固态电池 都在烧钱

寂静回声

一位固态电池企业研发负责人在与虎嗅交流时，对公司研发出固态电池后的场景作出畅想。 行业设想中的固态电池，可以破除液态电池车的里程焦虑、充电焦虑、安全性等多方面的桎梏。 “充放电上万次不衰竭，电池的寿命可以比人的寿命还长，充满电只要几秒钟，而且能量密度能到700Wh/kg”。固态电池，因远超液态锂电池的性能表现，被汽车、储能等行业视为下一次产业革命的核心。 大众汽车电芯中心负责人弗兰克·布洛梅将固态电池描述为锂离子等效电池的“终结者”，是可控核聚变实现之前，人类能源设备发展的终点。 行业龙头争分夺秒，期望在下一次产业革命中拔得头筹。一些公司重新给出了固态电池装车的时间线，丰田认为是2030年，宁德时代给出的时间线在2025年左右，LG化学和QuantumScape的时间线在2024年。此外，宝马、福特等车企均表示将在2025年前后推出搭载固态电池的原型车。 饼很大，看起来很香，但不是所有人都吃得下。一位投资人给这个梦想破了一盆冷水，“我们不会投资只做全固态电池的公司，那是在赌博”。

蔚来发布150度电池之后，我们的投资人隔三岔五就问我们进度，我们想告诉投资人他们是在吹牛，但是也说不出口，我们只有十几条测试线，电池充放电一次好几个小时，测试一千次就得一两个月，哪有这么快”，另一位固态电池公司内部人士对虎嗅表示，类似的测试电池充放电寿命的产线，宁德时代有上千条。“在我们看来，他们的技术路线是有问题的，而且他们在实验室阶段就烧了好几次，他们内部现在也很焦虑”，这位人士透露了他了解到的为蔚来汽车提供150度电池的某企业的研发现状。 固态电池是L5级自动驾驶以外，汽车产业最大的一张饼。自动驾驶描述了一个将人类从出行的繁杂中解放出来的故事，固态电池的故事则改变了人类储存能量的方式。二者都属于“一劳永逸”的技术，但在实现难度上，比登月还高。
处于固态电池研发最前沿的那批科学家，互相熟知，甚至有些是师兄弟，他们时常彼此传递进展。其中的一位对虎嗅表达了悲观的态度：“造不出来，或者说能造出来一个性能不太行的，汽车用不了”。
整个固态电池的发展史，由多数的失败、妥协和少部分的坚持写就。 2017年，美国电动车公司Fisker发布了一项刚完成申请的固态锂电池专利：充电1分钟，续航800公里。这个技术指标在现在依然是骇人听闻的。 创始人Henrik Fisker在接受采访时信誓旦旦地表示，固态锂电池会在2023年量产，价格只有锂电池的三分之一。2018年，Henrik Fisker表示，公司攻克了固态电池难题，最终设计将在数月内公布。但到了2021年，Henrik Fisker表示，已彻底放弃固态电池计划。
“这是一种这样的技术，当你觉得已经完成了90%，几乎达到目标时，然后你意识到剩下的10%比前面的90%困难得多。因此现在，我们完全放弃了固态电池，因为真的无法落地。”Henrik Fisker说，“我个人认为，不管是哪种形式的量产，固态电池都至少还需要7年。” Fisker的“头铁”，导致了最终的失败。在固态电池赛道，更多的创业者，选择妥协。 做混合锂金属电池的公司SES创始人胡启朝向虎嗅描述了另一个探索下一代电池技术路线的故事。
胡启朝的导师在1996年至2012年都在做固态电池的研究工作。胡启朝自己的博士论文，也是全固态电池研究。在2012年创业以后，他发现全固态的金属电池仍存在诸多基础问题，比如正负极界面抗阻、锂离子导电率问题等。这些问题让固态电池的充放电性能及寿命大打折扣。 “做科研的人说话不会太绝对，但全固态电池很难做出来，我们遇到的问题是基础性的化学问题，这类问题不是可以靠时间去解决的”，他说。
基于资方建议及自身发展考虑，胡启朝最终选择放弃固态电池路线，去做混合锂金属电池。 “可能需要十个爱因斯坦这样的人物，而不是找十个成熟的科学家，才能解决这些基础化学层面的问题，现在元素周期表上的东西都试了一遍，解决基础问题等于在元素周期表上增加其他的元素”，前述人士对虎嗅表示，现有的化学体系无法突破固态电池的瓶颈。
当前，固态电池的技术路线分为聚合物、硫化物及氧化物路线。其中，欧美企业侧重于氧化物和聚合物技术路线；中国企业侧重于氧化物技术路线；日韩偏重硫化物技术路线。 这三个技术路线都存在相应的技术难题。聚合物电解质需要加热到60℃才可以获得足够的导电率；氧化物电解质中锂离子的电导率比液态要低很多；硫化物电解质中的锂离子导电率跟液态相近但是易氧化产生有毒气体。 除了电解质难造外，固态电池的问题还包括循环性能差、固固界面的反应机理及机制问题，以及锂负极的可充性等等。
赣锋锂业在2020年业绩说明会上曾宣布其研发的第二代固态电池能量密度超350Wh/kg，循环寿命接近400次。 但事实上，400次的循环寿命连国标的一半都没达到，更不用提量产装车。而清陶能源、辉能科技等固态电池企业的产品，在循环寿命或充放电性能上都存在较大的难题无法突破。 “这些问题看似差之毫厘，实际上失之千里，现在市面上的公司都是报喜不报忧，比如那些不敢公开自己体积数据的电池，体积上常常都是有问题的，看起来重量能量密度很好看，但是能量和功率除以提及，性能就很难看了，拿充放电性能说事的，又回答不了能量密度的问题”，前述人士表示。
制造出全固态电池这个“长生不老药”只是第一步，汽车行业需要“长生不老药”变成白菜价。“我本科的时候，我的老师就告诉我，汽车制造的研发是最难的，航天、半导体这样的领域看似技术壁垒高，但是他们可以不计成本去研发，汽车不行，成本和使用寿命至关重要”，一位固态电池研发工程师对虎嗅表示。 据该人士透露，目前部分头部公司的固态电池产品已可以在手机、无人机等领域应用，但在汽车领域应用仍面临诸多技术难题和工程问题。
首先是电池寿命。手机等3C产品对电池充放电寿命的要求约为600次，无人机则是200次，不考虑造价的情况下，现有的固态电池样品可在性能上满足使用要求。但在汽车领域，国标对动力电池的寿命要求是1000次以上。且仅达到国标的固态电池，是无法与充放电寿命超过3000次的锂电池竞争的。 这其中还面临如何将电池尺寸做大、集成的问题。“我们现在只能做出单片的样品，但是最终做成电池组和电池包会面临新的技术难点，就像搭积木一样，你有一块积木了，还需要继续考虑怎么把积木搭成房子”。
另一点就是制造的难题。通常情况下，现有的锂电池存在尺寸、材料的不同，但不同的电池产品生产线的共用率可以达到60%。全固态电池是一个新的体系，如何去设计一条自动化的固态电池生产线，是横亘在所有人面前的难题。 以固态电池等下一代所采用的锂金属材料为例，该材料对空气中的水分和氧化性分组极为敏感，反应产生的绝缘物体会直接影响成品的电化学性能。更严重的是，如果锂金属材料不慎与水接触，会发生剧烈的产热反应引发爆燃。这使得锂金属对运输、储存和加工过程的操作工艺、设备及环境要求非常严格。“意思就是，固态电池所需的材料需要在真空中制备，甚至在部分化学气体中才能制备，且对温度等条件的要求极高”。
而另一样可以提升固态电池稳定性的元素铂，则一直被业内认为是不适合大规模量产与应用的元素，因为成本过高。此外，富锂正极等材料，虽然已成为业内对技术路线的共识。但目前基本停留在，知道要用这个，不知道如何规模化的阶段。 宁德时代创始人曾毓群也曾在接受采访时表示，全固态电池所需的固态电解质中离子扩散速度仅为电解液的十分之一，若要提升能量密度只能将固态颗粒纳米化，这也是固态电池带来的工艺难题。这位人士透露，搭建一条这样严苛的固态电池产线，是一个系统性工程，除了需要多制造环节进行优化设计，还需要设计新的制造设备。
对于丰田、宝马等制造业巨头而言，固态电池新生产线的研发或许可以如期实现 ，但对于缺乏从头开始制造关键零部件能力的初创企业而言，制造的关卡就是死穴。 这些因素，共同推高了固态电池的成本。 上世纪九十年代，美国橡树岭国家实验室造出全固态薄膜电池的电解质时，就有人测算过相关材料量产后的造价。“按目前一辆电动车的70度电算，足够装备一辆车的早期全固态薄膜电池造价超过4亿美元”，前述人士说。即便制造工艺改进后，全固态薄膜电池的造价依旧超过三元锂电池数十倍。
2021年，丰田就表示，将固态电池领域持续投入135亿美元资金，宝马、福特等车企都选择押注拥有少量专利的创业公司。而在国内，在液态电池领域处于领先地位的宁德时代、比亚迪等企业也在持续投入。这个过程存在运气，没人知道电池领域的爱因斯坦会在哪里，唯一的办法是通过烧钱去提高成功的概率。“没人有十足的把握，也没人想放弃，就继续烧呗，固态电池的烧钱能力可不弱于航天”，一位投资人对虎嗅表示。