固態電池遭遇全球難產鋰電“聖杯”恐怕只是一場夢
“固態電池普及之日,就是燃油車退出歷史舞台之時。”這是多年前流傳於新能源行業的一句話。大眾汽車電芯中心負責人弗蘭克·布洛梅甚至將固態電池稱為鋰離子電池的“最終篇章”和可控核聚變民用化之前的能源設備終點。
彷彿誰能率先造出固態電池並實現其大規模商業化,誰就將獲得鋰電技術的“聖杯”,成為能量魔方的解密者,和全球新能源行業的霸主。
正是在這樣的背景下,全球新能源從業者、分析師和投資人們都開始瘋狂追逐這一方向。以QuantumScape、Solid Power 等為代表的美國創業公司,豐田、日產、松下等日本汽車和化工巨頭,以及一些中國電化學材料方面的企業,紛紛加入了領域內的較量。
QuantumScape(簡稱QS)是其中的代表性企業,其背後的投資者也是陣容強大,包括大眾汽車集團和比爾·蓋茨。
QS也不負眾望,在2020年上市前,QS已經驗證了他們的單層電池在室溫加壓的情況下,以1C的速率充放電循環1000次後還可以保持初始儲能量的90%。同時QS宣布他們已與大眾合作啟動生產線的建設,預計在2025年可投產。這直接把QS的股價推高了10倍。
然而,狂歡之後,越來越多的人提出質疑,畢竟單層電池距離實際應用還非常遙遠,即便技術問題解決了,能否商用化也成問題。
QuantumScape採用的無機氧化物固態電解質層,重量是傳統鋰電隔膜的10倍以上,由於固態電解質離子電導率低,影響了放電倍率和低溫工況下的性能。該公司不得不在電池正極側添加不少於20%質量的氧化物提供離子電導。
這些非活性物質的增加,使得電池的能量密度降低,有行業資深專家告訴品駕,QuantumScape電池能量密度難以超過350Wh/kg,無法和主流傳統鋰電高端產品水平拉開差距,想要達到固態電池理論能量密度的峰值水平,更是難上加難。
事實上,人們認為固態電池是因為固態帶來的高能量密度是完全錯誤的。真正提升電池能量密度的關鍵在於使用矽或者鋰金屬負極。這兩種負極也正用於液態電池,以提升能量密度。
另一方面,固態電池的更高安全級別同樣經不起推敲。人們普遍認為,固態電解質絕緣性好,不可燃、不揮發,即便發生了形變,也不會導致電解質外漏,但物理性能的安全只是電池安全的一個側面,其他任何一個側面的高危都可能讓固態等於不安全。
美國能源部的一項研究發現,全固態電池在因為鋰枝晶引發短路的溫度比傳統鋰離子電池更高,而熱量的釋放可能會通過易燃包裝或者附近的其他材料而起火;並且當固態電解質層因為各種原因而完整性受損的時候,反應更是會釋放巨大的熱量。有趣的是,QuantumScape公司的萬聖節活動上,連續很多年都會有人假扮成一個鋰枝晶形狀的怪物。
更值得人們關注的是,QuantumScape採用的氧化物片電解質硬度太高,不得不增加凝膠電解質來改善界面,而這樣做將會降低固態電池的本徵安全性。尤其是其氧化物片由於金屬鋰沉積的臨界電流密度很小,在未來使用中將很容易發生短路。
QuantumScape在去年年底也對電池安全含糊其辭,當時該公司勉強造出了首批原型固態電池並交付給汽車客戶,創始人、CEO兼董事長Jagdeep Singh提到這批電池產品的可靠性方面“仍有很大提升空間”。
不僅如此,量產也仍有許多問題沒有解決。雖然氧化物基電解質這種材料在空氣中具有更好的穩定性,但對製造工藝要求很高,需要800攝氏度以上的高溫燒結才可以緻密成型,對於大尺寸、超薄和無缺陷的陶瓷製備工藝有著極高的要求,對電池規模化製造帶來了更大的挑戰。
在生產環境和原材料純度方面,全固態電池的要求更是比傳統鋰電更高。批量生產大尺寸的電解質薄膜可能存在困難,因此全固態電池的量產初期或只能小規模生產,用於一些對於成本容忍度更高的領域。韓國新能源研究機構SNE報告指出,即便到了量產階段,全固態電池的成本至少也是鋰離子電池的兩倍,跟新能源汽車行業追求的“降本”背道而馳。
固態電池的狂歡盛宴裡,最聰明的資本最先冷靜下來。同樣在去年底,摩根士丹利分析師Adam Jonas發布研報,將QS評級從“持股觀望”下調至“減持”,並將目標價從12美元下調至僅4美元,創華爾街新低。原因包括規模化和獲得整車廠認可的時間線的不確定性,以及公司面臨更困難的融資環境。Adam Jonas表示,雖然固態電池可能仍然代表著能源存儲的未來,但事實證明,實現這一目標的道路比我們和市場預期的更困難,也更遙遠。
由於市值也不斷脫水,股價從高位的132美元跌至今天的7美元,QS公司也開始裁員,似乎進入了Gartner 技術成熟度曲線的“泡沫破裂谷底期”。結果,環繞在這匹曾經的黑馬周圍的泡沫,開始崩塌。
在QS仍然在技術和資本的雙難中苦苦掙扎的同時,美國新能源汽車品牌菲斯克已經宣布放棄研發固態電池的計劃,轉而推出搭載液態鋰離子電池的普通電動車。許多人或許還記得2018年,該公司就表示將在數月之內量產固態電池。如今該公司創始人只能用這樣的解釋來掩蓋當初的尷尬,“固態電池是一種這樣的技術,當你覺得你已經完成了90%,幾乎達到目標時,然後你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多。”
豐田的固態電池故事裡跳票是個關鍵詞。在新能源方面一直押注油電混動路線,導致純電技術落後的豐田,一直希望通過提早佈局固態電池技術進行超車。其佈局固態電池最早可以追溯到2008年,當時該公司宣布和英國創業公司伊利卡(Ilika)合作共同研發固態電池材料。
10年過去了,豐田在固態電池上的合作夥伴少說也有了七八家,甚至連這方面的專利都已經累積到了1300多項,數量遙遙領先,是排名2-5的四家日韓企業的相加之和。可惜的是,從技術落地到量產的難度不亞於一次西天取經。在前年一場名為“2030電池戰略會”的活動上,豐田表示在高能量密度的全固態電池方面研發進展不樂觀,在合適的硫化物電解質材料這一關鍵課題上一直未能破局。
圖片來源:豐田
在技術困難無法攻克的背景下,豐田不得不一再推遲全固態產品的量產,其2019年就表示,將在2020年東京奧運會時推出一款搭載固態電池的新能源車型。然而即便奧運會推遲了一年,給了豐田更多的時間,消費者仍然未能等到固態電池搭載車型。同時在商業化方面選了一條令人扶額的路線:將固態電池技術優先投放混動汽車產品,而非面向純電車型一步到位。
考慮到電動化,特別是純電化在中國已經形成了不可阻擋的趨勢,燃油車的黃昏壯麗,純電車型的曙光刺眼,讓非增程混動車型的市場前景一片黯淡。加之豐田本身的車輛技術迭代周期太長,普遍達到4-5年;其唯一的一輛純電車型bZ4X初戰告捷,又遭遇大規模召回(儘管是非電池原因),在前幾天終於官宣項目徹底停產。
豐田的決策,再次令人感受到了這家日本汽車巨頭在新能源時代的無所適從,儘管豐田表示要在2025年前推出固態電池。但“狼來了的故事”使人不得不降低對其在固態電池技術上的預期。
留給豐田兌現承諾的時間或許已經不多,在剛剛過去的上海車展寧德時代已經發布了凝聚態電池,最高500Wh/kg的高比能、高安全,關鍵在今年就可量產。因此更大的可能是,凝聚態裝車後,固態電池或許將徹底失去商業化的可能性。
如今固態電池這個曾被萬眾期待的終極電池技術,已經難再撐得起燃油車“終結者”、鋰電“聖杯”的名號。它看起來越來越像一群人在錯誤的技術路線上,共同做了一場夢。