一個技術路線成為主流，需要資本與市場的持續支援。
文丨李梓楠
編輯丨王海璐
美國橡樹嶺國家實驗室 1990 年就造出了固態電池，充放電上萬次不衰竭，充滿電只要幾分鐘，且能量密度超過 700Wh/kg，是現在液態鋰電池的 2。5 倍。但在此後的 30 多年間，可以大規模量產的固態電池都沒有出現。
研發了 30 多年固態電池的豐田汽車，給出的量產時間線是 2025 年。中國的創業公司們在這一極難突破的技術路線上普遍選擇折中方案——做半固態電池。
蔚來 2021 年初就宣佈要在其新車 ET7 中搭載 150kWh 半固態電池，實現 1000 公里續航里程。《晚點 Auto》瞭解到，蔚來預計將於今年9月收到供應商提供的小批次半固態電池，四季度量產這款車。
為其提供半固態電池的是有中科院物理所背景的 “北京衛藍”，成立於 2016 年。早期這家公司並未受到資本的廣泛青睞，其投資方多為國資背景的能源公司。但與蔚來合作後，其估值一路增長至 160 億元。在今年 3 月的一輪融資中，小米、吉利汽車和華為哈勃也進來了。一位接近北京衛藍的人士透露，該輪融資有超過 40 家機構發出邀約，但最終只有 10 家機構投資成功。
除北京衛藍外，清陶能源、太藍新能源、高能時代、恩力動力等數十家初創固態電池公司也先後獲得融資，這些公司多數都只有量產計劃，沒有產品，沒有客戶也沒有訂單，但估值可以超過 20 個億。
車企的選擇攪動了巨頭獨攬的動力電池產業。投資人渴望投出下一個寧德時代，創業者也夢想成為下一個寧德時代。在他們口中，寧德時代被稱為 “傳統鋰電公司”，是需要被顛覆的舊勢力。
一個技術路線不會憑空出現，成為主流，它需要資本與市場持續支援。除蔚來汽車外，動力電池公司國軒高科、孚能科技及鋰電池材料供應商贛鋒鋰業都宣佈在 2022 年實現半固態電池裝車。
始終有人認為，半固態電池是過渡路線。既不具備全固態電池的安全性，又面臨與液態電池的成本和效能競爭。近幾年液態電池的結構創新不可忽視，搭載 150kWh 電池包的蔚來 ET7 可以達到 1000 公里續航里程，而寧德時代上個月剛剛釋出的麒麟電池，也計劃做到 1000 公里。
截至目前，寧德時代、比亞迪、松下等電池巨頭均未釋出半固態電池計劃。對於這些液態電池巨頭而言，採用過渡性方案既會顛覆現有的基本盤，也無法滿足長遠發展的需要。
但技術路線的站隊已經開始。
液態電池快到極限
過去幾年，車企和動力電池廠商提高能量密度主要是靠改進電池結構實現的。
比如特斯拉的圓柱電池，單體圓柱電芯越做越大，直徑從 18 毫米擴到 46 毫米，高度從 65 毫米增加到 80 毫米。相應的，一塊電池中所需電芯的個數，則從 7000 節縮減到 1000 節。透過提高成組效率，減少了空間浪費，整車續航里程提升了 16%。
比亞迪的刀片電池、寧德時代的 CTP（Cell To Pack）電池的演化路徑與之類似，都是拿掉模組，把容量更大的電芯直接整合到電池包裡。透過結構改進，把能量密度從 160Wh/kg 提升到 200Wh/kg。
寧德時代上個月釋出的麒麟電池是這一路線的最新成果。寧德時代首席科學家吳凱表示，麒麟電池將電池包的體積利用率從 56% 左右提升至 72%，搭載麒麟電池的新能源汽車，續航里程可以超過 1000 公里。
電池結構改進的下一代形態，是把電芯直接整合到電動車的底盤上，特斯拉和寧德稱之為 CTC 技術（Cell To Chassis ，電池整合到底盤），比亞迪稱之為 CTB（Cell to Body）。
特斯拉 Model Y 是全世界第一款應用 CTC 技術的車型，其新款 Model Y 把 1000 多顆 4680 電池整合到底盤上，續航里程達到 600 公里。比亞迪的第三代電動車平臺（e 3。0 平臺）也採用了類似技術，把刀片電池整合在底盤的上蓋中。
寧德時代早在 2019 年就宣佈要做 CTC 電池，且位元斯拉、比亞迪更進一步，把電機、電池、電控等系統全部整合到底盤。今年 4 月，華為智慧汽車解決方案 BU 智慧車控領域總經理蔡建永離職加入寧德時代，為這一專案的負責人。
相比於結構上的創新，電池材料上的改進相對緩慢。
上一次電池材料體系的階梯式更替，是鋰電池出現並替代鉛酸電池。也正因為鋰電池應用，我們才得以告別 “大哥大”，用上體積更小的手機。
特斯拉 2008 年把松下的 18650 電池從膝上型電腦中挪到汽車上，比亞迪也在同期把磷酸鐵鋰電池裝進汽車。這奠定了今天電動車的主流材料技術路線，此後的材料改良都是漸進式的。
2020 年以前，寧德時代、LG 新能源等電池公司都習慣提高三元鋰正極中活性材料的佔比以增加能量密度。寧德時代在 2019 年將三元鋰正極中的鎳含量從 33% 提升至 80%，造出 NCM 811（鎳鈷錳三種材料的配比為 8：1：1）電池，能量密度較 NCM111 電池提升 17%。
但增加高活性材料，會在一定程度上犧牲電池安全性。高鎳電池在正極鎳含量超過 90% 後，電池的熱穩定性和容量保持率會迅速下降，更容易熱失控和衰減。
2020 年下半年，搭載寧德時代 811 電池的廣汽埃安 S 車型多次自燃。另一家選擇高鎳三元鋰路線的 LG 化學因自燃事件在 2021 年召回近 7 萬輛汽車，被通用汽車索賠 10 億美元。
前述工程師告訴《晚點 Auto》，目前市場上絕大部分高鎳電池都無法透過針刺實驗（模擬汽車碰撞電池包受損的情景），“一紮就爆”，高鎳三元電池安全性問題暴露後，多數新能源車企開始迴歸保守，轉而使用中鎳 523 及 622 電池。
透過調整配比改進正極材料的路線已經快走到盡頭。三元鋰電池的理論比容量上限是 275 mA·h/g，目前實驗室環境中的 NCM 90。0。5 （鎳鈷錳三種材料的配比為 9：0。5：0。5 ）電池的比容量是 230 mA·h/g。磷酸鐵鋰材料早在 2018 年時比容量已達到 150 mA·h/g ，接近理論極限 170 mA·h/g 。
2022 年 7 月，寧德時代釋出磷酸錳鐵鋰電池，在磷酸鐵鋰正極中加入錳材料，比容量達到 165mA·h/g ，幾乎把磷酸鐵鋰電池的效能推向極限，只存在理論上的最佳化空間。
固態電池 30 年沒有量產
電池行業一直知道更好的材料是什麼——鋰金屬。但與液態電池中的鋰化合物不同，鋰以金屬形態存在時極其活潑，易與電解液中的鋰鹽發生化學反應，引發熱失控，需要與固態電解質搭配，也就是我們常說的固態電池。
在固態電池發展早期，學界認為這是電池的終極方案。它不易燃、且能量密度能達到 700Wh/kg ，是現在鋰離子電池的 2。5 倍。
1970 年，松下造出了鋰金屬一次電池，但無法迴圈充電。1988 年，加拿大的 Moli Energy 量產了鋰金屬的可充電電池，比鋰離子電池量產早了三年。但 Moli Energy 的電池量產後出現多次起火爆炸事故，不得不大規模召回。彼時日本的電池巨頭索尼、三洋和松下相繼決定終止鋰金屬固態電池的開發，三井集團決定永遠放棄鋰金屬固態電池路線。
這之後的十多年裡，除豐田汽車外，只有高校的實驗室仍在研發固態電池。電動車市場的爆發，也推動了電池行業的發展。中國企業在六、七年前開始研發固態電池。中科院的科學家們下海創業，在海外深造的華人科學家回到中國加入龍頭公司。
清華大學的南策文在 2014 年創立清陶能源。2015 年，在美國橡樹嶺國家實驗室深造十多年的梁成都加入寧德時代。同年，贛鋒鋰業開始入局動力電池業務，將固態電池視作核心目標，並在兩年後挖來了中科院寧波材料所的研究員許曉雄。中科院物理所研究員李泓和院士陳立泉在 2016 年成立北京衛藍。
固態電池研發是一個基於已知配方解決製備、製造難題的事情，技術壁壘依靠不斷的試錯積累。
日本的豐田、日立造船等公司在過去 30 年嘗試了數萬種電解質配方，挑選出幾十種材料應用到電池中，其他公司解決的是，如何將這幾十種材料更好地應用在電池中。
按照材料體系劃分，目前固態電池可以分為三種技術路線。日韓押寶硫化物體系，歐洲主要為聚合物路線，中國則以氧化物為主。
這三種技術路線都存在相應的基礎缺點。聚合物電解質需要加熱到 60℃才可以獲得足夠的導電率；氧化物電解質中鋰離子的電導率比液態要低很多；硫化物電解質中的鋰離子導電率跟液態相近但是易氧化產生有毒氣體。
法國的 Bollore 在 2012 年就把聚合物電池做到城市巴士中。因為聚合物需要加熱到 60 攝氏度才能正常運作，Bollore 還在電池包中加入了特有的加熱元器件。
因高昂的成本和與液態電池不相上下的能量密度（聚合物電池能量密度在 150Wh/kg，當時的磷酸鐵鋰電池能量密度約為 140Wh/kg），Bollore 的方案最終沒有大規模推廣。
2012 年豐田釋出硫化物固態電池前，全世界的公司都在做氧化物和聚合物的固態電池。彼時，困擾業界的主要問題是，聚合物和氧化物路線電池導電率都遠低於液態電池。豐田的硫化物電解質，讓固態電池電導率首次超過液態電池。
豐田的固態電池概念車
在 Alca Spring， Rising2， Solid EV 等國家專案中，日本聯合了 38 家研發機構，包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司，大學一起做硫化物體系全固態電池研發。
硫化物是上限最高也是最難的一條固態電池技術路線。即使是擁有全世界近三分之一硫化物電池專利的豐田，在裝車這件事上也跳票過。
早在 2017 年 12 月，豐田就表示將在 2020 年初開始生產固態電池。“2018 年，豐田固態電池的樣品裝車只能充放電 50 次，當時液態電池的充放電壽命是 2000 次左右。” 一位曾在豐田固態電池部門工作近十年的工程師對《晚點 Auto》表示。
因無法解決氧化物電池的離子導電率等問題，固態電池公司 SES 在 2015 年放棄全固態電池路線，開始研發半固態電池。“做科研的人說話不會太絕對，但全固態電池很難做出來，我們遇到的問題是基礎性的化學問題，這類問題不是可以靠時間去解決的。” SES 創始人胡啟朝對《晚點 Auto》說。
可以肯定的是，未來 5 年全世界不會有固態電池大規模量產。“一個新的電池要在 5 年內量產，那現在就要有成型的產品配方，在 2 年內擁有千噸級的電池材料產能，然後擁有 1GWh 的產線，最終擴充套件到 10GWh 以上的年產能，目前連豐田都沒確定電池材料的配方。” 某固態電池公司的科研人員對《晚點 Auto》表示。
還有人懷疑，固態電池未來是否真的會大規模應用在汽車上。過去行業普遍認為，電動車的續航里程達到 1000 公里，必須要切換固態電池。而如今，寧德時代的麒麟電池已經做到 1000 公里，超過大部分燃油車（800 公里）。
未來全固態電池的價值可能主要體現在輕量化和安全性上。但推廣這一技術，需要對現有電池產業進行顛覆性地改造，成本極高。這導致固態電池即便攻克了研發和工藝上的難題，也很難媲美液態電池的成本優勢，而車企未必會願意為了輕量化和提升安全性支付重金。
半固態，科研向產業妥協
電池的研發與其他產品不同，用的是窮舉法，不像寫程式碼那樣確定。科學家們無法無中生有，需要從現有的物理世界中選取最適合電池的元素及化合物放到電池裡。
成功是機率性事件，寧德時代等公司選擇佈局多種路線，用更大的基數去增加可能性。
電池領域的初創公司無法像寧德時代這樣押注多個路線，投資人不允許他們在基礎化學難題上冒險，這些公司多數選擇一個更容易商業化的路線——半固態電池，迎合了車企對電池安全性的追求，同時也更容易量產。
QuantumScape 的電池樣品
從材料上說，目前半固態電池主要分為三種路線——石墨負極、矽基負極和鋰金屬負極。其中鋰金屬負極能量密度最高，但量產難度也最大。
中國四家頭部固態電池公司——北京衛藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、輝能科技，其量產產品都是以高鎳三元為正極材料，氧化物半固態電解質、矽基負極的半固態電池。
其中北京衛藍和寧波鋒鋰（贛鋒鋰業關聯公司）都宣佈在 2022 年量產半固態電池；上汽投資的清陶能源還未披露時間線；拿到賓士訂單的輝能科技計劃於 2023 年量產。
當蔚來汽車 2021 年初宣佈將在蔚來 ET7 上搭載 150 度半固態電池時，行業對半固態石墨 / 矽基電池的看法發生改變。電池公司要面對的終極問題是，車企願不願意買賬，其他的都不重要。
從效能上看，北京衛藍等公司選擇的矽基負極半固態電池較現有液態電池提升並不明顯。矽基負極半固態電池的能量密度為 360Wh/kg，現有的液態電池能量密度為 300Wh/kg。與液態電池相比，半固態電池安全性提升有限，採用半固態電解質後電池內阻增加，會導致電池極化問題，最終影響電池迴圈壽命和安全性。
在成本上，半固態電池也有很多挑戰。“按照一年裝車 10 萬輛計算，石墨半固態電池成本是現有液態電池的 3-4 倍，矽基負極成本更高。” 某初創電池公司董事長對《晚點 Auto》說，依照目前液態鋰電池 10 萬元的單車成本計算，售價 100 萬以上的車才能消化半固態電池的成本。
高成本來自於更難的製造工藝及材料成本。電池的生產環節中有塗布環節，成熟的液態電池生產線塗布的速度為每分鐘 70-80 米，而半固態電池的塗布效率約為每分鐘 60 釐米。
複雜的工藝帶來的良品率問題也進一步推高半固態電池量產的成本，一位知情人士表示，北京衛藍半固態電池的生產線良品率低於 50%。此外，半固態氧化物所需的鋰鑭鋯氧材料，目前還沒有供應商大規模量產。
對此，接近衛藍的人士對《晚點 Auto》表示，衛藍所需的電池材料均有量產的供應商，預鋰化塗布工藝的效率 “有提升空間”。
胡啟朝認為，石墨負極和矽基負極的半固態電池只是過渡技術，鋰金屬負極半固態電池才有是長期穩定的方案。
想要提高電池能量密度，關鍵在於用鋰金屬負極代替石墨負極，而不是電解質的材料。在半固態電池採用鋰金屬負極時，電池的能量密度可以突破 450Wh/kg，對應的裝車續航可突破 1500 公里。目前韓國的 LG 新能源、 SK 和 SES 都在探索這一路線。
目前這一路線的難點是：採用金屬鋰負極的電池在充放電時會在電池內產生鋰晶體，即 “鋰枝晶”，當晶體生長到一定程度時會刺穿電池，引發安全問題。
此外，鋰金屬電池同樣面臨高昂的成本。鋰金屬材料因活性高易與空氣中的水分發生反應，需要在真空或惰性氣體中製造，成本極高。目前鋰金屬材料的市場價為 300 萬元 / 噸，約為碳酸鋰的 7 倍。
目前中國四家固態電池公司，都選擇做矽基負極的半固態電池。原材料成本上升有限，同時製造工藝也與現有液態電池貼近。前述接近蔚來的人士透露，蔚來汽車向衛藍採購的半固態電池價格較現有液態電池沒有明顯增高。
也有人認為，半固態電池既達不到全固態電池的能量密度、安全性，也沒有鋰離子電池的成本優勢，是資本和電動車軍備競賽共同催生的投機品。
一位接近寧德時代的人士對《晚點 Auto》表示，寧德時代內部關注了除半固態電池外所有的技術路線，“其他公司折騰好幾年做的半固態電池的效果，寧德時代認為他們改一下液態電池結構或者電控也能達到。” 他說，蔚來汽車用 150 度半固態電池做 1000 公里續航，寧德時代的麒麟電池也可以。
下一代電池技術是什麼
寧德時代內部對動力電池效能考核有 6 個要素：能量密度、安全性、成本、充電速度、耐溫性和良品率。這 6 個要素決定了一塊電池能否被市場認可。
“電池是否是固態以及用的什麼電解質，對車企來說並不關鍵，他們只看電池的效能資料。” 前述宇通客車人士說。
汽車製造問題解決的難度不低於航天領域。航天領域可以不計成本研發，但汽車需要可控的成本，需要電池能在汽車上使用 8 年不衰竭。
手機等 3C 產品對電池充放電壽命的要求約為 600 次，無人機則是 200 次，不考慮造價的情況下，現有的固態電池樣品可在效能上滿足使用要求。但在汽車領域，國標對動力電池的壽命要求是 1000 次以上。且僅達到國標的固態電池，是無法與充放電壽命超過 3000 次的鋰電池競爭的。
雖然多個公司官宣固態 / 半固態電池的量產裝車時間線，但這些路線與液態電池相比都依然存在短板或技術難題。
是否要選擇更冒險的方案，是當下車企需要面對的問題。同樣為了達到 1000 公里續航，蔚來汽車選擇和扶持北京衛藍走半固態電池路線，而理想汽車、哪吒汽車等車企則選擇用寧德時代的麒麟電池。
續航里程也不再是車企選擇電池的首要考慮因素。特斯拉、小鵬和理想都在大力發展超快充技術，用 800V 的高壓平臺搭配 4C 電池，目標是做到 10 分鐘充電 80%。
4C 電池的關鍵是正負極材料和工藝。目前液態和固混電池都可以做成 4C 標準。
一位電池公司的高階科研人員認為，未來 5 年市場上最有競爭力的電池是：600 公里續航、可搭配 800V 高壓平臺的電池，和 1000 公里液態 / 混合固液電池。
在電池的選擇上，車企和電池廠都會承擔相應的風險。動力電池量產裝車需要經歷 ABC 樣品階段，A 樣品是單個電芯的測試，B 樣品是電池成組後的電池包測試，C 樣品是裝車測試，每個階段都需要一年左右的時間。
車企會負擔電池測試的費用，每個環節都超過 1 億元。更有野心的車企還會選擇與電池公司合資建工廠，年產能 1GWh 的半固態電池產線建設成本是 4-5 億元。如果選錯技術路線，意味著這些投入都白費了。
對於電池廠而言，代價更大。因為車企最終只會選擇價效比最高的電池大規模量產，以增加產品的競爭力，與液態、固態、半固態技術路線無關。如果半固態電池無法超越液態電池的效能和成本優勢，很難大規模普及。
如果半固態真的是液態電池的下一代技術，那麼今天電池行業的巨頭也不會視而不見。這場競賽沒有先發優勢可言。一位半固態電池從業者說，“如果寧德時代在半固態電池的方向上全力投入，3 年就可以追上我們。”
