电池技术要变天？下一代锂金属电池，离我们到底还有多远？

　　最近，广汽埃安率先发布了全球首款1000公里续航车型，堪比不少混动和增程车型，着实让不少人惊掉了下巴。

　　大家都没想到，超过1000公里续航的车型居然来得这么快！而且也的确没想到，广汽年初夸下的海口，居然真的实现了。

　　里程焦虑，似乎不再是购买一台新能源车最大的阻碍了。

　　不过新能源车能实现1000公里的超长续航，核心要点还是能量密度。

　　我们知道，锂电池是由正极、负极、电解质（也就是电解液）、隔膜和电池外壳组成的。

　　不严谨地说，电池中锂离子所占的比例高低，决定了储存能量的多少。

　　就比如AION LX使用的海绵硅负极片电池技术，从负极的硅碳材料入手，将电池包的成组能量密度提升了差不多20%（205Wh/kg，144.4kWh）。

　　明年上150度电池的蔚来ET7，也是在硅碳负极的基础之上额外采用了混合固液电解质，才把单体电芯的能量密度提升到了360Wh/kg。

　　即使是按照70%的成组效率来算，电池包的密度也会大于250Wh/kg。1000公里成就get√。

　　在业内量产的电池技术里，这两家基本上快摸到锂离子电池能量密度的天花板了。

　　但真正的天花板，还得说是采用固态电解质、能量密度更高的全固态电池。

　　等到大规模量产的那一刻，或许随便一台车都有个千八百公里续航，配合超充就是一个字：香。

　　但就在前几天，突然冲出了几家像SES、恩力动力这样的电池初创企业，宣称自己已经已经成功研制出了新型的锂金属电池，并且很快就能量产。

　　这种电池在负极直接使用了锂金属，能量密度居然能接近几年后量产的全固态电池！

　　这让社长有些好奇：这种锂金属电池是什么来头？它是不是下一代的新型电池技术？

　　电池巨头的格局，又会不会发生新的变化？

　　今天，我们就来好好聊一聊。

　　01. 锂金属电池的前世

　　从广汽和蔚来的例子中我们不难发现，两家车企就好像事先约定好了，都采用了硅碳复合材料作为负极。当然，对负极材料下狠手的，还有“掺硅补锂”的智己。

　　相比于现在市面上绝大多数新能源车采用的石墨负极电池，硅负极材料的理论锂离子容量能达到4200Ah/kg，比石墨的372Ah/kg高了十倍有余，也就变相提高了能量密度。

　　如果按照美国能源部的定义，根据负极材料的不同、能量密度逐渐增加、把锂电池技术分为三代的话，最常见的石墨负极电池就是第一代，即将铺开的硅碳负极电池属于第二代。

　　而第三代，就是在负极直接应用金属锂的电池了。

　　熟悉新能源车的小伙伴都知道， 1881年法国工程师古斯塔夫·特鲁夫就制造出了全世界第一辆电动车，其采用铅酸蓄电池供电、直流电机驱动，比第一辆奔驰还早了4年。

　　锂金属电池的发展历程，也颇有几分早期电动车的意味。

　　早在上世纪70年代锂电池刚刚诞生的时候，科学家们就尝试过应用金属锂作为电池的负极，比索尼面向市场推出首款锂离子电池的时间，足足早了20年。

　　如今的锂离子电池看到锂金属电池的话，可能还得叫一声“爸爸”。

　　而科学家们看重锂金属直接作为负极的原因也很简单——

　　金属锂的性能，实在是太棒了！

　　它的理论锂离子容量能达到3850 Ah/kg，和硅负极的理论容量差不多。

　　与此同时，又有着金属中最低的密度（0.534g/cm ）和最负的电化学电位（-3.045V），非常容易吸引电子。

　　这也就是说，作为负极材料的锂金属比硅还优秀。它有着极高的能量密度，电池的电压也更容易做得更高。

　　在现实生活中，我们最常接触到的锂金属电池，其实是汽车钥匙中的纽扣电池。它能够一次性使用3年左右的时间，而且体积能做得很小。

　　就比如CR2032型号的纽扣电池，这个C就代表着锂金属负极。当然2032R和特斯拉的18650也是一样的逻辑，代表着直径20mm、高度3.2mm的圆柱体。

　　但从中也不难发现：这个纽扣电池从来没有人说要充电，都是没电了就换——

　　这是个用完了就扔的一次性电池啊！

　　没错，这也是锂金属电池迟迟得不到量产的最大原因，安全。

　　其实从2015年1月起，国际民航组织就已经针对单独的锂金属电池UN3090在客机上作为货物运输。这项禁令比起锂离子电池UN3480来说早了1年多，可见其危险性。

　　具体怎么不安全，建议参考一下三星手机爆炸门。

　　锂金属电池不安全的原因，也和爆炸门的手机有几分异曲同工之妙，都是刺穿了正负极之间的隔膜。正负极直接连接导致电池短路，从而过热、起火爆炸。

　　就好比一块奶酪三明治，上下两边的面包把中间的奶酪扎透了。只不过电池这个“面包”直连的代价，实在是有些惨重。

　　而锂金属电池和三星Note7之间的区别在于，Note 7是由于工艺问题，正负极上的焊点有毛刺，才刺穿的隔膜（面包做得又硬又糙，给奶酪扎了个透心凉）；

　　锂金属电池，则是由于不可逆的锂枝晶生长。相当于面包在放置/食用的过程中，自己长出来一块，给奶酪扎了个透心凉。（奶酪：我招谁惹谁了！生气）

　　至于为什么会有锂枝晶生长，简单来说就是锂离子实在是太贪玩也太调皮了。它从正负极之间跑来跑去的过程中迷了路，最终沉积在负极的表面上，再也不动。

　　而且它还特别喜欢挂在有凸起的粗糙表面，久而久之就越长越长，最终形成像小树苗一样的锂枝晶。

　　其实在一开始，并没有人发现锂枝晶的破坏作用，而是用血和泪的教训换来的。

　　作为全球第一家把充电锂电池推向市场的公司，来自加拿大的Moli Energy可以说是走在了时代的风口上。

　　其将二硫化钼作为正极，金属锂作为负极，推出了能量密度超过100Wh/kg的电池。一经上市，便在消费电子产品飞速发展的环境下风靡全球，获得了大量订单。

　　但好景不长，初代产品刚刚售出200万只，就出现了起火爆炸的安全事故，随后宣布召回所有产品并提供经济补偿。最终只能资不抵债，破产拍卖。

　　接手的日本NEC公司随后又生产了50万只电芯，并安装在新款的手机上。

　　不幸的是，经过长达一年半的“蹂躏”，这批手机电池几乎都出现了问题，从电池衰减到起火爆炸应有尽有。无数经费背后，只是一场绚烂的花火。

　　但万幸的是，这批电池仅仅用于测试，并没有交付到消费者手中。

　　用惨痛的代价验证了锂金属电池极低的可靠性之后，锂金属电池也被时代所封存。

　　02. 锂金属电池的今生

　　2008年发生了两件事，间接让锂金属电池激动地拍打着棺材板，重新复活了。

　　第一件事，是特斯拉Roadster的横空出世。

　　这台300多续航、零百加速不到4秒的油改电小跑车，第一次让许多人看到了新能源车的无限可能，也拯救了第一次濒临破产的特斯拉。

　　而它能够让马斯克成功说服投资人，靠的正是18650电池的高能量密度。

　　对新能源车来说，高能量密度代表着一切——更长的续航、更快的充电速度、更轻的车重……百利而无一害。

　　正如这句玩笑话说的那样，“燃油车最牛的是油箱，最拉胯的是发动机；电动车最牛的是电机，最拉胯的是电池”。

　　能量密度，就是动力电池最大的痛点。

　　在政策的驱使下，在现实的推动下，看到了希望的车企也纷纷开始立项新能源车，进行一次次大胆的尝试。

　　从那时起，所有的车企和电池企业都在考量一项相同的核心指标，能量密度。

　　这一目标，甚至还“传染”给了3C消费市场，一时间大家都在追求更小的体积和更轻的重量。

　　另一件事，是全球都不约而同地开始布局，把资源和精力都投入了新能源产业。

　　远的比如大洋彼岸的美国，在小布什和奥巴马交接前后，美国能源部几乎不计成本地投入清洁能源项目。

　　无论是太阳能电池、锂电池、燃料电池、水分解、风能还是核能，只要是清洁能源就立项。还鼓励各大高校，在学术上给予大力支持。

　　这批博士生毕业之后，创立了一大批搞技术的锂电池初创企业，都或多或少地经历过数轮融资。有些已经被大企业并购，而有些则坚持到了上市。

　　我们当然也不甘示弱，由科技部、财政部、发改委和工信部共同启动了十城千辆工程，准备用3年左右的时间每年发展10个城市，每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行。

　　有了市场，就不愁没有高校和科学家带头研究。

　　除此之外，我们还特意也出台了退税和补助政策，大力支持国内风电设备的发展。

　　至于光伏行业，为了避免金融危机给出口带来的影响，发改委用一次史无前例的招标，拉开了国家级光伏发电特许权项目的序幕。一出手，就是1万千瓦时。

　　如今大国博弈的种子，其实在那时就已经埋下。

　　但不管怎样，新能源行业都离不开一样最重要的东西：电池，而且是高能量密度的电池。

　　但对于现阶段的锂离子电池，在业界看来，一抬头就能够看到瓶颈。目前的硅碳负极技术已经研究多年，技术接近成熟，但对能量密度的提升却并没有想象中那么高。

　　于是，业界分成了两派。

　　一派有点像传统武学的“六大门派”，其中最典型的，就是97岁获得诺贝尔奖、过了今年就100岁的John B. Goodenough教授，“足够好”老爷子。

　　仙风道骨的，是不是有点像张三丰？

　　在他看来，负极依然需要硅基或者锂金属这样的高能量密度材料，但解决问题的根本方案，还是要从固态电解质下手。

　　只要能够研发出高电导率、稳定性强、价格低廉、界面稳定性好的固态电解质，能量密度就能提升一个极大的量级。

　　顺便，还能解决一下锂金属电池锂枝晶生长的安全问题！

　　这也就是说，只要固态电解质成功量产，那么全固态锂金属电池也就指日可待了。

　　如果还拿三明治来举例子的话，大家可以想象一下面包（正负极）和奶酪（隔膜）之间隔着一大片完全脱水的牛肉干（固态电解质），是不是很难再刺穿奶酪（隔膜）了？

　　老爷子短期的目标，就是在102岁退休之前、或者延长退休年限之后，能够攻克这一值得再次颁发诺贝尔奖的世纪难题。也正应了老爷子的那句话——

　　“这就是我去世之前要做的事情：留下一个更清洁，更美好的世界。”

　　当然，按照中国电池工业协会副理事长黄学杰的说法，我们在迈过锰酸锂电池、三元锂/磷酸铁锂电池、全镍/无钴电池之后，长期的技术目标，同样是全固态电池。

　　目前，包括宁德时代、比亚迪、三星SDI、韩国SKI、松下在内的多家全球锂电池巨头，也都在积极布局固态电池。可以说，这就是未来明确的方向。

　　但全固态电池实现起来，却没有想象中那么容易。

　　一方面固态电解质的导电率会低于液态电解质，而且正负极和固态电解质之间也没办法很好地融合。简单来说就是充电慢，电阻大。

　　所以全固态电池还无法大规模应用在主流3C产品和动力电池中，更不要说能量密度更高的全固态锂金属电池了。

　　这一派，可能要让我们等上5-10年的时间。

　　于是，就出现了有点像“江湖野路子”的另一派。就是我们刚才提到的，在2008年前后创立的几家国外公司，以及国内的科学家带头研究的电池初创企业了。

　　03. 什么时候量产？

　　这几家里进度最快的，是一家名为SES的锂金属电池初创企业，由麻省理工的博士胡启朝一手创办，也是2008年新能源行业井喷后的产物。

　　在11月初举办的首届SES BatteryWorld上，SES发布了全球首款容量＞100Ah的大型锂金属电池Apollo，明年就能推出样品，而2025年将会正式量产。

　　这造型，像不像刀片电池？

　　从时间来看，这非常符合一个外企对于开发时间严谨的态度，也是为了跑完为期5年的测试流程。

　　但要说这是个PPT期货，也的确一点都没错

　　。

　　从电芯的参数上看，Apollo 417Wh/kg的重量能量密度和935Wh/L的体积能量密度已经接近固态电池，差不多是现款锂离子电池的一倍左右。

　　但对于最重要的安全问题，SES却采用了一种另辟蹊径的特殊方案，似乎是把电池自燃的问题扼杀在了萌芽中。

　　硬件层面，SES研发了一种高浓度的锂盐电解液，作用是改变锂枝晶的微观形状，从尖头的“树杈”变成圆头的“挖耳勺”，避免直接刺穿；

　　此外还在电镀负极表面的时候使用添加剂，从而在负极锂金属的表面形成一层光滑的保护膜，减缓锂枝晶的生长速度。

　　软件上，SES的Avatar电池监测软件会从原材料和生产检测开始，再结合充放电状况和使用工况等信息，模拟出一个和实体电池包非常接近的“虚拟电池包”。

　　这个虚拟电池包就像提前探路的清扫机器人，给真正的电池包开路。一旦发现锂枝晶即将长到危险的形态，会提前几个月就进行预警，确保电池系统的安全。

　　据悉，这款电池包将在上海嘉定国际汽车城的超级工厂进行量产，计划于2023年前后投产，年产能1GWh，差不多是宁德时代的1%。

　　在完成所有的测试之后，将会主要供应给通用汽车和现代起亚。

　　至于为什么会是通用汽车和现代起亚，社长还特意查了一下，却发现了一个SES的惊天大秘密。

　　早在2013年，SES就已经拿到了450万美金的A轮融资，随后的BCD轮更是一共拿到了1.81亿美金。最近和艾芬豪资本收购公司合并之后，很快就会在纽交所正式上市。

　　目前预计的估值，是36个亿。

　　而SES背后的投资人，正是包括通用、现代起亚、SKI、淡马锡、天齐锂业、上汽集团这种汽车圈里的大佬级企业！

　　所以SES和通用、现代起亚走得那么近，也就不足为奇了。

　　在这些投资人里，天齐锂业作为一家锂电池核心材料供应商，控股SES就等于控股下游企业，或许还可以理解。但SKI明明和SES是竞争关系，为什么还要控股？

　　针对这个问题，社长走访了一下行业内的工程师，也求证了一下胡启朝本人。

　　最终得到的答案是，这种大型电池供应商工作项目很多，重心往往会放在降低成本、提高效率上，对于不能立刻商业变现的项目投入不会很大，基本只会在千万级别。

　　相比之下，这种新型电池技术就是一家初创企业赖以生存的根基，孤注一掷也要把新技术量产出来。

　　从生产的角度来讲，SES的锂金属电池和普通锂离子电池的生产工艺非常类似。正极、隔膜、外壳都相同，有所区别的仅仅是电解质和负极材料，这部分不会增加成本。

　　但目前Apollo电池大规模量产的最大挑战在于这一大片又薄又长的锂金属负极，但有了天齐锂业的合作关系，应该不会很难。

　　锂金属电池制造的单位成本肯定会比普通电池要高，但整体应该还是处于可控范围之内。

　　04. 写在最后

　　其实在采访胡启朝本人的时候，社长还问了一个比较私人的问题。

　　“如果假设现在SES已经超额完成目标，启朝也已经功成名就了，下一步你会怎么选？”

　　“是会像马斯克一样，换一条新的赛道继续前进，还是有其他的人生目标？”

　　而胡启朝本人的回答是，“我希望能够在3-5年内把SES好好做起来，从上游的原材料开始整合，降低电池的成本。”

　　“等到SES跑起来之后，我个人希望能够借助SES的力量，去打造飞行汽车。”

　　或许像马斯克、何小鹏、胡启朝这样的“大男孩”，都有一个心中的飞行梦吧。

　　我们现在的确无法看到飞行汽车能够展翅翱翔，或许我们这辈子都见不到电动火箭飞上太空。

　　但社长相信，在这些理想主义者的带领下，用不了几年，未来的生活会发生天翻地覆的变化。

　　过去的几年如此，未来的几年同样如此。