 SES AI Corporation ( 以下稱 SES ) 等則使用了锂金屬負極量產半固态電池，或者說液态電池。
理論上來說，固态電池所宣稱的指标，都要依靠锂金屬作為電池負極才能做到，但使用锂金屬電池的難度要遠高于矽負極，目前沒有任何一家公司正在推進锂金屬全固态電池的量產。
" 矽負極突破到 400Wh/kg 以上很難，而锂金屬負極輕松就可以做到。"SES 創始人胡啟朝說，" 我們的電解液确實摻了一些氧化物，但我們還屬于液态電池。"
液态的锂金屬電池，與大眾想象的固态電池，只有電解液的差異，能量密度、循環壽命、倍率性能都是理想中的樣子。
而使用矽負極，受限于材料本身，即便量產了全固态電池，能量密度也不可能達到 500Wh/kg。有電池研發人員分析道，" 寧德時代 2015 年就開始做锂金屬，這是一條很重要的技術路線。"
不過，锂金屬液态電池似乎比矽負極的固态電池進展更快，SES 已經進入 B 樣階段，胡啟朝說，" 我們計劃 25 年 6 月份進入 C 樣，也就是小試裝車。"
因此，如果只是追求性能的極限，最關鍵的不只是固态電解質，而是更高能量的正負極。在如今各種技術路線百家争鳴之下，究竟哪種電池會率先到來，會更貼合當時的實際需求，還需要時間去驗證。
固态電池的 " 可望難可即 "
在液态電池產業化發展上，中國已經取得了絕對優勢，中國的動力電池產量接近全球的 70%，全球前十家動力電池生產商有六家來自中國。但固态電池技術上，中國公司已經落後。
豐田關于固态電池的專利超過 1300 項。而截止 2023 年 10 月，中國單個公司有關固态電池的專利，最高也沒到 100 項。
我們不能忽視固态電池的前期突破。在中國全固态電池產學研協同創新平台成立儀式上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出，固态電池替代液态電池 1% 就是預警。大概 2016 年，新能源汽車市場占有率達到 1%，全球就開始向電動汽車轉向，對于汽車技術而言，替代 1% 就已經具有突破性意義。
電池技術的發展大概以三十年為一個周期。最早從 1870 年的鉛酸電池、1900 年的鉻鎳電池、1930 年的鹼性鋅錳電池，以及 1960 年的鎳氫電池，再到 1990 年锂離子電池，都是如此。
2020 年以來，電池技術已經進入了一個新的換代周期，我們必須要承認，固态電池确實在加速到來，我們已經可以遙望。
一方面，但随着科學技術的發展，許多既有的學科領網域已經被徹底改變，材料科學的研發範式正在被 AI 所衝擊。
以前，電池配方的研發需要将已知的元素用不同的方式進行排列組合，只能通過大水漫灌的方式，用規模性實驗來找到一種成功的方法。
日本豐田在過去 30 多年已嘗試了數萬種電解質應用到電池中，這才造就了固态電池專利第一的存在。
而當下，" 使用無人實驗室全套機器人，再加上 AI，短時間内發現了 220 萬個可能的穩定結構，和 40 多萬個材料合成。" 歐陽明高說。
"24 小時的黑燈實驗室與大算力平台的加持會大大加速動力電池的開發過程。這會對 2030 左右實現全固态電池產業化突破增加了确定性。"
另一方面，電池上車最需要克服的數據問題，也正被深度學習的手段解決。
胡啟朝告訴 36 氪，一款基于全新材料體系的電芯，最難的問題其實是各種場景下，電芯運營中的安全控制問題。
而深度學習軟體的出現，可以通過做少數實驗來推理出電芯在各種場景下的運營數據。這就像特斯拉使用道路數據來訓練自動駕駛算法一樣，改變原本的不可能。
胡啟朝也直言：" 假設今天沒有相應的軟體，我們的锂金屬電池離上車、上飛行器還是有很大距離。"
在人工智能的加持下，固态電池正加速進入到商業化進程，在汽車上率先應用的場景可能在混動動力車型。武漢大學教授艾新平認為，固态電池突破 1% 替代率的機會就在混動車上。
混動汽車需要高功率電池，溫度較高，豐田在 HEV 上堅持鎳氫電池，就是為了避免锂離子電池高溫功率衰減的問題，而且混動車帶電量小，可以承擔成本壓力。
不過，就當下時點來看，固态電池的量產進度并不明确，除了 QuantumScape 宣布其 A 樣產品通過大眾子公司的耐久性測試以外，幾乎沒有公司再公布固态電池的具體進展。
因此也要看到的是，真正的量產宣傳不應該空談目标，不談實際進展。固态電池的研發進程雖然在加快，但離真正的大規模商用還是很遠。
遲峰（化名）在固态電池領網域浸淫多年，他對 36 氪說，90 年代固态電池就已經做出來了，各方面性能都碾壓液态電池，但到現在三十年都沒量產。" 這還不能說明難度嗎？"
舉個例子，保證電解質和正負極之間的良好接觸對電池性能至關重要，這保證了锂離子的傳播效率，" 接觸不良 " 會導致電阻增加、能量損失或者電池壽命縮短。
傳統的液态電池中，電解液與正負極之間的接觸可以看做是液态的水和固态的紙張接觸，電解液的 " 浸潤性 " 會讓兩種材料無縫貼合。而固态電池是固态電解質，這個時候就變成了兩張固态的紙需要無縫貼合在一起。
要知道，在電池充放電的過程中，正負極會随着循環而膨脹和收縮，因此，固态電解質這張白紙，需要時刻無縫貼合一張會伸縮的紙（正負極），難度倍增。
遲峰對此很感慨，固态電池的規模商用，可能十年内都很難看到，像這樣的界面問題，" 解決不了就是解決不了。"
" 我們在實驗室做的都是小電芯，5Ah 電芯能達成的性能，放大到 50Ah、150Ah，很多時候連做不都做不出來，更别說去解決問題了。"
當然，技術進步并未停滞，就像前文所說的人工智能在電池領網域的應用，時間越往後推移，就會有越多的材料和技術用在固态電池研發上。
把時間拉回到十年前，我們或許也不會相信液态電池的價格能如此便宜，能量密度可以提升到支撐一輛車跑 700 公裡。
任何一種新技術的出現與規模化應用，都在解決原本 " 不可能 " 的問題，固态電池同樣如此。新的機會已經出現，各個公司也都厲兵秣馬，準備上陣厮殺。
即便固态電池量產有距離，但沒有一家公司不想成為下一個寧德時代。
