特斯拉们的全固态电池究竟还有多远？院士解读
来源：倍可亲(backchina.com) 专题：抄底还是跑路？美股最新动态“全固态电池实现量产应该是在 2030 年之后，当然假如有巨大的科学突破，有可能会在 10 年之内发生。按照目前的进展，应该是还需要十年时间，科学上和制造工艺上成熟才能量产。” 谈及全固态电池的量产，美国国家发明家科学院（The National Academy of Inventors, NAI）院士、宾夕法尼亚州立大学机械工程、化学工程和材料科学与工程系讲席教授王朝阳认为不会太快到来。
岁末年初，从固态锂离子电池研发企业 QuantumScape 市值的风魔走势、到蔚来亮出其 “固态电池”，电池行业似乎呈现出一幅 “固态时代已经到来” 的景象。然而，王朝阳告诉 DeepTech，“真正意义上的固态电池，目前还没有产生”。
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一直以来，人们总是在寻求低成本、高性能、充电快的电动汽车电池。作为下一代电池的期待之一，固态电池被寄予厚望。在王朝阳看来，固态电池 “总体感觉任重道远。”
一位小鹏汽车车主这样评价他去年购入的爱车：“缺点是电池充电时间比较长，冬天续航衰减得比较快。” 其进一步表示，“续航夏天能达到车标（NEDC）的 86% 以上，但冬天基本要打个 5 折”。这位车主提到的缺点，是很多电动汽车电池的痛点。
图 | 电动汽车充电中（来源：pixabay）
早在二十世纪中叶，固态电池的研究已经开始，出发点是用固态电解质替代液态电池中的电解液和隔膜。但就目前情况来看，QuantumScape、蔚来等电池企业和汽车厂商已发布或正在研发的 “固态电池”，大多数并非完全的固态。
人们 “一般将固态、准固态以及半固态电池都叫做固态电池”，也就是市面上大家听到或见到的固态电池，大多含有少量非固态电解质。浙江大学金属材料研究所所长涂江平指出，其中准固态电池中非固态电解质的含量，约占电芯体积的 5% 左右；半固态电池中非固态电解质约为 10-15%；而液态锂离子电池中电解液含量为 25-35%。
相关研发人员把固态电池视为液态电池的替代品、并积极探索的主要原因在于，“目前液态锂离子电池的能量密度到了 300Wh/kg，这已经达到了一个极限，下一步或下一代电池要发展固态电池，逐渐要过渡到全固态锂电池。” 今年年初中国工程院院士陈立泉在中国电动汽车百人会论坛（2021）上表示。
作为电动汽车的核心动力，目前使用较多的液态锂离子电池其能量密度已经触及天花板，这意味着电池续航能力难再提升。对此，建设像燃油汽车加油站一样的充电桩、换电站必不可少，此外从电池性能方面做提升也十分重要。
再加上液态锂离子电池因其电解液在挤压、穿刺等情况下容易引发燃烧或爆炸，这也促使人们希望尽快探索出能满足电动汽车使用的固态电池。
理想状态下，“固态电池” 能量密度可达液态电池约 2 倍
2020 年底，QuantumScape 披露了其固态电池的最新实验结果，称公司技术已经解决了阻碍固态电池广泛应用的基本问题，如能量密度、充电时间、循环寿命、安全性和运行温度等。QuantumScape 提到，该款电池运行温度范围较大，可在﹣30℃的环境运行。
QuantumScape 表示，其设计的固态电池能量密度可达到 350-500Wh/kg，有着接近液态锂离子电池 2 倍的优势，并能达到在 15 分钟内充电 80% 。2021 年 1 月，QuantumScape 公布其实验最新结果称，该电池循环充电测试已经超过 1100 次。该公司还表示，如果以标称续航 300 英里的电池组为例，其电池达到的标准等同于可在生命周期内支持电动车行驶 30 万英里的动态电池。
图 | 固态电池和铅酸电池、锂离子电池等能量密度对比（来源：QuantumScape 官网）
这些数据每项拿出来都让人眼前一亮，但事实上 QuantumScape 所制造的电池并没有表面乐观。这也正如它的股价表现一样，初上市时疯涨，涨势持续一月后开始大幅下跌。
首先，QuantumScape 所展示的数据，是基于公司设计的单层、容量为 190mAh 的微小电池上实验得出。需要强调的是，这样容量的电池，比目前苹果手表所使用的电池（205mAh）还要小，一部苹果手机需要 20 个这样的小电芯堆积起来才能够支撑，“要是驱动一辆车子的话，大概要用 7000 个苹果手机电池才可以。”
对于 QuantumScape 称其电池能量密度可达到 350-500Wh/kg，王朝阳表示，“这个能量密度的结果是在理想推算下得出的，这么小的电池是测不出能量密度的”。而且，QuantumScape 设计的固态电池，要想用在电动汽车上需要 10 万多个堆叠在一起。但目前制造多层电芯也存在着巨大困难，比如正极和固态电解质之间界面不稳定，会导致多层电芯的堆积难和封装难。
至于 QuantumScape 提到的快速充电，王朝阳对 DeepTech 说，衡量快速充电的科学标准有 3 个数字：充电时间、充电后获得的能量和该充电状态下可支持的循环次数。
而谈及这款电池在﹣30℃ 环境的运行，王朝阳认为这要看怎么定义，如果像老牛车一样慢慢开，所有电池都能运行。但从 QuantumScape 的数据看，其固态电池在﹣30℃ 的性能要比液态电池差很多。
图 | 电动汽车在冬季充电（来源：pixabay）
在低温状态下，液态电解质变为凝胶状态后，其导电率会变差；而固态电池电解质在常温下已经是凝胶或固态，所以导电率会更差。同理，带有固态电解质的固态电池在冬天的性能也不会比液态电池更好。
概括来说，QuantumScape 的实验具有一定局限性，其所展示的数据虽然让电动汽车摆脱续航里程短、充电缓慢等尴尬境地看到一丝希望。不过，目前该电池所表现出的性能皆为实验数据，QuantumScape CEO 贾迪普?辛格在接受采访时也曾表示，预计到 2025 年，QuantumScape 的固态电池将使用在大众汽车和卡车上，这和涂江平预估的 “固态电池” 产业化时间表基本一致。
因此，对于蔚来发布能量密度 360Wh/kg、续航里程超过 1000 公里的 150 度 “固态电池”，并宣称将于 2022 年第四季度推出使用此款电池的汽车一事，他认为 “现在宣称一两年将实现固态电池的量产还太早，最早可能会在 2025 年开始陆续有一些工业化的固态电池产品出来。”
一句话：“固态电池总体任重道远”
置身于电子世界，电池的能量密度和安全性都要进一步提升，因此 “下一代电池肯定是准固态或者是全固态”。陈立泉日前在行业会议上表示，“同时我们还应该发展钠离子电池，它的电解质目前是液态电解质，下一步也要发展固态钠离子电池。”
事实上，锂离子固态电池、甚至钠离子固态电池，目前都有机构在研发，固态电池也代表着未来的发展方向。人们期待固态电池有相当于液态电池的能量密度提升，同时也希望它的安全性更佳。
图 | Quantum Scape 固态电池（来源：Quantum Scape 官网）
目前，全球已有多家机构在固态电池领域取得突破性进展。除三星、Quantum Scape 等公司公布产品数据之外，辉能科技、赣锋锂业、清陶能源等企业也已进入生产线建设、甚至投产阶段。
其中，辉能科技今年 1 月公开介绍，其全固态锂金属负极化学系统目前已经可以达到 383 wh/kg，体积能量密度为 1025Wh/L，循环寿命可达到 500 次，并希望在 2023 年实现量产；清陶能源第一代固态电池已经装上样车，并完成调试成功下线，清陶官方介绍表示，其能量密度、充放电能量效率、充电时间等指标优于液态三元电池……
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和所有产品的迭代一样，固态电池也需要时间去 “酝酿”。涂江平表示，目前准固态和半固态电池和量产之间的阻碍，在于材料、设备以及配套生产工艺等。当前电池生产线仍旧为液态电池生产装备，完全替换为固态工艺尚需要时间。
对于下一代电池，人们也有多种猜测，“全固态电池是一种想象，氢气燃料电池也是另外一种想象”，如王朝阳所说，“真正在科学上突破之前，很难讲哪一个想象可能会在未来实现，都是大家对未来的期待。”
他还提到，目前固态电池的状况跟大概 25 年前氢燃料电池的状况非常像。从 1995 年开始，加拿大(专题)的燃料电池生产商 Ballard 就已经宣告氢燃料电池要用在汽车上面，但是由于技术和科学上不成熟，每过五年说五年以后会用在汽车上面……
不过，王朝阳强调，“研究的热情还是应该鼓励的，因为只有研究做得越来越多，才会有科学上的突破、从技术变成产品，然后投放到市场。”
