撰文 / 天璣

對于電池的發(fā)展周期，行業(yè)有公認(rèn)的進(jìn)度表，那便是30年為一個(gè)周期 。按照三十年一個(gè)周期計(jì)算，下一代電池的現(xiàn)身時(shí)間應(yīng)在2020年左右。但直到2024年，下一代電池還沒有走到大規(guī)模商業(yè)化階段。

作為新能源汽車的核心部件，各方對此都高度重視，這不禁讓人產(chǎn)生一個(gè)疑問，那就是為什么至今還沒有新的突破？

30年周期沒有失效，但電池的進(jìn)展依舊漫長

新一代電池為何遲遲沒有現(xiàn)身？這還要從電池的核心部分說起。

電池的基本原理是用高活性的金屬材料制作陽極，用較穩(wěn)定的材料制作陰極，陽極材料由于庫侖力的原因會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)（丟失電子），電子流向陰極發(fā)生氧化反應(yīng)（獲得電子），電池內(nèi)部（電解液）則發(fā)生陰極的陰離子流向陽極與陽離子結(jié)合，由此形成回路，產(chǎn)生電能。不同種類的電池，主要是正負(fù)極和電解液材料不同，每一代電池的突破之處也在于此。

以鉛酸電池和鋰離子電池為例。鉛酸電池正極的主要成分是二氧化鉛，負(fù)極的主要成分是鉛，電解液鋰離子電池正極的主要成分是含鋰的過渡金屬氧化物、磷化物，負(fù)極的主要成分是碳材料。與鉛酸電池相比，鋰離子電池的能量密度更高，這是新能源汽車選擇鋰離子電池的主要原因。

發(fā)現(xiàn)新材料，是一個(gè)漫長的過程。

鋰離子電池的正極材料在1980年就確定下來了，分別是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和錳酸鋰。但直到1991年，吉野彰擺脫負(fù)極鋰金屬限制，創(chuàng)新性使用石墨作為負(fù)極，才開發(fā)出了第一款商用鋰離子電池。

在鋰離子電池之后，行業(yè)又發(fā)明了幾種使用新材料的電池，如固態(tài)電池、鈉離子電池。

固態(tài)電池的發(fā)展歷史可以追溯到十九世紀(jì)。當(dāng)時(shí)邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了固體電解質(zhì)硫化銀和氟化鉛，開啟了固態(tài)電池的研究序幕。不過由于涉及基礎(chǔ)科學(xué)研究，固態(tài)電池的進(jìn)展十分緩慢。

直到二十世紀(jì)五十年代之后，科學(xué)家相繼在固態(tài)電解質(zhì)材料上取得了突破，固態(tài)電池的發(fā)展進(jìn)程才加快了。到了九十年代，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了新型固態(tài)電解質(zhì)氮化鋰磷氧。

除了材料創(chuàng)新，業(yè)界還在物理層面嘗試讓動(dòng)力電池“換新”。

動(dòng)力電池按照形狀劃分可分為方形、軟包和圓柱三種，方形的射擊場份額最高，約為60%。

以特斯拉為代表的企業(yè)希望用圓柱電池替代方形電池。圓柱電池可以分為小圓柱和大圓柱兩類，前者已經(jīng)是成熟產(chǎn)品，后者是行業(yè)新兵。大圓柱電池的代表是特斯拉提出的4680圓柱電池（直徑46毫米、高度80毫米的電池）。在特斯拉看來，這是提升續(xù)航、降本的最佳尺寸。

除了特斯拉，寧德時(shí)代、松下、LG等企業(yè)，也布局了大圓柱電池。但大圓柱電池也沒有走到商業(yè)化階段，4680電池已經(jīng)難產(chǎn)。

固態(tài)電池最火，但不是未來？

固態(tài)電池是動(dòng)力電池行業(yè)的頂流，承載著下一代電池的重任。

現(xiàn)在的動(dòng)力電池的電解液都是液態(tài)，固態(tài)電池的電解液變成了固態(tài)電解質(zhì)。按照電解液的形態(tài)劃分，固態(tài)電池又分為準(zhǔn)固態(tài)、半固態(tài)和全固態(tài)三種。準(zhǔn)固態(tài)液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%，半固態(tài)液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%，全固態(tài)則不含有任何液體電解質(zhì)。

固態(tài)電解質(zhì)具有更高的熱穩(wěn)定性，這能讓動(dòng)力電池使用能量密度更高的正負(fù)極材料，從而提高車輛的續(xù)航。在“續(xù)航是測消費(fèi)者購車時(shí)的最大顧慮”的當(dāng)下，固態(tài)電池?zé)o疑能讓消費(fèi)者打消顧慮，因此它也成為了行業(yè)追捧的香餑餑。

目前，固態(tài)電池的技術(shù)路線分為聚合物、氧化物與硫化物三種路線，它們各有優(yōu)劣。

其中性能最好的是硫化物，是三種材料體系中離子電導(dǎo)率最高的，且質(zhì)地較為柔軟，可塑性強(qiáng)。日韓企業(yè)是硫化物的支持者，豐田、三星、松下都選擇了這個(gè)路線。

其中最為激進(jìn)的是豐田，它的成果也最豐厚。早在2012年，豐田就拿出了全球首款硫化物固態(tài)電池，其專利儲(chǔ)備多達(dá)1300+項(xiàng)，位列世界第一。

可見日本車企的高管雖然會(huì)發(fā)出一些貶低新能源汽車的言論，但他們的身體還是很誠實(shí)的。不過，豐田也沒法讓固態(tài)電池量產(chǎn)。豐田曾在2017年宣布將在2020-2025年，推出十款以上采用固態(tài)電池的純電車，隨后卻跳票了。2023年，純電動(dòng)汽車銷量在豐田總銷量中的占比不到1%。

這主要是因?yàn)榱蚧锫肪€的技術(shù)難度太高。這種材料容易與正負(fù)極材料發(fā)生副反應(yīng)，造成界面高阻抗，導(dǎo)致內(nèi)阻增大。另外，它還容易與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，釋放有毒的硫化氫氣體，這對生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸環(huán)節(jié)提出了很高的要求，企業(yè)需要一些特殊手段。

目前，半固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)展比較快。

去年12月，蔚來創(chuàng)始人李斌做了一場直播續(xù)航測試，測試的對象就是半固態(tài)電池（容量為150度）。這款半固態(tài)電池包由蔚來汽車和衛(wèi)藍(lán)新能源合作開發(fā)，單電芯能量密度為360Wh/kg，整包能量密度260Wh/kg。采用了原位固化的固液電解質(zhì)，無機(jī)預(yù)鋰化的硅碳負(fù)極，納米級包覆的超高鎳正極。經(jīng)過李斌實(shí)測，搭載150度半固態(tài)電池的ET7的續(xù)航超過1044km（剩余36km)，平均百公里能耗為13.2千瓦時(shí)。

在測試的時(shí)候，李斌還表示，這款半固態(tài)電池包不會(huì)向第三方供貨?！澳壳?，150度電池包非常難量產(chǎn)，產(chǎn)量比較低，良率也很有挑戰(zhàn)?！崩畋笳f。

難產(chǎn)只是半固態(tài)電池的挑戰(zhàn)之一，有業(yè)內(nèi)人士透露，這或許是目前全球單位（每WH）成本最高的電池包，甚至超過了特斯拉的4680電池成本?！盁o論是材料還是制造工藝，肯定都是最貴的。”

可以看到，即便是進(jìn)展較快的半固態(tài)電池，現(xiàn)在也面臨成本問題。以此推導(dǎo)，全固態(tài)電池的普及之日更是遙遙無期。因此，固態(tài)點(diǎn)吃的問題不是“是不是未來”，而是什么時(shí)候能“拉出來溜溜”。

鈉電池是未來嗎？

如果回到電池進(jìn)化的原點(diǎn)，半固態(tài)或者固態(tài)電池其實(shí)都不能算是真正的下一代電池，它們的正負(fù)極材料依然是鋰離子，只是在電解液部分有創(chuàng)新。行業(yè)也在研發(fā)新的正負(fù)極材料，那就是鈉離子電池。

相比鋰離子電池，鈉離子電池的優(yōu)勢并不是更高的能量密度，而是優(yōu)秀的低溫性能。

新能源汽車在冬季和高寒地區(qū)，續(xù)航會(huì)打折扣，這是由于鋰離子電池不耐低溫。

目前，鋰離子電池的工作溫度區(qū)間為 -20℃-60℃，在我國東北地區(qū)，-20℃只是日常。鈉離子電池可以在-40℃-80℃ 的溫度區(qū)間正常工作，在-20℃ 環(huán)境下的容量保持率近 90%，在-40 ℃低溫下可以放出 70%的容量，在高溫 80 ℃時(shí)仍然可以正常循環(huán)充放電使用。

如果新能源能夠使用鈉離子電池，其市場覆蓋范圍自然會(huì)更廣。另外，相比鋰電池，鈉電池的成本更低。

寧德時(shí)代、比亞迪都布局了鈉電池業(yè)務(wù)。更重要的是，鈉電池已經(jīng)走到商業(yè)化階段了。

今年1月，全球首款搭載鈉離子電池的新能源汽車江淮釔為“花仙子鈉電版”正式向用戶批量交付，這款車由中科海鈉宣布與江淮釔為聯(lián)合推出。在此之前，孚能科技與江鈴集團(tuán)合作推出的江鈴易至EV3（青春版）也下線了。

鈉電版花仙子為A00級車型，采用的鈉離子電芯為中科海鈉ME12圓柱電芯，其能量密度大于等于140Wh/kg，續(xù)航里程為252公里。江鈴易至EV3（青春版）也是A00級車型，續(xù)航為251公里，孚能科技目前已投產(chǎn)的鈉離子電池能量密度在140至160Wh/kg之間。

從數(shù)據(jù)上來看，這兩款鈉電池車型的續(xù)航明顯要短一些。而新能源汽車的發(fā)展方向是續(xù)航越來越長，難道鈉電池也不是動(dòng)力電池的下一個(gè)選擇？這取決于能量密度和成本。磷酸鐵鋰電池就是在這兩點(diǎn)的幫助下，在市場份額上超越了三元鋰電池。

現(xiàn)在，鈉電池的能量密度已經(jīng)接近磷酸鐵鋰電池，中科海鈉在研鈉離子電芯能量密度已超過160Wh/kg。此時(shí)，成本是否經(jīng)濟(jì)，就顯得更重要。畢竟新能源苦電池久矣，廣汽董事長曾慶洪和小米董事長雷軍都公開吐槽過電池太貴。

其中最重要的是相對成本，即相對于磷酸鐵鋰電池的成本。浙江青鈉董事長王子煊曾公開表示，當(dāng)碳酸鋰價(jià)格下探到10萬元/噸時(shí)，鈉離子電池的邊際成本領(lǐng)先12%左右；如果碳酸鋰價(jià)格回歸到5萬元/噸，鈉離子電池的邊際成本僅領(lǐng)先約5%。也就是說，當(dāng)鈉電池在成本上“遙遙領(lǐng)先”磷酸鐵鋰電池時(shí)，市場就有更強(qiáng)的推廣動(dòng)力。

鑒于江淮釔為的銷量并不算好，難以通過終端的規(guī)模優(yōu)勢讓鈉離子電池降本。與磷酸鐵鋰電池相比，鈉離子電池的現(xiàn)狀是處于從1到N的起步階段。

總的來看，無論是固態(tài)電池還是4680電池、鈉電池，業(yè)界一直都在探索可能性，但目前還沒有找到可以替代鋰電池的選項(xiàng)。