?1秒充電1公里，寧德時代發(fā)布神行PLUS電池，固態(tài)電池還有多遠

?1秒充電1公里，寧德時代發(fā)布神行PLUS電池，固態(tài)電池還有多遠

老李頭 / 2024-04-26 18:42502517

近年來，新能源電車行業(yè)蓬勃發(fā)展，無論是智駕、車機互聯(lián)、電機等方面都出現(xiàn)了長足的進步，但這座“大廈”上空始終有一片“烏云”，那就是電池。

2024年4月25日，北京國際汽車博覽會首日，寧德時代發(fā)布了全球首款兼顧1000km續(xù)航和4C超充特性的磷酸鐵鋰電池新品——神行PLUS。這款號稱充電10分鐘即可補能600km續(xù)航，實現(xiàn)“1秒1公里”的超級補能電池，為我們展示了其在電池技術(shù)領(lǐng)域的最新成就，也再次點燃了公眾對于固態(tài)電池這一革命性技術(shù)的關(guān)注。

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由于電解質(zhì)材料大部分不可燃，固態(tài)電池可以說是從根本上解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池中電解液易燃的問題，在熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性方面也比液態(tài)電池更高，再加之更高的能量密度意味著更小的體積，這讓“寸土寸金”的車內(nèi)空間有了更多擴展的空間，也使其成為了很多人眼中徹底解決新能源車電池問題的“最優(yōu)解”。

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液態(tài)鋰離子電池與固態(tài)電池性能對比，圖來自《全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》

然而，盡管固態(tài)電池以其卓越的安全性能、高能量密度和長壽命等優(yōu)勢，被譽為新能源汽車的“終極解決方案”，它的商業(yè)化之路卻似乎總是“只聞樓梯響，不見人下來”。為什么固態(tài)電池有這么多優(yōu)點，卻仍然難以真正普及商用？讓我們先從一切的開始聊起……

為什么固態(tài)電池是必然的大勢所趨？

眾所周知，液態(tài)電池的安全性問題一直被很多人詬病。在電池充放電過程，尤其是高電流密度下，鋰離子從正極移動到負極的過程中，可能會在負極表面出現(xiàn)不均勻沉積，進而形成鋰枝晶（Li dendrites），這可能會穿刺電池內(nèi)部用于隔離正負極的隔膜，導(dǎo)致正負極之間發(fā)生非預(yù)期的電氣連接，也就是短路。

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鋰枝晶生長刺破隔膜引發(fā)電池起火，圖來自YND科研繪圖

短路會導(dǎo)致大電流通過電池，進而產(chǎn)生大量熱量，使其內(nèi)部溫度迅速升高，也就是“熱失控”現(xiàn)象。而這是一種連鎖反應(yīng)，不僅會降低電池性能，還有可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)分解，放出更多的熱量和氣體，增加電池內(nèi)部壓力，進而導(dǎo)致電池破裂或燃燒，這也是很多電動車出現(xiàn)自燃的一個重要原因。

這是液態(tài)電池由本身特性而產(chǎn)生的問題，也是制約液態(tài)電池快充技術(shù)發(fā)展的重要原因。從運作原理來看，液態(tài)電池中鋰離子是運載傳導(dǎo)，而固態(tài)電池中鋰離子是跳躍傳導(dǎo)，速度更快，充放電速率更高，在化學(xué)性質(zhì)上卻比液態(tài)電池更加穩(wěn)定，具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)等特性。

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液態(tài)鋰離子電池受熱易失控

而且由于固態(tài)電池?zé)o需電解液和隔膜把液體包裹起來防止漏電，而是可以疊起來串聯(lián)，這樣就有可能進一步縮減電池包重量和體積，提高續(xù)航能力。固態(tài)電池還可以通過簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，進一步縮減電池重量，體積能量密度相比石墨負極的液態(tài)鋰電池大幅提升，有望進一步解決新能源汽車里程焦慮這個一直以來難以解決的問題。

如果說到一直以來未能解決的問題，恐怕很多人都會率先想到電車冬天續(xù)航里程下降的問題，這主要由于液態(tài)電池一般工作穩(wěn)定在-10℃到45℃，而這就意味著在中國北方很多省份，液態(tài)電池在冬季使用都會不同程度受到影響；與之相對的是，固態(tài)電解質(zhì)的工作溫度一般在-30℃到100℃，除了極寒地區(qū)一般續(xù)航不會有太多縮減，也不需要太復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)。

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對電動車低溫續(xù)航的關(guān)注成為很多消費者和測試者重點關(guān)注的對象

人們對“里程焦慮”不僅包含了對續(xù)航的擔(dān)憂，也有對電池使用壽命的憂慮。在目前的液態(tài)電池中，三元電池壽命平均為500-1000次循環(huán)，磷酸鐵鋰壽命可達2000次，而全固態(tài)電池在壽命方面相比液態(tài)電池則是上了一個量級，薄膜全固態(tài)未來可達45000次循環(huán)，實驗室階段5C（“C”指電池充放電倍率，“5C”即電池在1/5小時內(nèi)完成額定容量放電）壽命更是可以達到10000次，相比液態(tài)電池顯示出固態(tài)電池更高的性價比。

除了這些內(nèi)在的原因以外，隨著全球?qū)p少溫室氣體排放及空氣污染的關(guān)注不斷增加，電動汽車的市場正在迅速擴大，這無疑推動了對更高能量密度、更快充電速度和更長壽命電池的需求，也為固態(tài)電池的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間。

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固態(tài)電池應(yīng)用市場滲透率預(yù)測，圖來自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

近年來，我國政府相關(guān)部門出臺了一系列政策支持固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2020年10月，國務(wù)院發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，首次將固態(tài)電池列入行業(yè)重點發(fā)展對象并提出了加快研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。

2023年1月，工信部等六部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，進一步提出加強固態(tài)電池標準體系研究，為固態(tài)電池行業(yè)的發(fā)展提供了明確、廣闊的市場前景，為企業(yè)提供了良好的生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)境。

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固態(tài)電池行業(yè)政策，圖片來自中商產(chǎn)業(yè)研究院

一切只是“看上去很美”？

那么既然固態(tài)電池有這么多優(yōu)點，為何在市場中卻不常見呢？

事實上，固態(tài)電池雖然被很多人認為是“下一代”的技術(shù)，但發(fā)展至今卻仍然沒有一條一以貫之的路徑。

當前，固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線有氧化物固態(tài)電解質(zhì)、硫化物固態(tài)電解質(zhì)、鹵化物固態(tài)電解質(zhì)、氫化物固態(tài)電解質(zhì)、薄膜固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)等6種技術(shù)路線，其中聚合物、氧化物、硫化物為三大主流固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線。

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固態(tài)電池分類，圖來自知乎Terry Ye《固態(tài)鋰電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀》

這其中，聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展速度相對較快，技術(shù)也相對更加成熟，目前已經(jīng)率先實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用的小規(guī)模量產(chǎn)。不過，該技術(shù)仍然受到較低電導(dǎo)率和有限性能上限的制約，無法大規(guī)模應(yīng)用。

氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池擁有更為全面的性能優(yōu)勢，發(fā)展速度較快。硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池因其較高的導(dǎo)電率和出色的性能表現(xiàn)，被認為最適合電動汽車，擁有更廣闊的商業(yè)化前景，但這兩條技術(shù)路徑均面臨界面穩(wěn)定性差的研究難題。

我們都知道，固態(tài)電池界面為固-固接觸，這就使其電導(dǎo)率往往會受到電極與電解質(zhì)界面處高接觸電阻的阻礙，電極和電解質(zhì)物理接觸很難做到理想的嚴絲合縫，使用中也會產(chǎn)生機械應(yīng)力，雖然目前有一些例如溶膠凝膠、噴涂等技術(shù)可以做到稍稍改善，但徹底解決目前來看仍需時日。

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不過，雖然幾條路線各有優(yōu)勢和難題，但仍然有很多廠商在這些路徑上不斷努力探索。在硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池應(yīng)用方面，日本企業(yè)近期取得了不少進展。例如豐田汽車在2023年7月，成功開發(fā)了一種新型固態(tài)電池，據(jù)稱該電池充電10分鐘就能支持1200公里的續(xù)航能力。

還有日產(chǎn)汽車則在10月推出了搭載全固態(tài)電池的概念車型“日產(chǎn)Hyper Tourer”。美國的Solid Power公司在2023年第三季度向?qū)汃R公司交付了首批A-1 EV電池，這標志著其固態(tài)電池產(chǎn)品正式邁入汽車行業(yè)的驗證測試階段。

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日產(chǎn)Hyper Tourer概念車

在聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池領(lǐng)域，同樣有很多企業(yè)研發(fā)成果顯著。例如，美國Factorial Energy公司在2023年10月24日于馬薩諸塞州梅休恩投資5000萬美元，建立了年產(chǎn)能達200兆瓦時的固態(tài)電池生產(chǎn)線，這也是美國最大的固態(tài)電池生產(chǎn)線。

該公司生產(chǎn)固態(tài)電池采用的“Factorial電解質(zhì)系統(tǒng)技術(shù)”，據(jù)稱能顯著提升電池的續(xù)航里程，同時與現(xiàn)有的鋰離子電池制造基礎(chǔ)設(shè)施兼容，便于集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線中，更有利于盡快投入固態(tài)電池商業(yè)化進程。

在氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池的研發(fā)上，日本旭硝子株式會社于2023年3月發(fā)布了全球首款主要零件全部由“結(jié)晶玻璃”制成的氧化物全固態(tài)鈉離子二次電池。美國的Quantum Scape公司則宣布其首款商用氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池產(chǎn)品QSE-5在完成1000多次循環(huán)測試后，容量保持率超過95%。

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當然，除了這些廠商以外，中國大陸的廠商在固態(tài)電池領(lǐng)域也投入了很多心血，并且取得了不少成就。2024年4月，中國船舶集團旗下風(fēng)帆公司成功研制出首個軌道交通工程車用類固態(tài)電池系統(tǒng)，緊隨其后，太藍新能源宣布其“車規(guī)級全固態(tài)鋰電池”取得重大突破。

此外，上汽集團旗下智己汽車近期也宣布全球首次量產(chǎn)上車“超快充固態(tài)電池”——第一代光年固態(tài)電池，引發(fā)了關(guān)于固態(tài)電池的討論，雖然實際上該電池仍然屬于半固態(tài)電池范疇，但在從液態(tài)電池走向全固態(tài)電池的發(fā)展中仍然具有進步意義。

而針對越來越熱的固態(tài)電池話題，寧德時代董事長曾毓群在近期表示，關(guān)于固態(tài)電池目前還有很多基本的科學(xué)問題亟待解決，如大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)中的離子擴散速率與液態(tài)電解質(zhì)存在數(shù)量級差異、固固界面難以始終保持良好接觸等。

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不過，針對技術(shù)層面的問題，寧德時代也給出了自己的理解。寧德時代首席科學(xué)家吳凱認為，目前固態(tài)電池發(fā)展遇到的問題主要有兩個方面：一是鋰枝晶問題，為此寧德時代開發(fā)了界面增強技術(shù)，讓鋰枝晶相對比較均勻，不容易形成枝晶，進而減少因此而產(chǎn)生的短路；二是固溶性的問題，因為都是固態(tài)，顆粒材料分離，密度就變大，針對這一問題寧德時代也開發(fā)了雙相導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提升固態(tài)界面的穩(wěn)定性。

此外，寧德時代方面還提出了凝聚態(tài)電池的概念，這是一種介于液態(tài)和固態(tài)電池之間的技術(shù)。凝聚態(tài)電池采用半固態(tài)的膠質(zhì)電解液，這種設(shè)計既保持了鋰離子的傳導(dǎo)功能，又通過降低流動性來提高電池的安全性能，從而避免了傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池在過熱時可能出現(xiàn)的熱失控風(fēng)險。

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事實上，任何前沿技術(shù)的落地其實都需要經(jīng)歷三個階段：技術(shù)路線、產(chǎn)品路線和商品路線。首先，必須確保技術(shù)理論上的可行性和實際的技術(shù)突破；其次，在產(chǎn)品制造階段，要保證產(chǎn)品的安全性、可靠性、一致性和質(zhì)量；最后，產(chǎn)品必須具備市場競爭力，即價格合理，能夠被市場接受。

顯然，目前固態(tài)電池在技術(shù)層面上仍需克服很多基本科學(xué)問題，距離真正的商品化尚有一段距離。不過無論如何，固態(tài)電池相較傳統(tǒng)液態(tài)電池而言，能夠有效解決電動汽車自然起火和低溫掉電兩大核心痛點，單憑這個原因就足夠令廠商和消費者無限憧憬了。

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結(jié)語：在彷徨與變數(shù)中，走向光明圖景

在對固態(tài)電池的深入探討中，我們不難發(fā)現(xiàn)，盡管這一技術(shù)擁有革命性的潛力，其發(fā)展之路卻并非一帆風(fēng)順。

從安全性能的提升到續(xù)航能力的增強，到環(huán)境適應(yīng)性的改善，固態(tài)電池為新能源汽車的未來描繪了一幅光明的圖景。然而，技術(shù)難題、成本考量以及規(guī)模化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，仍然是擋在固態(tài)電池普及道路上的幾座大山。

盡管如此，全球范圍內(nèi)的科研機構(gòu)、企業(yè)和政府部門正不斷加大投入，努力攻克這些難題，固態(tài)電池的商業(yè)化之路雖然充滿挑戰(zhàn)，但也孕育著無限可能。讓我們共同期待，固態(tài)電池技術(shù)能夠早日突破桎梏，照亮新能源汽車產(chǎn)業(yè)的前行之路，成為推動新能源汽車行業(yè)發(fā)展的新引擎。