固态电池是新能源下一个“超级风口”吗？

　　目下最大的赛道，无疑是新能源汽车。有人甚至说，新能源汽车在未来十年也仍会是最大的风口。当然，这其中包含的意思，除了产业本身的发展之外，也同样体现了技术层面可能出现的重要迭代乃至革命。

　　在整个新能源赛赛道中，“整车”无疑是最光鲜和最吸引眼球的。但当前整车市场的竞争堪称惨烈。国内被戏称为“PPT造车”的“造车新势力”，企业数量近500家，目前脱颖而出的也不过蔚来、小鹏、理想、零跑、威马、哪吒等屈指可数的几家。

　　同时在新能源汽车“全球老大”特斯拉持续降价、销量暴增之后，尚未盈利的“蔚来”们，又将面临怎样的剧烈冲击和未来？

　　所以说，当前的整车赛道已经拥挤不堪且危机重重，对于整车企业个体而言，未来的发展充满着不确定性。

　　而新能源领域具备较大确定性的环节在哪？毫无疑问是动力电池。一个朴素的道理：无论谁在造车，都离不开或者说希望获取高能量密度、高安全性又低成本的电池配备。

　　因而，背靠日益膨胀的新能源汽车市场，动力电池领域无论在效率、成本、安全等维度上的重大突破，无疑都将是一个具备高度确定性的“超级风口”，甚至具有划时代的意义。

　　动力电池领域公认的标准是：如果电动车的电池能量密度能从当前主流的160wh/kg，提升至400wh/kg，那么电动车足以完全取代传统的燃油车。

　　面对这一创造历史的机遇和巨大的市场前景，国内外一众电池生厂商也已开足马力投身于下一代动力电池的研发。这其中，“固态电池”则是当下最火热、最被寄予厚望的“超级电池”研发技术路径。

　　动力电池：新能源汽车的生命线

　　这两年特斯拉持续降价，最新的拳头产品“Model Y 标准续航版”税后报价27.6万元，较之其此前推出的“Model Y 长续航版”降价7万元有余，由此引发热销。

　　特斯拉MODEL Y（图片来源：网络）

　　而促使特斯拉可以大幅降价的底气就来自于换装 “磷酸铁锂电池”后成本骤降。

　　目前新能源汽车搭载的动力电池主要是“三元锂电池”和“磷酸铁锂电池”两种，我们来简单介绍下这两种电池。

　　“三元锂电池”电池正极添加了镍、钴、锰等三种贵金属，因而能量密度和充电效率较高。

　　但也正因为添加了这三种贵金属，三元电池成本较高。同时也导致电池内部高温状态下化学反应剧烈（200℃左右会发生分解），容易引发燃爆，为提升安全性能则需要增加更多成本。

　　另一种“磷酸铁锂电池”，则不含有贵金属成分，因而成本较低。同时“磷酸铁锂”化学性质稳定（500℃左右结构依然稳定），不易燃爆，使用寿命较长。主要缺点是能量密度、充电效率不及三元电池，同时在低温状态下性能较差。

　　但近年来宁德时代的“CTP模式”（将电芯直接集成到电池包）、比亚迪的“刀片结构”（单体电池通过阵列方式排布插入电池包）等技术突破，已使得磷酸铁锂的能量密度基本达到了主流的160Wh/kg，充电效率也大幅提升。由此，磷酸铁锂电池低成本的优势也就更加凸显。

　　而此次特斯拉“国产Model Y标准续航版”，正是由原先松下的三元电池“换装”成了宁德时代的CTP模式“磷酸铁锂电池”，由此成本大降，也搅动了国内新能源汽车市场的大潮。

　　动力电池之于新能源汽车的重要性也可见一斑。

　　固态电池：群雄逐鹿的下一个战场

　　20世纪90年代以来，包含液态电解质的锂离子电池（包括前述磷酸铁锂电池和三元锂电池）已成为当前最成熟、应用最广泛的电池技术路线。

　　而随着市场对电池能量密度、安全性、经济性等方面的要求日益提升，传统锂离子电池已逐渐不能满足需求。于是采用固体电极和固体电解液，并具备更高能量密度和安全性的“固态电池”便应运而生。

　　固态电池为什么能具备更高的能量密度和安全性？

　　首先是其固态电解质（主要采用有机或无机陶瓷材料）的结构和密度，可以聚集更多带电离子、传导更大电流，同时采用金属锂等材料做负极，从而有效提升单位体积的电池容量和续航能力。

　　据分析，一辆全固态电池汽车续航里程可达约1,000公里，同时电池性能可长期保持稳定；

　　第二是固态电解质封存简易，可以显著节省成本，以及减轻电池重量、减小电池体积；

　　第三是固态电解质化学结构稳定，较之液态电解质，减小了电池在高温下发生化学反应和燃爆的风险，使用寿命稳定。

　　锂离子电池与全固态电池对比（图片/网络）

　　有机构预测，到2030年，全球固态电池需求预计达500GWh，市场规模在3,000亿元以上。

　　巨大的市场需求和应用前景，也让固态电池的研发成为国家战略。

　　目前，中国、美国、日本、德国等世界主要经济体均制定了各自的固态电池发展规划。总体计划是：在2020-2025年期间致力于提升电池能量密度并逐步向固态电池转变；2030年前后研发出商业化运用的全固态电池。

　　当前，日本丰田、松下、本田，韩国LG，德国宝马、大众，以及国内的宁德时代、比亚迪等动力电池巨头，均已布局固态电池领域。

　　在时代潮流的强势推动下，固态电池技术也在逐步取得重大突破。美国休斯敦大学研究团队日前发布成果显示：通过溶剂辅助过程改变电池的电极微结构，可将有机基固态锂电池的能量密度翻倍。

　　在固态电池的材料方面，国内企业也已具备批量生产能力。赣锋锂业日前宣布：公司生产的第二代固态锂电池基于高镍三元正极、含金属锂负极材料，能量密度超350Wh/kg，循环寿命近400次。

　　固态电池商业化之路：任重道远

　　市场渴求、政策支持，业界各路大神不惜重金倾力投入，固态电池的研发看起来一切都很美好，但事实并非如此。固态电池在技术上还存在大量需要攻关的难点，距离真正实现商业化还存有较长距离。

　　目前固态电池量产和商业化的主要瓶颈包括：

　　一是固态电解质的离子电导率较低，导致充电效率较低；

　　二是材料体系不完善。固态电池固态电解质可以选择有机或无机陶瓷材料，负极可以选择预锂化、富锂复合和金属锂等材料，但总体尚无较为成熟的材料体系。固态电池的用材，或许也是人类材料科学的一个巅峰；

　　三是制备工艺技术难度高。作为固态电池电解质的氧化物和硫化物电解质，制备难度较高，以目前的工艺水平难以保证成品的合格率；

　　四是固态电池的内部结构和性能平衡问题尚待解决。固体电池是一个全新的体系，颠覆了液态锂电池系统，很多架构和系统问题需要重新设计，以目前的技术水平尚不能完全驾驭；

　　五是产业链配套不完善。作为主体尚处于或刚走出实验室的固态电池，自然无法形成完整的配套产业链；

　　六是生产效率低下、制造成本居高不下。目前普通液态锂电池成本不过200-300美元/千瓦时，而若以现有技术制造车用全固态电池，成本据说高达数千万美元。

　　这其中，成本问题应该是制约固态电池大规模商业化的最大瓶颈。

　　一个值得玩味的细节是：作为全球最大的新能源车企，特斯拉一直对固态电池问题保持缄默，反而仍然着力于传统锂电池的改进。

　　2020年12月，特斯拉发布4680动力电池，展示其CTP无模组电池方案：取消电池模组设计，将960个4680电芯直接按照40×24的排列置入动力电池结构体中，再结合正负极材料的改进，这套电池系统的能量密度或将达到300Wh/kg。

　　或许特斯拉在证明：类似固态电池这样过于先进的技术并不一定适合于商业化；而“在商言商”，能够大规模商业化的，必然是技术成熟、成本低廉的路径。

　　固态电池之外，还有其他技术路径吗？

　　固态电池无疑是追逐下一代动力电池最火爆的技术路线，但未必是唯一选择。因为我们的最终取向是高效能和低成本的平衡，如果其他技术路线在与固态电池的推进过程中，在这两方面的平衡较之后者更优、发展更快，那鹿死谁手还真不好说。

　　固态电池之外，还有哪些可以选择的动力电池技术路径？业内较为看好的包括燃料电池、镁电池、铝空气电池、超级电容器等路线。

　　“燃料电池”的基本原理，是将燃料的化学能直接转换成电能，具有转换效率高、环境污染少等优点。

　　但燃料电池的发展同样是问题重重。以当下燃料电池领域最火热的“氢燃料电池”为例，就面临制氢储氢和催化剂成本高昂、关键零部件技术瓶颈等问题。

　　氢燃料电池原理（图片来源：网络）

　　“镁电池”是以镁为负极，某些金属或非金属氧化物为正极的原电池。由于镁的熔点（约650℃）远高于锂（约180℃），同时镁的储量也远高于锂，因而镁电池较之锂电池，在安全性和经济性方面具备优势。

　　但镁电池的障碍在于缺少合适的正极材料与镁负极组合、充放电不稳定等。

　　“铝空气电池”以高纯度铝为负极、氧为正极，以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质，铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应。

　　铝空气电池的理论比能量可达8,100Wh/kg，同时重量轻、环保无污染，但其比功率较低、充放电速度较慢且容易过热。

　　“超级电容器”是一种通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的装置，同时具备传统电容器的充放电和电池的储能特性，而且具有充电速度快、循环使用寿命长、绿色环保等优点。

　　但其缺点同样十分明显，包括电极材料能量密度较低、电解质容易泄漏、耐压性能较差等。

　　综合而言，以固态电池为代表的下一代动力电池的各条技术路径各有利弊，目前尚有不少技术瓶颈亟待突破，同时在有效性、经济性、安全性的平衡方面，也存在诸多问题，大规模商业化之路均任重道远。

　　而可以确定的一点是，假以时日，在市场需求的引致和国内外广泛持续研发的推动下，下一代能量密度和充放电效率更高，同时兼顾成本、安全等多方面因素平衡的某种划时代“超级电池”，终将取代目前主流的液态锂电池。

　　只不过这其中，固态电池应该是目前各方投入最多、最被寄予厚望的技术路径。但最终哪条技术成为“天命之选”，还是要看谁能尽早实现技术的根本性突破，以及更好地实现效率、成本等方面的完美平衡。