劇透特斯拉(TSLA.US)電池日，馬斯克會拿出什么殺手锏？

本文來自汽車之心(微信 ID：Auto-Bit)，作者：葉方。

作為全球最大的鋰電池買家，特斯拉(TSLA.US)理所當(dāng)然地成了各類電池技術(shù)突破的見證者。

此前特斯拉就透露稱，經(jīng)常會有各種電池樣品交到自己手上，特斯拉密切追蹤的電池研發(fā)項(xiàng)目更是有數(shù)百個(gè)之多，幾乎每個(gè)項(xiàng)目都是潛力股。

對電池研發(fā)者來說，維持好與特斯拉的關(guān)系也意味著自己潛心研發(fā)的技術(shù)更有可能受到市場青睞。

需要注意的是，任何電池技術(shù)的突破，要想從實(shí)驗(yàn)室的科研論文變身為普及的市場應(yīng)用，一般都需要 10-20 年時(shí)間。隨后，這項(xiàng)技術(shù)可能還要花 5-10 年時(shí)間不斷迭代走向成熟。

具體來說，負(fù)責(zé)概念、結(jié)構(gòu)與電芯工作原理的研究人員只能為電池技術(shù)的突破打下基礎(chǔ)，后續(xù)的研發(fā)、測試與量產(chǎn)還是要整個(gè)行業(yè)來推動(dòng)。

類似特斯拉和松下這樣的廠商，必須先從實(shí)驗(yàn)室拿到授權(quán)，隨后投入巨資解決量產(chǎn)問題，個(gè)中滋味，不足為外人道也。

鋰電池的工作原理

鋰電池由四個(gè)主要部件組成。

大家首先想到的肯定是正極(Cathode)和負(fù)極(Anode)了(注：這里所說的正負(fù)極對應(yīng)的是原電池的概念)。

其中正極材料主要是 NMC/LCA(三元材料)、LCO(鈷酸鋰)和 LFP(磷酸鐵鋰)等，而負(fù)極材料則是石墨和硅。

第三個(gè)部分則是正負(fù)極之間的隔膜(Separator)，它由非常薄的塑料制作而成，可以防止正負(fù)極之間的電解液物理接觸。

除此之外，它還是電池的「防火墻」，如果出現(xiàn)過熱情況，就能阻斷反應(yīng)，防止電池著火或爆炸。

第四部分就是電解液(Electrolyte)了，這些液體可是易燃性的。

那么這 4 個(gè)部分是如何配合完成電池的充放電呢?

你可以將電極看做海綿，它會吸收并保存鋰離子。在電池虧電時(shí)，Li+ 會聚集在電池正極。

充電開始后，Li+ 則會向負(fù)極聚集，得到電子并被還原成 Li 鑲嵌在負(fù)極材料中。放電時(shí)鑲嵌在負(fù)極材料中的 Li 則會失去電子，重新向正極回流。

在整個(gè)過程中，隔膜不能阻擋鋰離子的循環(huán)移動(dòng)，但卻要把電子擋在它們原有的地盤。

特斯拉現(xiàn)在用的就是這種電池，其體積與普通 AA 電池類似，封裝后做成電池組為車輛提供動(dòng)力。

可惜，鋰電池技術(shù)已經(jīng)觸到了天花板，再加上其易燃易爆的特性，讓電動(dòng)車廠商不敢再對其進(jìn)行挖潛。

因此，盡快用上新的電池技術(shù)是勢在必行。

什么是固態(tài)電池

這種新技術(shù)以固態(tài)命名是因?yàn)樗鼟仐壛穗娊庖?，轉(zhuǎn)而使用固態(tài)電解質(zhì)，而新的電解質(zhì)就是固態(tài)電池的核心。

除了干好自己的本職工作，固態(tài)電解質(zhì)還能一并扮演隔膜的角色。

在正極材料選擇上，高電壓型電極材料更為合適。至于固態(tài)電池的負(fù)極，則可以用到鋰金屬，以實(shí)現(xiàn)能量密度的大飛躍。

事實(shí)上，固態(tài)電池并不是什么新事物，其研發(fā)開始于上世紀(jì)五十年代，但最近幾年它們才因?yàn)殡姵馗锩男枰呱锨芭_。

相比于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)電池有幾大優(yōu)勢：

安全性首當(dāng)其沖;

其次，固態(tài)電池可以做的更加輕薄;

第三點(diǎn)最重要，即固態(tài)電池能量密度要高得多，它甚至能直接讓電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程翻番，而這是解決電動(dòng)車?yán)m(xù)航焦慮最直接的辦法。

最后，生產(chǎn)制造的難度也會有所降低。

一般來說，動(dòng)力電池系統(tǒng)需要先生產(chǎn)單體，單體封裝完成后將單體之間進(jìn)行串聯(lián)組裝。若先在單體內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián)，則會導(dǎo)致正負(fù)極短路與自放電。

固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體，可實(shí)現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝，減少了組裝殼體用料，封裝設(shè)計(jì)得以大幅簡化。

從理論上來講，量產(chǎn)電動(dòng)車中最強(qiáng)的 21700 NCA 三元鋰電池電芯(特斯拉使用)，其能量密度也只有 251 Wh/kg。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，300 Wh/kg 將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。至于固態(tài)電池，其能量密度有望達(dá)到 400-1000 WH/kg。

顯然，固態(tài)電池將讓那些嫌棄電動(dòng)車?yán)m(xù)航的用戶無話可說。此外，它的應(yīng)用還能拉低電池組甚至整車的成本——由于固態(tài)電池已經(jīng)沒有燃燒或爆炸之憂了，BMS 等溫控組件(這也是特斯拉的強(qiáng)項(xiàng))可以徹底退役，無隔膜設(shè)計(jì)還能進(jìn)一步為電池系統(tǒng)「減負(fù)」。

固態(tài)電池好是好，但想把這塊技術(shù)拼圖補(bǔ)全并不容易。

舉例來說，鋰離子在液體中穿梭遠(yuǎn)比在固體中輕松得多，此外固態(tài)電池對溫度也更加挑剔。

說到固態(tài)電池，就不得不提 Braga Glass 這個(gè)詞。

2019 年年末，「鋰電之父」Goodenough 聯(lián)合克雷爾學(xué)院高級研究員 Maria Helena Braga 共同發(fā)布重磅論文《安全充電電池的替代方案》，他們研發(fā)的這款新電池?fù)碛械统杀?、全固態(tài)、不易燃、長壽命、高能量密度、快速充放電，耐低溫等特性。

論文中還指出，新電池的電芯制造難度與成本都更低，能量密度更是現(xiàn)有鋰電池的 3 倍，可循環(huán)充放次數(shù)也更多。

2018 年 6 月，Braga 團(tuán)隊(duì)又發(fā)表了名為《非傳統(tǒng)高壓長循環(huán)壽命安全充電電池》的第二篇論文。

不過，論文的發(fā)表不代表研究人員找到了什么突破口，Braga 團(tuán)隊(duì)甚至遭到了許多業(yè)內(nèi)大牛的質(zhì)疑。

簡言之，Braga 的玻璃電池現(xiàn)在還是猶抱琵琶半遮面，第二篇論文中 2.3 萬次的充放循環(huán)、自充電等特性更是令人難以置信。再加上第一篇論文中提到的超高能量密度，如果這款玻璃電池能大規(guī)模量產(chǎn)，對電動(dòng)車行業(yè)來說簡直是核武器一般的存在。

第一篇有關(guān)玻璃電池的論文發(fā)布一年后，Elon Musk 在電話會上也談到了這個(gè)問題：

「在我看來，如果你手上真有突破性的電池技術(shù)，可以寄給我們樣品。如果你不相信特斯拉，也可以到第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證。要不然，還是閉嘴吧。有人還說自己能在銀河系玩瞬間轉(zhuǎn)移呢，但也沒見他們真的實(shí)現(xiàn)?！?/p>

時(shí)任特斯拉 CTO 的 JB Straubel 則指出，「我同意 Elon 的觀點(diǎn)，特斯拉接觸過很多家做固態(tài)電池的公司，甚至測試過多款原型產(chǎn)品，但從結(jié)果來看我們暫時(shí)還不會切換既定戰(zhàn)略。當(dāng)然，如果真有人能取得電池技術(shù)突破，我們也會成為第一個(gè)投入應(yīng)用的公司。」

對于自己的新成果，Goodenough 則表示，「我們計(jì)劃將固態(tài)電池技術(shù)授權(quán)給多家廠商，而不是讓某家廠商獨(dú)享。對大公司來說，制造一款全新電芯兩年時(shí)間就夠了，現(xiàn)在則有 50 多家公司對我們的技術(shù)感興趣，它們未來都可幫忙驗(yàn)證。」

也就是說，即使松下和特斯拉能搶先落地固態(tài)電池，其他廠商也能盡快跟上。

顯然，這會損害特斯拉在業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先優(yōu)勢，甚至?xí)蔀槁裨崴鼈兊纳羁印?/p>

事實(shí)上，各家巨頭都或多或少投資了一些固態(tài)電池新創(chuàng)公司，期待著哪一天在技術(shù)上取得突破。

福特、寶馬與現(xiàn)代就聯(lián)合投資了名為 Solid Power 的新創(chuàng)公司。

本田則選擇與 NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室及加州理工合作，試圖搞出將能量密度提升 10 倍的新產(chǎn)品(不過該項(xiàng)目依然在用電解液)。

通用方面，不但拿到了美國能源部的 200 萬美元獎(jiǎng)勵(lì)，還攜手 LG 化學(xué)投資 2 億美元繼續(xù)開發(fā)非固態(tài)鋰電池，為旗下雪佛蘭 Bolt 電動(dòng)車提供「彈藥」。

與福特建立同盟關(guān)系的大眾，則向美國固態(tài)電池新創(chuàng)公司 QuantumScape 投資 1 億美元，不過它們的生產(chǎn)線 2025 年才能建成，至于大規(guī)模量產(chǎn)要到 2030 年了。

豐田(TM.US)走的最快，它準(zhǔn)備趁著東京奧運(yùn)會發(fā)布一款搭載固態(tài)電池的電動(dòng)車。不過，量產(chǎn)恐怕要再等五六年。

除此之外，豐田還聯(lián)合本田、日產(chǎn)與松下搞了日本固態(tài)電池研發(fā)小聯(lián)盟，預(yù)計(jì) 2025 年能將電動(dòng)車?yán)m(xù)航提升至 340 英里(約合 547 公里)，2030 年則進(jìn)一步增加到 500 英里(約合 804 公里)。有趣的是，松下曾表示固態(tài)電池未來十年內(nèi)都難以投入商用。

總而言之，業(yè)界普遍認(rèn)為，固態(tài)電池真正落地時(shí)間會在 2025-2030 年之間。

特斯拉收購 Maxwell

2019 年 2 月，特斯拉以 2.18 億美元溢價(jià)收購電池技術(shù)公司 Maxwell。

這家公司不僅手握重要的干電極技術(shù)，就連 Musk 最近都表示，這項(xiàng)技術(shù)比大家想象中重要很多。

除此之外，Maxwell 的武器庫里還有超級電容技術(shù)。簡單理解，就是通過靜電方式存儲電能——這項(xiàng)技術(shù)在未來可能會成為特斯拉的定海神針。

要說 Maxwell 的干電極技術(shù)的最大不同所在，就不得不提傳統(tǒng)鋰電池制造時(shí)使用的含粘合劑材料的溶劑。

這種溶劑有毒，必須小心回收并進(jìn)行純化后才能再利用。

此外，它還需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機(jī)配合。Maxwell 的干電極技術(shù)則徹底剔除了這種溶劑。

通過這項(xiàng)技術(shù)，Maxwell 不僅能將能量密度提升到 300 Wh/kg，還能讓電池壽命乘以 2。當(dāng)然，對特斯拉最重要的還是降成本。

據(jù)悉，干電極技術(shù)能比傳統(tǒng)的濕電極技術(shù)節(jié)省 10-20 個(gè)百分點(diǎn)的成本，而且生產(chǎn)速度更快。除了免除有毒溶劑，干電極技術(shù)還可以剔除鈷這一原料，為環(huán)保貢獻(xiàn)一份力。

從現(xiàn)有信息來看，Maxwell 的干電極生產(chǎn)一共分為三步：

第一步，電極粉末的混合;

第二步，用擠壓機(jī)將粉末擠成電極材料帶;

最后壓在金屬箔集電體上產(chǎn)出干電極。

Maxwell 的干電極技術(shù)研發(fā)始于 2011 年，10 年的時(shí)間相信這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)離正式商用不遠(yuǎn)了。

如果再加上特斯拉今年才收購的 Hibar System，就更加如虎添翼了。事實(shí)上，這家新收購的公司并不是做電池的，它的絕活是泵系統(tǒng)，能將電解液加注到電池內(nèi)。

當(dāng)然，大家千萬別將 Maxwell 的干電極技術(shù)與固態(tài)電池混為一談，特斯拉當(dāng)下依然專注傳統(tǒng)鋰電池，但會借助 Jeff Dahn 的技術(shù)為電池加入兩種新的混合物，將正極材料升級為鋰鎳猛鈷化合物，而負(fù)極則會用上自然或人工石墨。

簡言之，今年的電池日上，特斯拉可能會對手上的新技術(shù)進(jìn)行一次大整合，將 Maxwell 的干電極技術(shù)，Hibar 的泵系統(tǒng)和 Jeff Dahn 的電化學(xué)技術(shù)串在一個(gè)鏈條上。

如果真如 Maxwell 所言，自家技術(shù)未來能將傳統(tǒng)鋰電池的能量密度推高至 500 Wh/kg，恐怕短期內(nèi)特斯拉不會碰固態(tài)電池。

當(dāng)然，特斯拉才不會把雞蛋放在一個(gè)籃子里，Maxwell 的技術(shù)同樣也可用在固態(tài)電池上。

不出意外的話，在今年 4 月舉辦的電池日上，特斯拉不但會大談特談新的電化學(xué)技術(shù)，還會帶來新的電池模組架構(gòu)及通向 1TWh 電池年產(chǎn)量的清晰路線圖。（編輯：孟哲）