國(guó)慶期間，當(dāng)幾千萬(wàn)臺(tái)新能源車集體出行時(shí)，“充電難”這個(gè)難以避免的煩惱就出現(xiàn)了。

相比于早幾年，盡管當(dāng)下的充電設(shè)施無(wú)論是性能，還是數(shù)量都有了大幅度提升，但由于中國(guó)新能源汽車數(shù)量實(shí)在龐大，且受限于當(dāng)前動(dòng)力電池的技術(shù)瓶頸，補(bǔ)能速度和能量密度均面臨天花板。

不過，好消息是，就在國(guó)慶的最后一天，新華社發(fā)布了一篇重磅報(bào)道《全固態(tài)金屬鋰電池，重要突破！》。新聞稱，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等組成的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種陰離子調(diào)控技術(shù)，解決了全固態(tài)金屬鋰電池中電解質(zhì)和鋰電極之間難以緊密接觸的難題。相關(guān)研究成果已于10月7日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》上。

就連美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授、固態(tài)電池專家王春生也評(píng)價(jià)道：“該研究解決了制約全固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸問題，為實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化邁出了決定性一步?！?/p>

一直以來(lái)，固態(tài)電池都是“雷聲大雨點(diǎn)小”。這一次，大雨真的要落下了嗎？

01

液態(tài)電池永遠(yuǎn)的“痛”

電池作為新能源汽車的“三大件”之一，可以說(shuō)，如果沒有動(dòng)力電池，就沒有新能源汽車對(duì)傳統(tǒng)燃油車的顛覆。

但其實(shí)，電池早在100多年前就出現(xiàn)了。

1859年，法國(guó)物理學(xué)家加斯頓·普蘭特發(fā)明鉛酸電池。它笨重（能量密度僅30Wh/kg）、易漏液，但因成本低。

1991年，索尼推出首款商用鋰離子電池（液態(tài)電解質(zhì)），能量密度躍升至100Wh/kg，徹底改變了消費(fèi)電子行業(yè)。

2010年后，三元鋰、磷酸鐵鋰電池讓電動(dòng)車?yán)m(xù)航突破500公里。這也是目前電動(dòng)汽車上使用的主流電池。其內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、液態(tài)電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成。正極材料包括鋰鈷氧化物、鎳鈷錳氧化物等，而負(fù)極材料則主要為石墨。其電解質(zhì)通常為含鋰鹽的有機(jī)溶液（如LiPF6溶于碳酸乙烯酯）。

液態(tài)電池的工作原理基于鋰離子在液態(tài)電解質(zhì)中的遷移。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，通過液態(tài)電解質(zhì)遷移到負(fù)極并嵌入；電子則通過外電路從正極流向負(fù)極。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，通過液態(tài)電解質(zhì)遷移到正極并嵌入；電子則通過外電路從負(fù)極流向正極。液態(tài)電池中的液態(tài)電解質(zhì)為鋰離子的遷移提供了良好的通道，但同時(shí)也帶來(lái)了泄漏和燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。

液態(tài)電池使用的有機(jī)電解液（如LiPF6 溶解于碳酸酯類溶劑）閃點(diǎn)低于40℃，在過充、短路或機(jī)械損傷時(shí)容易引發(fā)熱失控，溫度超過130℃即可發(fā)生自燃甚至爆炸。這也是為什么近年來(lái)電動(dòng)車自燃的新聞時(shí)常見諸報(bào)端。

除了存在安全隱患，能量密度相對(duì)較低也是飽受新能源車主們的詬病。經(jīng)過近20年迭代，當(dāng)前主流三元鋰電池能量密度約250-300Wh/kg，磷酸鐵鋰約180-200Wh/kg。通過高鎳正極（Ni≥90%）和硅碳負(fù)極（比容量420mAh/g）組合，理論極限約350Wh/kg。這也導(dǎo)致目前市面上在售的新能源汽車實(shí)際續(xù)航里程普遍在600公里上下，很難突破1000公里。

當(dāng)液態(tài)電池已經(jīng)觸及了物理性能的天花板時(shí)，于是人們就把目光投向了更加誘人的固態(tài)電池。

顧名思義，固態(tài)電池就是用固態(tài)電解質(zhì)（硫化物/氧化物/聚合物）替代液態(tài)電解液，構(gòu)建全固態(tài)結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)不僅消除漏液隱患，同時(shí)擁有更高的能量密度。目前實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已達(dá)400-500Wh/kg（如QuantumScape的硫化物體系）。若采用鋰金屬負(fù)極+高鎳正極，理論能量密度可突破600Wh/kg。這相當(dāng)于將Model 3（參數(shù)丨圖片）電池包從60kWh縮減至35kWh仍保持700km續(xù)航。

與此同時(shí)，固態(tài)電池還擁有更高的安全性。相比于液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)很難燃燒爆炸。不同成分的固態(tài)電解質(zhì)耐熱極限差異較大(400度—1800度不等)，但均顯著高于液態(tài)電池隔膜的耐熱極限(160度)。

聽起來(lái)一切都十分美好，然而固態(tài)電池也有固態(tài)電池的“痛”。這也是為什么近年來(lái)車企的固態(tài)電池總是“只聽樓梯響，不見人下來(lái)”的根本原因。

02

打破固態(tài)電池的“瓶頸”

全固態(tài)金屬鋰電池被譽(yù)為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的“圣杯”。但這只“圣杯”還有一個(gè)“瓶頸”要突破，那就是“固-固接觸”的世紀(jì)難題。

畢竟固態(tài)電池之所以性能優(yōu)異，一個(gè)重要原因就是它采用了固態(tài)電解質(zhì)，然而這也是制約固態(tài)電池商業(yè)化量產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

與可以自由滲透到電極中并形成良好的離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的液態(tài)電解質(zhì)不同，固態(tài)電解質(zhì)由于其非流變性的物質(zhì)狀態(tài)而不能自發(fā)地滲透到電極材料的間隙中，使得電極與電解質(zhì)接觸面積小、離子傳輸路徑不足。此外，電極和電解質(zhì)粗糙的表面上存在大量的突起和孔洞，這會(huì)導(dǎo)致界面接觸的進(jìn)一步惡化。

正負(fù)極材料在循環(huán)過程中體積變化也是誘導(dǎo)接觸問題產(chǎn)生的重要原因。大多數(shù)電極材料在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的體積變化，而固態(tài)電解質(zhì)是一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過很好的形變來(lái)適應(yīng)電極的體積變化，若固態(tài)電解質(zhì)和電極界面產(chǎn)生空隙，就無(wú)法進(jìn)行有效的離子傳輸，從而影響全固態(tài)電池持續(xù)高效的工作。

理論上，固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極的貼合度需控制在5微米內(nèi)（頭發(fā)絲的1/20）。如何才能讓金屬鋰電極和固體電解質(zhì)之間保持緊密接觸？傳統(tǒng)的辦法非常簡(jiǎn)單：依靠外部設(shè)備持續(xù)施加壓力，壓力需要超過5兆帕（相當(dāng)于50個(gè)大氣壓）。

但顯然，這是一個(gè)“笨”辦法。直接導(dǎo)致電池系統(tǒng)又大又重，完全喪失了全固態(tài)電池本應(yīng)具有的優(yōu)勢(shì)。

那有沒有聰明的辦法呢？答案是有的。只是幾十年來(lái)全球的科學(xué)家們一直沒有找到而已。

直到10月7日新華社的一則報(bào)道，將中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的“聰明辦法”公布了出來(lái)。新華社稱，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種陰離子調(diào)控技術(shù)，解決了全固態(tài)金屬鋰電池中電解質(zhì)和鋰電極之間難以緊密接觸的難題，為其走向?qū)嵱没峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)支撐。

比起傳統(tǒng)的外部“加壓”方法，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)決定從材料“內(nèi)部”突破。研究團(tuán)隊(duì)在硫化物電解質(zhì)中引入碘離子。電池工作時(shí)，這些碘離子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)至電極界面，形成一層富碘界面。這層界面能夠主動(dòng)吸引鋰離子，像“流沙”一樣自動(dòng)填充所有的縫隙和孔洞，實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”般的緊密貼合。

這項(xiàng)技術(shù)被稱為“動(dòng)態(tài)自適應(yīng)界面（DAI）”，它從根本上改變了依賴外部壓力維持界面接觸的傳統(tǒng)思路。

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)在《自然·可持續(xù)發(fā)展》期刊上發(fā)表的論文，基于新技術(shù)的原型電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下循環(huán)充放電數(shù)百次后，性能依然穩(wěn)定優(yōu)異，“遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有同類電池的水平”。

研究團(tuán)隊(duì)特別強(qiáng)調(diào)，采用這項(xiàng)新技術(shù)未來(lái)可以做出能量密度超過500Wh/kg的電池。須知，目前主流電動(dòng)車的電池能量密度僅有250-300Wh/kg。這項(xiàng)技術(shù)幾乎讓電池的能量密度直接翻倍，這也意味著可以讓目前的電動(dòng)車?yán)m(xù)航輕易突破到1000公里。

它不僅解決了續(xù)航里程問題，還大大縮短了充電時(shí)間。研究人員表示，基于新技術(shù)的電池支持快充，充電速度有望比現(xiàn)有電池提高數(shù)倍。

除了性能優(yōu)異，成本上也有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樾录夹g(shù)采用引入碘離子的方法，不會(huì)增加全固態(tài)金屬鋰電池成本。相反，由于省去了笨重的外部加壓設(shè)備，電池系統(tǒng)的總體成本可能反而會(huì)降低。

同時(shí)，富碘界面與金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)全固態(tài)金屬鋰安全性提升有利。

據(jù)悉，這項(xiàng)研究成果已獲得中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)，正在申請(qǐng)國(guó)際專利。這意味著，中國(guó)企業(yè)在全球固態(tài)電池專利戰(zhàn)中已經(jīng)占據(jù)了有利位置。

03

改變行業(yè)格局的“撒手锏”

在這項(xiàng)技術(shù)突破之前，互聯(lián)網(wǎng)上一直有一種擔(dān)憂：盡管當(dāng)下中國(guó)新能源汽車處于全球領(lǐng)先位置，可一旦豐田等國(guó)外車企把固態(tài)電池搞出來(lái)，那么中國(guó)新能源汽車的先發(fā)優(yōu)勢(shì)就會(huì)瞬間灰飛煙滅。

這也不怪網(wǎng)友們擔(dān)心。事實(shí)上，日本豐田是固態(tài)電池的“最早玩家”。2010年，豐田宣布研發(fā)固態(tài)電池，目標(biāo)是“2020年量產(chǎn)”。2015年，其實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)曝光：硫化物固態(tài)電池能量密度達(dá)400Wh/kg，循環(huán)壽命超1000次。

不過豐田很快發(fā)現(xiàn)：固態(tài)電池的“量產(chǎn)難度”遠(yuǎn)超預(yù)期——固體電解質(zhì)與正負(fù)極的界面阻抗大，循環(huán)過程中易開裂，成本更是液態(tài)電池的5倍以上。于是豐田將量產(chǎn)時(shí)間推遲至2025年。2023年，豐田發(fā)布全新固態(tài)電池原型，能量密度600Wh/kg，充電10分鐘充至80%，計(jì)劃2027年大規(guī)模量產(chǎn)。

不只是日本，美國(guó)和歐洲也紛紛押注固態(tài)電池。比如美國(guó)QuantumScape押注硫化物路線，2020年發(fā)布10層固態(tài)電池原型，能量密度500Wh/kg，充電15分鐘充至80%。大眾集團(tuán)豪擲30億美元投資，計(jì)劃2025年裝車。歐洲的寶馬和奔馳則聯(lián)合Solid Power研發(fā)氧化物固態(tài)電池，目標(biāo)2025年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

顯然，如果日本、美國(guó)或者歐洲領(lǐng)先中國(guó)量產(chǎn)了可以大規(guī)模商業(yè)化的固態(tài)電池，那么中國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)必然會(huì)受到不利影響，甚至國(guó)外車企可以依靠固態(tài)電池在一夜之間抹平于中國(guó)新能源汽車的差距。

當(dāng)然，中國(guó)企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域也有諸多進(jìn)展。其中寧德時(shí)代憑借硫化物+鹵化物復(fù)合電解質(zhì)體系，能量密度成功突破500Wh/kg。贛鋒鋰業(yè)第三代全固態(tài)電池能量密度420Wh/kg，硫化物電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)百噸級(jí)量產(chǎn)。國(guó)軒高科的硫化物全固態(tài)電池“金石電池”能量密度已達(dá)到360Wh/kg，并成功通過200°C 極端安全測(cè)試，計(jì)劃在2025年啟動(dòng)裝車驗(yàn)證，且已獲得大眾MEB +平臺(tái)認(rèn)證。清陶能源計(jì)劃在2025年規(guī)劃產(chǎn)能超10GWh，其半固態(tài)電池能量密度達(dá)到360Wh/kg，搭載智己L6 支持準(zhǔn)900V超快充。

但在固態(tài)電池領(lǐng)域，說(shuō)起來(lái)容易，真正做出來(lái)卻無(wú)比艱難。就在外國(guó)企業(yè)仍舊卡在“固-固接觸”這個(gè)瓶頸時(shí)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的這項(xiàng)技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了零外壓全固態(tài)金屬鋰軟包電池穩(wěn)定循環(huán)。這意味著中國(guó)在全球固態(tài)電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中已經(jīng)取得領(lǐng)先地位，有望在下一代電池技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

對(duì)于中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是個(gè)好消息。

04

尾聲：顛覆的不只是電動(dòng)汽車

當(dāng)下，電力正在改變這個(gè)世界。

不論是新能源汽車顛覆傳統(tǒng)燃油車，還是電動(dòng)航空器顛覆燃油飛行器，亦或者具身智能，都對(duì)電池提出了極高的要求，目前的液態(tài)電池也成為了制約這些科技產(chǎn)品發(fā)揮全部能力的瓶頸。比如如今風(fēng)頭正盛的eVTOL能量密度要求400Wh/kg以上，傳統(tǒng)的液態(tài)電池顯然難以企及。

因此，全固態(tài)電池作為電池塔尖的技術(shù)，它的突破影響的不只是電動(dòng)汽車這個(gè)行業(yè)。

這次中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的技術(shù)突破，解決了制約全固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸問題。未來(lái)有望為人形機(jī)器人、電動(dòng)航空、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域帶來(lái)更安全高效的能源解決方案。