鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：739次 | 2021年05月14日
為何馬斯克“失聲”固態(tài)電池？
撰文/馬曉蕾
編輯/溫莎
設(shè)計(jì)/杜凱
來(lái)源/Fttimes，作者：JuneYoon
埃隆·馬斯克（ElonMusk）說(shuō)，電池是未來(lái)的關(guān)鍵。它們?yōu)榭萍几锩?yīng)了動(dòng)力，為世界帶來(lái)了智能手機(jī)、平板電腦，以及在消費(fèi)者開(kāi)始被鼓勵(lì)遠(yuǎn)離化石燃料的時(shí)候，它們帶來(lái)了電動(dòng)汽車。然而，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代世界的鋰離子電池背后的科學(xué)技術(shù)在三十多年來(lái)基本沒(méi)有改變。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當(dāng)鋰離子電池開(kāi)始在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用時(shí)，它公開(kāi)的行業(yè)秘密也再次被放大并呈現(xiàn)在公眾面前。鋰離子電池含有數(shù)百公斤的金屬和材料，特別是石墨、鈷和高純度鎳，在開(kāi)采和提煉過(guò)程中會(huì)造成嚴(yán)重污染，并新增二氧化碳的排放。另一個(gè)問(wèn)題是安全問(wèn)題，這些電池容易發(fā)生火災(zāi)和爆炸。
這些缺點(diǎn)使得人們對(duì)固態(tài)電池寄予厚望，希望它能幫助解決許多環(huán)境和安全問(wèn)題。固態(tài)電池采用薄薄一層固體電解質(zhì)，取代目前鋰離子電池中易燃的液體溶液，可以更密集地儲(chǔ)存能量。此外，固體電解質(zhì)還可以充當(dāng)隔膜，隔膜在鋰離子電池中是關(guān)鍵部件，可以降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，減少所需原材料的數(shù)量。
電動(dòng)汽車制造商特斯拉的首席執(zhí)行官馬斯克在固態(tài)電池的話題上一反常態(tài)地沉默，他的公開(kāi)表態(tài)中很少提及固態(tài)電池，包括在2020年九月的“電池日”活動(dòng)上。
在不新增電池組成本和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的前提下，對(duì)更短的充電時(shí)間和更長(zhǎng)的里程數(shù)的追求已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)上限。解決這些限制是讓電動(dòng)汽車革命真正起飛的關(guān)鍵。固態(tài)電池供應(yīng)了部分解決方法，但可能會(huì)犧牲特斯拉作為市場(chǎng)領(lǐng)先者的地位。
兩大趨勢(shì)
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
兩大趨勢(shì)加大了電池技術(shù)變革的緊迫性，一是歐洲和我國(guó)都在鼓勵(lì)電動(dòng)汽車的發(fā)展，二是全球?qū)I(yè)金屬的需求激增可能會(huì)削弱長(zhǎng)期供應(yīng)。
隨著更嚴(yán)格的新車排放目標(biāo)的逐步執(zhí)行，2020年歐洲電動(dòng)汽車的銷量上升了一倍多。無(wú)論是英國(guó)還是德國(guó)，越來(lái)越多的國(guó)家承諾從2030年起禁止銷售新的汽油和柴油汽車。同時(shí)，綠色技術(shù)現(xiàn)在被各國(guó)政府視為改善經(jīng)濟(jì)上升放緩的一種方式。
在我國(guó)，2020年電動(dòng)汽車的銷量達(dá)到了歷史高點(diǎn)130萬(wàn)輛?！斑@甚至已經(jīng)跟補(bǔ)貼沒(méi)關(guān)系了，現(xiàn)在補(bǔ)貼在汽車總價(jià)中的比例可以忽略不計(jì)，只有十分之一左右?！蹦Ω笸ㄙY產(chǎn)管理公司的研究分析師MarkMao說(shuō)，“銷量只會(huì)上升。”
市場(chǎng)的樂(lè)觀情緒部分是歸因于電池制造商降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)咨詢公司BenchmarkMineralIntelligence的數(shù)據(jù)，有關(guān)鋰離子電池組這一電動(dòng)汽車最昂貴的部件來(lái)說(shuō)，其電芯的價(jià)格在過(guò)去十年中下降了近90%，2020年降至每千瓦時(shí)110美元左右。
平均而言，電動(dòng)汽車仍比傳統(tǒng)汽油車貴30%。但這一差距正在縮小，瑞銀的分析師表示，現(xiàn)在距離價(jià)格平價(jià)僅剩三年時(shí)間。從此，電動(dòng)汽車的需求應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步加快，這意味著對(duì)電池的需求更大。
電池中高度易燃的液態(tài)溶液不僅易燃，還使回收困難，轉(zhuǎn)售貶值嚴(yán)重。還有價(jià)格因素，在不新增電池組成本的情況下，對(duì)安全性和能量密度的改進(jìn)，每輛車的成本約為12000美元，已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)極限，這意味著使用鋰離子電池的長(zhǎng)續(xù)航汽車的價(jià)格有一個(gè)內(nèi)部底線。比如入門級(jí)的特斯拉Model3的起價(jià)為37990美元，現(xiàn)代Ioniq為33245美元。
除了昂貴和不穩(wěn)定之外，電池還很笨重，特斯拉ModelS的電池重量超過(guò)540公斤，它們的存在大大壓縮了腿部空間，并施加了其他設(shè)計(jì)限制。這種額外的重量使電動(dòng)汽車比汽油車重得多，因此它們要更多的動(dòng)力來(lái)覆蓋相同的里程，特別是在寒冷的天氣。再加上充電時(shí)間較長(zhǎng)，充電基礎(chǔ)設(shè)施不足，還有很大的改進(jìn)空間。
“快速充電與液態(tài)電解質(zhì)的搭配并不理想。在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的熱量會(huì)損壞電池，絕對(duì)會(huì)提高火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)?！辈祭蚀髮W(xué)工程教授布萊恩·謝爾頓（BrianSheldon）說(shuō)，“固態(tài)電池可以解決這一風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>
電動(dòng)汽車的倡導(dǎo)者似乎接受了這些限制，并采用了一些變通的方法，比如在冬天關(guān)閉暖風(fēng)來(lái)延長(zhǎng)行駛里程。
然而大多數(shù)問(wèn)題，尤其是安全問(wèn)題，卻不那么容易解決。傳統(tǒng)上，電池中鎳、鈷和錳的含量是相等的。但最近的行業(yè)趨勢(shì)是將電池中鎳的比例提高到陰極材料的80%以上。這有助于提高里程數(shù)，并能減少鈷的使用量，降低生產(chǎn)成本，因?yàn)殁挼某杀臼擎嚨膬杀丁?/p>
不幸的是，這種新的金屬組合也使電池更加不穩(wěn)定。我國(guó)最早將鋰離子電池商業(yè)化，自五月以來(lái)，已有3輛配備這種電池的汽車起火。其他金屬組合，如鋰和鐵，已被證明更安全，但能量密度較低。
無(wú)論是汽車制造商還是智能手機(jī)開(kāi)發(fā)商，有關(guān)他們來(lái)說(shuō)還有另一個(gè)共同的問(wèn)題，那就是隨著電池成為許多技術(shù)的關(guān)鍵部件，對(duì)原材料的需求也在新增。這在過(guò)去一年中推動(dòng)了鎳、石墨、鋰、鈷和銅的價(jià)格不斷上漲。假如再加上大多數(shù)大宗商品交易的美元走軟，價(jià)格可能會(huì)進(jìn)一步上漲。
平均而言，一輛電動(dòng)乘用車的電池要約20公斤的鎳（特斯拉Model3要30公斤），陰極要多達(dá)20公斤的鈷，外加約60公斤的鋰化合物。在這些金屬中，鎳至關(guān)重要，因?yàn)樗軒椭姵貎?chǔ)存更多的能量，并減少對(duì)更昂貴的鈷的需求。
特斯拉2020年占據(jù)了歐洲電動(dòng)汽車行業(yè)使用的所有鎳的一半以上，馬斯克特別指出供應(yīng)是一個(gè)問(wèn)題。美國(guó)投行杰弗瑞集團(tuán)（Jefferies）表示，該公司計(jì)劃到2030年生產(chǎn)儲(chǔ)存3太瓦時(shí)的電池，按照目前的水平，這將耗盡全球大部分鎳產(chǎn)量。提高產(chǎn)量很難，產(chǎn)出的鎳中只有不到一半能夠適合用于電池。新的鎳礦床也十分罕見(jiàn)，不排除出現(xiàn)短缺的可能。
由于不同的原因，鋰的供應(yīng)是有限的。鋰是一種豐富的資源，但公司提煉鋰用于制造電池的能力有限，替代品稀缺。建造新的鋰礦設(shè)施可能要長(zhǎng)達(dá)10年的時(shí)間。電動(dòng)汽車制造商的需求如此之大，以至于分析師預(yù)計(jì)2021年底前將開(kāi)始出現(xiàn)供應(yīng)短缺。鈷也面對(duì)類似的命運(yùn)。瑞銀表示，預(yù)計(jì)未來(lái)十年將繼續(xù)供不應(yīng)求。
商業(yè)化還有多遠(yuǎn)？
大眾汽車電芯中心負(fù)責(zé)人弗蘭克·布洛梅（FrankBlome）將固態(tài)電池描述為鋰離子等效電池的“終結(jié)者”。
固態(tài)電池更安全、更便宜，可以使用更長(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)出現(xiàn)性能下降，所需原材料更少。電池芯可以堆疊起來(lái)，就像用磚頭砌墻相同，使它們更容易適應(yīng)不同的汽車設(shè)計(jì)。它們更輕，大約10分鐘就能充滿電，并且具有更高的能量密度，供應(yīng)雙倍或更多的續(xù)航里程。固態(tài)電池對(duì)銅和鋁的需求更小，石墨和鈷可以完全被淘汰?；厥展虘B(tài)電池也將是一個(gè)更簡(jiǎn)單、更安全的過(guò)程。
“從歷史上看，從汽車排氣系統(tǒng)到冰箱，新一代技術(shù)都帶來(lái)了原材料使用量的大幅減少。固態(tài)電池也應(yīng)該如此?！盚anaVentures首席執(zhí)行官金東煥（DonghwanKim）說(shuō)，該公司是一家總部設(shè)在首爾的風(fēng)險(xiǎn)投資公司，重要投資于技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域。
已經(jīng)生產(chǎn)出的原型產(chǎn)品表明，固態(tài)電池的能量存儲(chǔ)量比相同重量和體積的鋰離子電池多80%。金屬鋰具有更高的能量密度，可以取代石墨，有助于減輕電池重量和體積。
特斯拉宣稱未來(lái)三年內(nèi)量產(chǎn)出比傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度高50%的電池，以新增行駛里程。有關(guān)那些希望提高鋰離子電池性能的人來(lái)說(shuō)，在行駛中的車輛上安裝重量超過(guò)500公斤的電池，同時(shí)不影響續(xù)航里程和安全性，是一項(xiàng)繁重的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致分析師們對(duì)特斯拉所標(biāo)榜的雄心壯志出現(xiàn)了一些懷疑。
“在今天的上限基礎(chǔ)上提高50%，意味著電池的尺寸要大得多，因?yàn)橐懈嗟牟牧线M(jìn)入陰極?！辈祭蚀髮W(xué)的謝爾頓說(shuō)，“將這些裝入汽車將是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)?！?/p>
在過(guò)去二十年里，傳統(tǒng)電池的能量密度每年上升約4%，達(dá)到每升約700瓦時(shí)，相當(dāng)于續(xù)航里程500公里。由于電芯和液體電解質(zhì)已經(jīng)占了大量體積，這一水平很難進(jìn)一步新增。
固態(tài)電池不僅可以將電芯的能量密度提高到每升1000瓦時(shí)以上，行駛里程為800公里。而且它們還可以承受更多的充放電次數(shù)。它們還可以在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)保持更多的能量，從而有可能實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)英里的電池壽命。這將極大地改變終生擁有成本，并減少原材料的使用。
雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了固態(tài)電池的原型，但每輛長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車要的電芯數(shù)量至少是迄今為止在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的20倍。廠將很難批量制造它們，目前每塊電池的制造成本約為10萬(wàn)美元。
大規(guī)模生產(chǎn)還要幾年時(shí)間。但各家公司正向著它慢慢靠近。“現(xiàn)在與之前最大的不同是，固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)取得了進(jìn)步，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了阻礙其商業(yè)化的問(wèn)題?！敝x爾頓說(shuō)，“這足以讓我們感到樂(lè)觀?！?/p>
固態(tài)電池領(lǐng)域目前最受關(guān)注的公司是QuantumScape，這是一家由大眾汽車和比爾·蓋茨（BillGates）支持的硅谷創(chuàng)業(yè)公司。它的目標(biāo)是在2024年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。在通過(guò)一家特殊目的收購(gòu)公司上市后，其股價(jià)2020年上漲超過(guò)1000%，對(duì)該公司的估值一度接近500億美元，超過(guò)通用汽車。
SolidPower是一家位于科羅拉多州的初創(chuàng)公司，正在小規(guī)模地生產(chǎn)22層鋰金屬電池，這已經(jīng)可以供應(yīng)比目前長(zhǎng)續(xù)航電池更多的里程數(shù)。它計(jì)劃在一年內(nèi)生產(chǎn)出更大的電池，并在2025年前將其應(yīng)用于汽車。
然而有關(guān)尋找特斯拉顛覆者的投資者來(lái)說(shuō)，像這樣的初創(chuàng)公司可能不是最好的選擇。它們?nèi)狈念^開(kāi)始制造關(guān)鍵部件的能力。目前在傳統(tǒng)的電池、汽車和機(jī)械領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并且有現(xiàn)成的機(jī)械和材料渠道的公司更適合大量生產(chǎn)的零部件。
基于這些原因，一些亞洲公司看起來(lái)最適合將固態(tài)電池變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。豐田將在2021年推出一款原型車，只需10分鐘即可充滿電，續(xù)航500公里。豐田汽車兩年前推出的雷克薩斯LF-30概念車，配備了小型固態(tài)電池，目前已有1000項(xiàng)涉及固態(tài)電池技術(shù)的注冊(cè)專利。
來(lái)自三星的替代方法將供應(yīng)一次充電800公里的里程。它的體積將是傳統(tǒng)電池的一半。首席研究員DongminIm說(shuō)，“這項(xiàng)技術(shù)是提高電動(dòng)汽車?yán)锍虜?shù)的革命基礎(chǔ)?！彼纳芷诔^(guò)1000次充電，與現(xiàn)有電池相比，現(xiàn)有電池只需快速充電60次就會(huì)出現(xiàn)容量衰減。
有關(guān)這些公司及其投資者來(lái)說(shuō)，固態(tài)電池是一個(gè)不錯(cuò)的賭注。這種技術(shù)的每一次進(jìn)步，都為先行者帶來(lái)了意外之財(cái)。即將推出第五代鋰離子電動(dòng)汽車電池的三星已經(jīng)簽署了幾份合同，其中包括與寶馬簽訂的價(jià)值35億美元的合同，在未來(lái)十年為其供應(yīng)電芯。
有關(guān)特斯拉來(lái)說(shuō)，這些進(jìn)展構(gòu)成了威脅。它對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的把持，與它的車型較長(zhǎng)的續(xù)航里程和快速充電時(shí)間，以及它的創(chuàng)新軟件和顛覆性營(yíng)銷相同重要。然而，假如汽車能在家里相同快速充電，它遍布全球的超級(jí)充電站網(wǎng)絡(luò)將不會(huì)帶來(lái)什么競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
制造商離商業(yè)化有多近？從專利方面也可見(jiàn)一斑。根據(jù)歐洲專利局2005年的數(shù)據(jù)，電池和電力存儲(chǔ)設(shè)備的全球新專利申請(qǐng)數(shù)量的上升速度是所有其他技術(shù)領(lǐng)域平均水平的4倍。而與固態(tài)電池相關(guān)的專利上升速度最大，這暗示著固態(tài)電池進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間快于預(yù)期。
“我們多長(zhǎng)時(shí)間能達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)，只是投資多少的問(wèn)題。”HanaVentures的金說(shuō)，“以芯片制造為例，大多數(shù)限制，包括那些曾經(jīng)被說(shuō)成是技術(shù)上不可能的限制，都已經(jīng)通過(guò)新增資金來(lái)克服。最近電動(dòng)汽車市場(chǎng)的上升意味著，現(xiàn)在可以分配更多的資金將固態(tài)電池推向市場(chǎng)?！?/p>
