造車熱背後，電池革命也時常被人所提及。遺憾的是，多年過去，好像誰的命也沒被革成。

去年 10 月，一家名叫 QuantumScape 的美國固態電池新創公司宣稱：“我們的新型電池不但能讓電動車續航翻倍、15 分鐘完成充電工作，甚至還比現有的鋰電池更為安全。”

三個月後，大洋彼岸的中國，蔚來則在 NIODay 上釋出了一款續航超 1000km 的車型。他們號稱會配備固態電池技術，2022 年第四季度正式開賣。

或許，QuantumScape 和蔚來真可憑藉固態電池帶來一次真正的技術革命，但在實現這一目標之前，尚需瓦解鋰電池建立的幾十年的統治地位。

1

電池革命為何遲遲不來？鋰電池為何能夠統治業界超三十年卻屹立不倒？

答案比較簡單：打造新型電池的化學方程式尚未出現。

“自 18 世紀以來，電池的基本概念從未發生改變。”悉尼大學化學家、Gelion Technology 的創始主席 Thomas Maschmeyer 教授說道。

所有電池的主要構件無外乎三個：正極、負極、電解質（起催化劑作用）。

在上述三大元素不可改變的大前提下，如果業界想要實現革命性的技術突破，就必須對電池的化學成分做出調整。

過去幾十年來，電池研究者們在元素週期表上可沒少下功夫，目的則是能夠找到代替鋰電池的新型化合物。

主要路線分為兩種：

一、研發超越鋰電池能量密度的新型電池，比如固態電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。

二、在已有電池中新增更多元素，如鈉離子、鋁離子和鎂離子電池。

不過，改變電池化學成分說起來容易做起來難，解決一個問題的同時可能會帶來多個新問題。

最主要的原因是電池在化學反應中會產生能量。

以常見的鋰離子電池為例，它們會用到石墨負極和金屬氧化物正極（通常是鈷、鎳、錳、鐵或鋁），而電解液則是有機溶劑中的鋰鹽。

當鋰離子電池通電時，負極與電解液中的鋰發生反應，產生電子積聚在負極周圍，正極發生化學反應後就會吸引這些電子，產生電子流。

這一過程被稱為還原—氧化過程。（也就是化學課上學的 “氧化還原”反應。）

於一次性電池（比如遙控器裡的 AA 電池）來說，電子流只需朝著一個方向工作。

但在充電電池上，電子流的運動過程就變成可逆的了。也就是說，在正極和負極之間穿梭的電子必須買張 “往返票”，而且不會消耗或破壞活性化學物質。

鋰離子電池之上，氧化還原反應簡直是教科書級別的。在電池材料開始退化之前，電子可以雙向移動，實現數千次迴圈。

可惜的是，這世上萬事皆有缺憾：充放電迴圈會產生微小的金屬晶須（被稱為樹突），這些晶須會穿過電解液，縮短電池壽命。

在極少數情況下，鋰離子電池還會起火（想想當年出現燃損事故的 Note 7）。

那麼，如果換種成分，將鋰換成鎂呢？後者更容易開採，而且能夠達到類似的能量密度。

事實證明：鎂離子電池理論沒問題，實踐一團糟。

對鋰有效的化學反應對鎂不起作用，而且對鈉、鋁或任何其他體系都不起作用。在鋰離子電池中，鋰可以通過嵌入的過程擴散並穩定在石墨負極內，但鎂不行。

它不但無法穩定在負極之內，鎂還會在負極發生反應，形成固體電解質介面膜（SEI），進一步阻礙鎂離子在電極和電解液之間的擴散。一旦這層介面膜出現，電池效能會迅速下降。

鎂元素遭遇的問題並不罕見，不少要將鋰元素打下神壇的化學成分都能實現充放電功能，但做得都不夠完美。

顯然，擴散能力弱意味著鎂離子電池無法儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實現了高能量密度，但在穩定性方面存在問題。

至於鈉，雖然它是地球上儲量最為豐富的化學元素，但鈉離子電池能量密度很低，根本無法用於消費電子產品或電動車。

這麼多鋰電池的變體中，唯一投入市場的恐怕只有鋰硫電池了。

這項技術被人們所期待的最主要原因是：它能將電池能量密度提到傳統鋰離子電池的 5 倍。

不過，鋰硫電池也不完美，因為鋰和硫會發生化學反應，產生多硫化鋰。這種物質的溶解度很高，能擴散到電解液中並穿過分隔正極和負極的隔膜。

多硫化鋰可不是人們想要的氧化還原反應，因為它會覆蓋負極並使其鈍化，隨後就是容量的迅速降低，直至電池最終罷工。

這個過程叫做多硫化物重組，二十多年來，它讓研究人員們傷透了腦筋，儘管做了大量改善工作，但仍然難以找到商業化落地的變通方法。

2

當所有研究人員都一籌莫展、難尋進步通道時，固態電池登場了。

何為固態電池？它拋棄了傳統電解液，轉而使用固態電解質，而新的電解質則是固態電池的核心。

除了能夠做好自己的本職工作，固態電解質還能一併扮演隔膜的角色。

固態電池正極材料選擇上，高電壓型電極材料就可勝任；至於負極，則可用到鋰金屬，以實現能量密度的大飛躍。

固態電池事實上並非新鮮事物，其研發程序開始於上世紀五十年代，最近幾年因為電池革命需要被迫走上前臺。

相比於傳統鋰電池，固態電池有幾大優勢：

一、安全性更好；

二、體型更加輕薄；

三、能量密度更高；

四、生產製造難度更低。

通常，動力電池系統需要先生產單體，單體封裝完成後將單體之間進行串聯組裝。若先在單體內部進行串聯，則會導致正負極短路與自放電。

固態電池電芯內部不含液體，可實現先串並聯後組裝，減少了組裝殼體用料，封裝設計得以大幅簡化。

從理論上來講，量產電動車中最強的 21700NCA 三元鋰電池電芯（特斯拉使用），其能量密度也只有 251Wh/kg。

業內人士認為，300Wh/kg 將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。

至於固態電池，其能量密度有望達到 400-1000WH/kg，這可大大緩解電動車使用者的里程焦慮。

此外，它的應用還能拉低電池組甚至整車的成本。

由於固態電池已經沒有燃燒或爆炸之憂，BMS 等溫控元件（這也是特斯拉的強項）可以徹底退役，無隔膜設計還能進一步為電池系統減負。

利好無數，但固態電池想從實驗室量產上車可不簡單。

眼下，固態電池仍存不少問題，譬如離子電導率低、高介面阻抗等。

此外，即使解決了材料問題，電池標準化製造等問題也會凸顯出來。

當年的鋰離子技術比較幸運，它在 CD 機替代卡帶時誕生，而儲存介質的轉換讓不少索尼的薄膜工廠閒置了下來。

當日本人意識到這些薄膜工廠能助鋰電池一臂之力時，原本過時的產能又被重新啟用。

也就是說，鋰電池誕生之初，就已經做好了規模化量產的準備。

相比之下，固態電池的情況大不一樣。

“這是完完全全地打掉重來，量產之前必須放棄過去 30 多年所建成的電池工廠和技術，因為固態電池與此前的技術儲備毫不相容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。

與此同時，今天鋰離子電池的普及經過了三十多年的量產迭代才能出現。

1994 年，最常用的 18650 型鋰離子電池的製造成本超過 10 美元，容量僅為 1100mAh。

到了 2001 年，價格降到了 3 美元，容量也躍升至 1900mAh。

今天，此類電池已經有了超過 3000mAh 的容量，而且成本還在持續下降。

“沒有人會與價效比過不去，鋰離子電池至少還能統治整個行業 10 年時間。”某電池專家認為。

電池行業發展與成本息息相關，而成本與規模更是緊密相連。鋰離子電池在擁有如此良好開局的情況下，依然花了 15 年時間才從高度專業化的產品進化成大眾市場產品。

對於那些號稱要在幾年內徹底顛覆整個電池行業的新技術，不少人仍然持懷疑態度。

從股價上，我們也能看出一些端倪。

作為固態電池界的明星公司，QuantumScape 手握 200 多項固態電池專利，市值曾一度衝高至 500 億美元，但從去年年底到現在已經跌掉了一大半。

有人指出，雖然 QuantumScape 技術不錯，但他們拿出的樣品電池比蘋果手錶的電池都要小，而且從未走出過試驗室。

在研究了公開的技術檔案後，不少人認為 QuantumScape 也許最終能將固態電池推向市場，但恐怕很難滿足車用要求，而且價格會非常昂貴。

眼下，業界普遍認為，固態電池真正落地時間會在 2025-2030 年之間。

事實上，目前已有不少巨頭或多或少投資了一些固態電池新創公司。

福特、寶馬與現代就聯合投資了名為 Solid Power 的新創公司，本田則選擇與 NASA 及加州理工合作，試圖研究出可將能量密度提升 10 倍的新產品（不過該專案依然在用電解液）。

通用方面，不但拿到了美國能源部的 200 萬美元獎勵，還攜手 LG 化學投資 2 億美元繼續開發固態鋰電池，為旗下雪佛蘭 Bolt 電動車提供彈藥。

與福特建立同盟關係的大眾則向美國固態電池新創公司 QuantumScape 投資 3 億美元，不過它們的生產線 2024 年才能建成（1gWh），而 2026 年第二座工廠才會成型（20gWh），至於大規模量產要到 2028 年了。

相比之下，豐田走得最快，它們此前準備趁著東京奧運會發布一款搭載固態電池的電動車（已跳票）。不過，量產恐怕要再等五六年。

除此之外，豐田還聯合本田、日產與松下組建了一個日本固態電池研發聯盟，預計 2030 年能將電動車續航做到 500 英里（約合 804 千米）。

有趣的是，松下曾表示固態電池未來十年內都難以投入商用。

也許，在固態電池來臨之前，鋰電池可能還會統治業界一段時間。比如昨天小鵬又最新發布了他們基於磷酸鐵鋰電池版本的 P7 及 G3。

3

理論與實踐有時候不太同頻。

假設固態電池真的能夠快速落地，實現了某些廠商聲稱的 1000KM 續航，關於電動車，人們還會有其它焦慮嗎？

當然有，而且還不少。

譬如充電速度、充電站建設，充電站背後的電網設施等等。

英國華威大學的 David Greenwood 教授表示，電動汽車的成功取決於無處不在的充電網路和更快的充電速度。

先看快充技術，這裡首先還得明確試驗室技術與商用技術之間的差別，因為真正裝車後的產品就必須在極端的溫度、苛刻的駕駛條件和大功率快速充電等工況下接受考驗，而它們對任何技術而言都是巨大的挑戰。

另外，隨著電動車保有量的不斷增加，以及電動車商用化的深入，快充網路將變得越來越重要。

作為年發電量佔到全球四分之一的發電超級大國，電能倒不會成為制約中國電動車發展的瓶頸，其真正挑戰在於配電設施、佈線和變電站等。

“從技術角度來看，已經有不少公司拿出了實驗室技術，但如何大規模工業化是個大問題，而按照以往經驗，這個過程至少需要 5-8 年。”某從業人士談到。