看固態(tài)電池，得看是材料級(jí)的概念，還是產(chǎn)品級(jí)的概念？

說(shuō)起固態(tài)電池，就跟賈躍亭的“下周回國(guó)”一樣，過(guò)段時(shí)間就發(fā)布個(gè)消息，然后“遙遙有期”地說(shuō)最早2027年可以量產(chǎn)。

所以，關(guān)于它，或多或少有點(diǎn)“耳朵疲勞”。

實(shí)際應(yīng)用層面，在電池龍頭“寧王”都質(zhì)疑的情況下，QuantumScape、豐田等企業(yè)隔段時(shí)間就發(fā)布下固態(tài)電池的進(jìn)展，比如最近的豐田全固態(tài)電池將在2027年量產(chǎn)，電池的重量、尺寸和成本降低50%，充電10分鐘續(xù)航1200公里，看起來(lái)更像是刷個(gè)存在感而已，給人以“理想魔幻，現(xiàn)實(shí)骨感”的感覺(jué)。

還有行業(yè)內(nèi)很不好的風(fēng)氣在于，一直在打固態(tài)電池概念的擦邊球，因?yàn)檫@個(gè)概念還算比較寬泛，沾點(diǎn)邊的都算，比如蔚來(lái)講的150kWh實(shí)際上是半固態(tài)的“固態(tài)電池”等等。

這里普及一下，依據(jù)電解質(zhì)分類(lèi)，電池可細(xì)分為液態(tài)(25wt%)、半固態(tài)(5-10wt%)、準(zhǔn)固態(tài)(0-5wt%)和全固態(tài)(0wt%)四大類(lèi)，其中半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種，可以統(tǒng)稱(chēng)為固態(tài)電池。

不過(guò)，下半年開(kāi)始，還是有兩條比較重要的消息。其一，中國(guó)科技大學(xué)馬騁教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰。最驚人的，是據(jù)說(shuō)該新型電解質(zhì)綜合性能與目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近，但成本不到后者的4%，適合進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

除了馬騁教授的研究結(jié)果，7月23日，豐田的御用合作伙伴日本東京工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)參與團(tuán)隊(duì)在美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文表示，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種高導(dǎo)電性的固態(tài)電解質(zhì)“鋰超離子導(dǎo)體”，用這種新型電解質(zhì)使全固態(tài)鋰電池特性有了顯著提升。

只是，根據(jù)SNE research發(fā)布的報(bào)告，即使全固態(tài)電池到2030年量產(chǎn)，供應(yīng)量也只會(huì)從2025年開(kāi)始的0.2GWh增加到131GWh，市場(chǎng)滲透率也只有4%。

所以，就算豐田汽車(chē)不斷宣布消息，如果無(wú)法躬身入局，實(shí)際上改變不了什么。

01

氧氯化鋯鋰，向前一步

其實(shí)，SNE research是給全固態(tài)電池潑了一盆冷水。根據(jù)其7月25日發(fā)布的報(bào)告，到2030年全球液態(tài)鋰離子電池供應(yīng)量將從2023年的687GWh增加到2943GWh，增加4.3倍，占電池市場(chǎng)的95%以上。

其表示，到2030年即使全固態(tài)電池成功批量生產(chǎn)，除了4%的份額，成本問(wèn)題仍然是最大的問(wèn)題。

所以，這次馬騁教授的研究結(jié)果鼓舞人心的地方在于，他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成氧氯化鋯鋰，這種材料具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。通過(guò)優(yōu)化的方法合成，氧氯化鋯鋰的成本可以進(jìn)一步降低到約7美元每公斤，遠(yuǎn)低于目前最具成本優(yōu)勢(shì)的固態(tài)電解質(zhì)氯化鋯鋰（10.78美元每公斤）。

眾所周知，為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)至少需要同時(shí)具備三個(gè)條件：

1、高離子電導(dǎo)率（室溫下超過(guò)1毫西門(mén)子/厘米）

2、良好的可變形性（250~350兆帕下實(shí)現(xiàn)90%以上致密）

3、足夠低廉的成本（低于50美元/公斤）。

氧氯化鋯鋰的室溫離子電導(dǎo)率高達(dá)2.42毫西門(mén)子/厘米，超過(guò)了所需的1毫西門(mén)子/厘米。與此同時(shí)，它良好的可變形性使材料在300兆帕壓力下能達(dá)到94.2%致密，并且，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池，在12分鐘快速充電的條件下，成功地在室溫穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上。

2021年馬騁教授團(tuán)隊(duì)曾報(bào)道過(guò)固態(tài)電解質(zhì)氯化鋯鋰（Li2ZrCl6）。該種材料不含稀土元素或銦，因此原材料成本低于$50/kg。但該材料離子電導(dǎo)率較低，只有0.5毫西門(mén)子/厘米（mS cm-1）左右，無(wú)法滿(mǎn)足離子傳輸效率上的要求。而今，終于有了氧氯化鋯鋰這種理想的材料。

而馬騁教授論文的審稿人認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)“很有新意和原創(chuàng)性”，并且認(rèn)為氧氯化鋯鋰材料“很有前景”，“有益于固態(tài)電池技術(shù)的商業(yè)化”。

這次，看起來(lái)論文和實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果很完美地解決了固態(tài)電解質(zhì)的材料問(wèn)題。不過(guò)，我的問(wèn)題是，氧氯化鋯鋰這樣的固態(tài)電解質(zhì)材料，離量產(chǎn)有多遠(yuǎn)？

之前我寫(xiě)過(guò)幾篇文章，論述了固態(tài)電池的常識(shí)性問(wèn)題。

其中一個(gè)，就是為什么大家一窩蜂地研究全固態(tài)電池？當(dāng)時(shí)，國(guó)軒高科的許巍博士告訴我，“那是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室里面（流程）走通了。”換句話(huà)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室里面實(shí)現(xiàn)了整個(gè)流程，經(jīng)過(guò)多年研究，全固態(tài)電池已經(jīng)能夠以高電流密度進(jìn)行放電。

另外，很重要的是，找到這種材料和量產(chǎn)應(yīng)用這種材料，還是有相當(dāng)距離的。畢竟，由于固態(tài)電解質(zhì)難以兼顧性能和成本，量產(chǎn)仍面臨巨大阻礙。

所以，值得注意的是，給中科大提供樣品的上市公司三祥新材，對(duì)外界的回復(fù)稱(chēng)，“公司采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的沸騰氯化工藝生產(chǎn)氧氯化鋯，設(shè)計(jì)產(chǎn)能可達(dá)10萬(wàn)噸，項(xiàng)目一期已全面投產(chǎn)。

公司有向中科大等科研團(tuán)隊(duì)提供公司樣品，處于實(shí)驗(yàn)初步階段，請(qǐng)注意投資風(fēng)險(xiǎn)。”

02

材料級(jí)概念VS產(chǎn)品級(jí)概念

再來(lái)說(shuō)說(shuō)東京工業(yè)大學(xué)發(fā)布的公報(bào)。我們知道，豐田系的固態(tài)電池，是以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為研發(fā)方向的。

根據(jù)公報(bào)，團(tuán)隊(duì)以固態(tài)導(dǎo)體鋰鍺磷硫化物為基礎(chǔ)，進(jìn)行了“高熵化”設(shè)計(jì)改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出在室溫下離子電導(dǎo)率達(dá)32毫西門(mén)子/厘米的新材料。在零下50攝氏度至零上55攝氏度的溫度范圍內(nèi)，新材料離子電導(dǎo)率為原鋰鍺磷硫化物導(dǎo)體的2.3至3.8倍。

公報(bào)說(shuō)，研究人員制成了膜厚度達(dá)1毫米的鈷酸鋰正極（以這種新材料作為固態(tài)電解質(zhì)），這種電極單位面積的容量可提升至迄今全固態(tài)電池最大值的1.8倍。報(bào)告稱(chēng)，“本項(xiàng)成果將為純電動(dòng)汽車(chē)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域使用的下一代蓄電設(shè)備的研發(fā)帶來(lái)新方向。”

這個(gè)消息，和氧氯化鋯鋰能把成本降到4%的消息，聽(tīng)起來(lái)都是鼓舞人心，但什么時(shí)候能量產(chǎn)，都還不清楚。畢竟，從氯化鋯鋰到氧氯化鋯鋰這一小步，馬騁教授的課題組已經(jīng)走了兩年。

此前，豐田表示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了克服全固態(tài)電池壽命較短這一課題的新技術(shù)，“我們的目標(biāo)是徹底改變目前動(dòng)力電池太大、太重和昂貴的局面。就潛力而言，我們的目標(biāo)是將所有這些因素減半。”豐田碳中和研發(fā)中心的總裁Keiji Kaita說(shuō)過(guò)。

不過(guò)，全球動(dòng)力電池龍頭寧德時(shí)代的首席科學(xué)家吳凱隨后提出了質(zhì)疑，其表示電池成本減半其實(shí)很難做到，即使固態(tài)電池完全不需要電解液和隔膜，成本也降不了一半。“所以我不知道他們成本減半的分母是什么，可能他們有一些‘獨(dú)到之處’。”吳凱說(shuō)。

實(shí)際上，目前產(chǎn)業(yè)鏈龍頭的做法是，通過(guò)加速半固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，來(lái)推動(dòng)半固態(tài)電池的技術(shù)進(jìn)步和落地。比如，寧德時(shí)代推出凝聚態(tài)電池，比亞迪全路線(xiàn)布局，后續(xù)或升級(jí)固態(tài)+短刀+CTC體系，衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技等技術(shù)優(yōu)異企業(yè)，爭(zhēng)相落地產(chǎn)能。

當(dāng)然，從各種院士專(zhuān)家的角度來(lái)說(shuō)，半固態(tài)都是過(guò)渡的辦法。但是，半固態(tài)電池兼容現(xiàn)有工藝設(shè)備，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈沖擊較小，通過(guò)減少電解液用量，使用聚合物+氧化物復(fù)合電解質(zhì)，仍保留隔膜結(jié)構(gòu)，負(fù)極升級(jí)為預(yù)鋰化的硅基等材料，正極升級(jí)為高鎳高電壓、超高鎳等材料的做法，能量密度可達(dá)350Wh/kg以上。

就拿動(dòng)靜比較大的得到上汽集團(tuán)追加不超過(guò)27億元投資的清陶能源來(lái)說(shuō)，8月22日，上汽集團(tuán)與清陶能源共同宣布，聯(lián)合開(kāi)發(fā)的第一代半固態(tài)電池已完成裝車(chē)試驗(yàn)，單體能量密度達(dá)368Wh/kg，測(cè)試車(chē)輛續(xù)航里程達(dá)到1083公里，充電10分鐘續(xù)航增加400公里，將于2024年在智己品牌的新車(chē)上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

成本方面，第一代半固態(tài)電池與液態(tài)電池成本相當(dāng)。而據(jù)清陶能源的規(guī)劃，下一代準(zhǔn)固態(tài)電池（液態(tài)電解質(zhì)＜5%）成本將比同等規(guī)格的磷酸鐵鋰或三元電池低10%-30%，2027年問(wèn)世的第三代產(chǎn)品（全固態(tài)，注意這個(gè)2027年），成本將降低40%，不過(guò)產(chǎn)線(xiàn)70%以上是全新的，無(wú)疑會(huì)增加很大成本。

對(duì)于車(chē)企來(lái)說(shuō)，檢驗(yàn)電池的標(biāo)準(zhǔn)，在于能不能量產(chǎn)。一句話(huà)，夠用、能用、好用就好。加上成本做得下來(lái)，是不是全固態(tài)電池有什么關(guān)系呢？

清陶能源總經(jīng)理李崢還提到兩個(gè)很有意思的概念，豐田講的“充電10分鐘1200公里”，是一個(gè)“材料級(jí)的概念”，只是一個(gè)材料學(xué)方面的比喻。而清陶介紹的明年上汽集團(tuán)裝車(chē)，“充電10分鐘，在整車(chē)量級(jí)上實(shí)現(xiàn)400公里續(xù)航”，是“產(chǎn)品級(jí)的概念”，不能放在一起進(jìn)行類(lèi)比。

而說(shuō)到炒“產(chǎn)品級(jí)概念”，就在最近，大眾等投資的QuantumScape又放了顆“衛(wèi)星”：計(jì)劃在2023年開(kāi)始試生產(chǎn)部分固態(tài)電池，預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。據(jù)說(shuō)，QuantumScape的固態(tài)電池續(xù)航能夠做到接近2000公里，15分鐘充滿(mǎn)80%的電量，電池100萬(wàn)公里以上。

就像之前說(shuō)的，QuantumScape所謂的2000公里續(xù)航無(wú)實(shí)際意義，關(guān)鍵在于充電的基礎(chǔ)設(shè)施。

我還是覺(jué)得，動(dòng)力電池可能會(huì)止步于準(zhǔn)固態(tài)（可實(shí)現(xiàn)400Wh/kg+），除了能量流動(dòng)的物理常識(shí)，因?yàn)檫@時(shí)已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)和成本的最佳平衡。