原創(chuàng)|苗正 編輯|Cong
6月以來,新能源汽車圈因“固態(tài)電池”而再次沸騰。先是小米汽車宣布其獲得了固態(tài)電池相關(guān)專利,緊接著行業(yè)龍頭比亞迪也被傳聞將在新款旗艦車型中率先搭載固態(tài)電池。盡管這些消息大多仍處于“傳聞”或“遠(yuǎn)期規(guī)劃”階段,但資本市場(chǎng)的熱烈反應(yīng)和公眾的廣泛關(guān)注,足以證明這項(xiàng)技術(shù)承載了多么巨大的期待。
我們經(jīng)常聽到固態(tài)電池將帶來“1000公里續(xù)航”、“10分鐘充滿”等顛覆性的宣傳。但它究竟是什么?為什么它被譽(yù)為下一代電池技術(shù)的“圣杯”?要理解這一切,我們得先從我們手機(jī)和電動(dòng)車?yán)镒畛R姷匿囯姵卣f起。
我們目前使用的鋰電池,就像一個(gè)微型的“游泳池”。這個(gè)池子里有四個(gè)核心角色:
正極(Positive Electrode):鋰離子的“度假村”。充電時(shí),鋰離子們都得離開這里。
負(fù)極(Negative Electrode):鋰離子的“工作站”。充電時(shí),鋰離子們被迫來到這里儲(chǔ)存能量。
電解液(Electrolyte):連接“度假村”和“工作站”的“游泳池水”。這是鋰離子來回移動(dòng)的唯一通道,它是一種有機(jī)液體。
隔膜(Separator):一張布滿微孔的特殊塑料膜,它將正極和負(fù)極物理隔開,防止它們直接接觸導(dǎo)致短路“打架”,但又允許鋰離子自由“游泳”穿過。
那么整個(gè)的充電過程,就像是把無數(shù)的鋰離子(Li?)從正極這個(gè)“度假村”里趕出來,強(qiáng)迫它們游過電解液,穿過隔膜,最終嵌入到負(fù)極的“工作站”里儲(chǔ)存起來。當(dāng)負(fù)極塞滿了鋰離子,電池就充滿了電。
而放電過程(也就是我們使用手機(jī)或開車時(shí)),則正好相反。負(fù)極的鋰離子們自發(fā)地、爭先恐后地游回正極“度假村”,在這個(gè)過程中釋放出電子(e?),電子通過外部電路流動(dòng),就形成了電流,驅(qū)動(dòng)我們的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。
科學(xué)家們把這個(gè)過程稱為“搖椅式電池”,因?yàn)殇囯x子就像坐在搖椅上一樣,在正負(fù)兩極之間來回?fù)u擺,實(shí)現(xiàn)了能量的儲(chǔ)存和釋放。
這個(gè)“游泳池”模型雖然很成功,并支撐起了整個(gè)消費(fèi)電子和新能源汽車的時(shí)代,但它的先天缺陷也越來越明顯。
最大的問題在于電解液。這種有機(jī)液體是高度易燃的,就像汽油一樣。而隔膜只是一層薄薄的塑料,如果因?yàn)榕鲎病⒋┐袒蛘唠姵剡^熱導(dǎo)致隔膜破損,正負(fù)極就會(huì)直接接觸,引發(fā)劇烈的化學(xué)反應(yīng)和瞬間短路,我們稱之為“熱失控”。這會(huì)導(dǎo)致電解液燃燒,電池起火甚至爆炸。近年來頻發(fā)的新能源車自燃事件,很大一部分原因都與此有關(guān)。
電池能裝多少電,取決于它的“能量密度”。傳統(tǒng)鋰電池為了安全,負(fù)極通常使用石墨材料,正極材料的選擇也受到很多限制。這就像“工作站”的工位有限,“度假村”的房間也有限。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展,傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的能量密度已經(jīng)接近其理論天花板,很難再有質(zhì)的飛躍。想要更長的續(xù)航里程,最簡單粗暴的辦法就是堆電池,但這會(huì)增加車重、侵占車內(nèi)空間并大幅推高成本,得不償失。
人人都想要閃電般的充電速度。但對(duì)于液態(tài)鋰電池來說,充電太快是個(gè)危險(xiǎn)的游戲。如果電流過大,鋰離子們來不及有序地嵌入負(fù)極“工位”,就會(huì)在負(fù)極表面“扎堆”,形成一種針狀的結(jié)晶,叫做“鋰枝晶”。
這些鋒利的晶體就像匕首,會(huì)不斷生長,最終刺穿脆弱的隔膜,同樣導(dǎo)致內(nèi)部短路和熱失控。因此,現(xiàn)在的快充技術(shù)都帶著“鐐銬跳舞”,通過復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)(BMS)嚴(yán)格控制溫度和電流,以犧牲一定的充電速度為代價(jià)來換取安全。
面對(duì)液態(tài)電池的種種“煩惱”,科學(xué)家們提出了一個(gè)釜底抽薪的方案:如果“池水”是問題的根源,那我們把水抽干,換成固態(tài)的東西不就行了?
這就是固態(tài)電池(Solid-State Battery)的核心思想。
固態(tài)電池用一種固態(tài)的電解質(zhì),徹底取代了原來液態(tài)的電解液和那層隔膜。
這個(gè)固態(tài)電解質(zhì)是整個(gè)技術(shù)的靈魂。它必須像隔膜一樣,能夠有效隔離正負(fù)極;又必須像電解液一樣,能讓鋰離子在其中高效穿梭。那么原來供鋰離子游泳的“池水”,現(xiàn)在變成了一個(gè)由特殊晶體構(gòu)成的“分子隧道”或“離子高速公路”,鋰離子可以在這個(gè)固體的晶格中進(jìn)行跳躍式傳輸。
這一改變,帶來了全方位的、革命性的提升。
固態(tài)電池性質(zhì)穩(wěn)定,耐高溫,不怕穿刺,這就意味著它不會(huì)像傳統(tǒng)電池那樣發(fā)生起火、燃燒、爆炸現(xiàn)象。它既是離子通道,又是堅(jiān)固的“防火墻”,徹底隔絕了正負(fù)極。這就好比將游泳池的水換成了水泥,即使發(fā)生最嚴(yán)重的碰撞,電池也不會(huì)泄漏、不會(huì)燃燒,從物理層面根除了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
那么由于安全性大大提高,固態(tài)電池可以解鎖更“激進(jìn)”的材料體系。比如,負(fù)極可以直接使用金屬鋰,它的理論能量容量是傳統(tǒng)石墨負(fù)極的10倍以上。正極也可以采用更高克容量的富鋰錳基等材料。
這意味著,在同樣大小和重量下,固態(tài)電池能儲(chǔ)存的電量可能是現(xiàn)有電池的兩倍甚至更多。當(dāng)下的高端電動(dòng)車?yán)m(xù)航普遍在600-700公里,而換上固態(tài)電池后,輕松突破1000公里將不再是夢(mèng)想,徹底終結(jié)用戶的里程焦慮。
堅(jiān)固的固態(tài)電解質(zhì)可以有效抑制鋰枝晶的生長。沒有了這把懸在頭頂?shù)摹斑_(dá)摩克利斯之劍”,電池就能承受更大的充電電流。理論上,將一輛電動(dòng)車從0充到80%電量的時(shí)間,可以從目前的30-40分鐘,縮短到10-15分鐘,幾乎接近傳統(tǒng)燃油車的加油體驗(yàn)。
液態(tài)電解液在反復(fù)充放電中會(huì)與正負(fù)極發(fā)生副反應(yīng),逐漸消耗,導(dǎo)致電池容量衰減。而固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,副反應(yīng)少,因此電池的循環(huán)壽命更長。同時(shí),它對(duì)溫度的耐受性也更好,無論是在酷寒的冬季還是炎熱的夏季,都能保持穩(wěn)定的性能。
固態(tài)電池的普及,將徹底重塑新能源汽車的補(bǔ)能生態(tài),對(duì)現(xiàn)有的“充電樁”和“換電站”模式都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
固態(tài)電池的超快充能力,將讓“充電”的體驗(yàn)發(fā)生質(zhì)變。當(dāng)充電10分鐘就能增加數(shù)百公里續(xù)航時(shí),公共充電樁的利用率將成倍提升。如今節(jié)假日高速服務(wù)區(qū)排隊(duì)數(shù)小時(shí)充電的窘境將成為歷史。用戶不再需要為充電而刻意規(guī)劃行程,利用在商場(chǎng)購物、餐廳吃飯的碎片化時(shí)間,就能輕松完成補(bǔ)能。
這甚至可能改變用戶的充電習(xí)慣。對(duì)于沒有家充樁條件的用戶來說,公共快充站完全可以滿足日常需求,進(jìn)一步降低了擁有電動(dòng)車的門檻。
但是,咱還潑的冷水還是不能少。既然固態(tài)電池如此完美,為何至今仍未大規(guī)模應(yīng)用?
要讓鋰離子在固體內(nèi)像在液體中一樣暢通無阻地“奔跑”,是極其困難的。目前,科學(xué)家們雖然找到了幾種電導(dǎo)率不錯(cuò)的材料(如硫化物、氧化物、聚合物),但綜合性能仍有待提升。
液體可以與電極完美接觸,而固體與固體之間很難做到無縫貼合。電極材料在充放電過程中還會(huì)發(fā)生膨脹和收縮,容易導(dǎo)致界面分離,形成巨大的“界面電阻”,嚴(yán)重影響電池性能和壽命。如何讓固態(tài)電解質(zhì)與電極“親密無間”且“長相廝守”,是核心技術(shù)瓶頸。
更重要的是,固態(tài)電解質(zhì)的材料成本高昂,且制造工藝復(fù)雜,與現(xiàn)有液態(tài)鋰電池的生產(chǎn)線不兼容,需要全新的設(shè)備和流程。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)、將成本降低到市場(chǎng)可接受的水平之前,它只能是少數(shù)高端車型的“奢侈品”。
正因如此,行業(yè)普遍認(rèn)為,真正的“全固態(tài)電池”大規(guī)模商業(yè)化,可能還需要5到10年的時(shí)間。目前市面上一些所謂的“固態(tài)電池”,其實(shí)是“半固態(tài)電池”——即在固態(tài)電解質(zhì)中仍然摻雜少量液體成分以改善界面問題的過渡方案。它們是邁向終極目標(biāo)的重要一步,但并非革命的終點(diǎn)。
在新能源汽車的成本構(gòu)成中,動(dòng)力電池是當(dāng)之無愧的核心。它的性能直接決定了車輛的續(xù)航、安全和充電體驗(yàn),是消費(fèi)者決策的關(guān)鍵,也是車企競爭的焦點(diǎn)。可以說,誰掌握了下一代電池技術(shù),誰就掌握了未來汽車市場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)。
固態(tài)電池,正是那項(xiàng)備受矚目的下一代技術(shù)。它承諾了更安全、更長續(xù)航和更快補(bǔ)能的未來,直擊當(dāng)前電動(dòng)汽車的三大痛點(diǎn)。盡管從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模量產(chǎn)的道路依然充滿挑戰(zhàn),但全球范圍內(nèi)的研發(fā)競賽已經(jīng)全面展開。
因此,這場(chǎng)圍繞“固態(tài)”的技術(shù)變革,其意義遠(yuǎn)不止于電池本身。它是一次對(duì)整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重塑,它的每一次進(jìn)步,都將深刻影響未來汽車產(chǎn)品的形態(tài)和市場(chǎng)格局。電池技術(shù)的更新?lián)Q代,對(duì)于整個(gè)汽車市場(chǎng)來說,絕對(duì)是意義重大的。
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