大家好,我是電動車公社的社長。

 

最近,廣汽埃安率先發布了全球首款1000公里續航車型,堪比不少混動和增程車型,著實讓不少人驚掉了下巴。

 

大家都沒想到,超過1000公里續航的車型居然來得這么快!而且也的確沒想到,廣汽年初夸下的???,居然真的實現了。

 

里程焦慮,似乎不再是購買一臺新能源車最大的阻礙了。不過新能源車能實現1000公里的超長續航,核心要點還是能量密度。

 

我們知道,鋰電池是由正極、負極、電解質(也就是電解液)、隔膜和電池外殼組成的。

 

 

不嚴謹地說,電池中鋰離子所占的比例高低,決定了儲存能量的多少。

 

就比如AION LX使用的海綿硅負極片電池技術,從負極的硅碳材料入手,將電池包的成組能量密度提升了差不多20%(205Wh/kg,144.4kWh)。

 

明年上150度電池的蔚來ET7,也是在硅碳負極的基礎之上額外采用了混合固液電解質,才把單體電芯的能量密度提升到了360Wh/kg。

 

即使是按照70%的成組效率來算,電池包的密度也會大于250Wh/kg。1000公里成就get√。在業內量產的電池技術里,這兩家基本上快摸到鋰離子電池能量密度的天花板了。

 

但真正的天花板,還得說是采用固態電解質、能量密度更高的全固態電池。

 

等到大規模量產的那一刻,或許隨便一臺車都有個千八百公里續航,配合超充就是一個字:香。

 

但就在前幾天,突然沖出了幾家像SES、恩力動力這樣的電池初創企業,宣稱自己已經已經成功研制出了新型的鋰金屬電池,并且很快就能量產。

 

這種電池在負極直接使用了鋰金屬,能量密度居然能接近幾年后量產的全固態電池!

 

這讓社長有些好奇:這種鋰金屬電池是什么來頭?它是不是下一代的新型電池技術?電池巨頭的格局,又會不會發生新的變化?

 

今天,我們就來好好聊一聊。

 

01. 鋰金屬電池的前世

 

從廣汽和蔚來的例子中我們不難發現,兩家車企就好像事先約定好了,都采用了硅碳復合材料作為負極。當然,對負極材料下狠手的,還有“摻硅補鋰”的智己。

 

相比于現在市面上絕大多數新能源車采用的石墨負極電池,硅負極材料的理論鋰離子容量能達到4200Ah/kg,比石墨的372Ah/kg高了十倍有余,也就變相提高了能量密度。

 

如果按照美國能源部的定義,根據負極材料的不同、能量密度逐漸增加、把鋰電池技術分為三代的話,最常見的石墨負極電池就是第一代,即將鋪開的硅碳負極電池屬于第二代。

 

 

而第三代,就是在負極直接應用金屬鋰的電池了。

 

熟悉新能源車的小伙伴都知道, 1881年法國工程師古斯塔夫·特魯夫就制造出了全世界第一輛電動車,其采用鉛酸蓄電池供電、直流電機驅動,比第一輛奔馳還早了4年。

 

鋰金屬電池的發展歷程,也頗有幾分早期電動車的意味。

 

早在上世紀70年代鋰電池剛剛誕生的時候,科學家們就嘗試過應用金屬鋰作為電池的負極,比索尼面向市場推出首款鋰離子電池的時間,足足早了20年。

 

 

如今的鋰離子電池看到鋰金屬電池的話,可能還得叫一聲“爸爸”。

 

而科學家們看重鋰金屬直接作為負極的原因也很簡單——金屬鋰的性能,實在是太棒了!它的理論鋰離子容量能達到3850 Ah/kg,和硅負極的理論容量差不多。

 

與此同時,又有著金屬中最低的密度(0.534g/cm³)和最負的電化學電位(-3.045V),非常容易吸引電子。

 

這也就是說,作為負極材料的鋰金屬比硅還優秀。它有著極高的能量密度,電池的電壓也更容易做得更高。

 

 

在現實生活中,我們最常接觸到的鋰金屬電池,其實是汽車鑰匙中的紐扣電池。它能夠一次性使用3年左右的時間,而且體積能做得很小。

 

就比如CR2032型號的紐扣電池,這個C就代表著鋰金屬負極。當然2032R和特斯拉的18650也是一樣的邏輯,代表著直徑20mm、高度3.2mm的圓柱體。

 

但從中也不難發現:這個紐扣電池從來沒有人說要充電,都是沒電了就換——這是個用完了就扔的一次性電池??!

 

沒錯,這也是鋰金屬電池遲遲得不到量產的最大原因,安全。

 

其實從2015年1月起,國際民航組織就已經針對單獨的鋰金屬電池UN3090在客機上作為貨物運輸。這項禁令比起鋰離子電池UN3480來說早了1年多,可見其危險性。

 

具體怎么不安全,建議參考一下三星手機爆炸門。

 

鋰金屬電池不安全的原因,也和爆炸門的手機有幾分異曲同工之妙,都是刺穿了正負極之間的隔膜。正負極直接連接導致電池短路,從而過熱、起火爆炸。

 

 

就好比一塊奶酪三明治,上下兩邊的面包把中間的奶酪扎透了。只不過電池這個“面包”直連的代價,實在是有些慘重。

 

而鋰金屬電池和三星Note7之間的區別在于,Note 7是由于工藝問題,正負極上的焊點有毛刺,才刺穿的隔膜(面包做得又硬又糙,給奶酪扎了個透心涼);

 

鋰金屬電池,則是由于不可逆的鋰枝晶生長。相當于面包在放置/食用的過程中,自己長出來一塊,給奶酪扎了個透心涼。(奶酪:我招誰惹誰了!生氣)

 

 

至于為什么會有鋰枝晶生長,簡單來說就是鋰離子實在是太貪玩也太調皮了。它從正負極之間跑來跑去的過程中迷了路,最終沉積在負極的表面上,再也不動。

 

而且它還特別喜歡掛在有凸起的粗糙表面,久而久之就越長越長,最終形成像小樹苗一樣的鋰枝晶。

 

 

其實在一開始,并沒有人發現鋰枝晶的破壞作用,而是用血和淚的教訓換來的。

 

作為全球第一家把充電鋰電池推向市場的公司,來自加拿大的Moli Energy可以說是走在了時代的風口上。

 

其將二硫化鉬作為正極,金屬鋰作為負極,推出了能量密度超過100Wh/kg的電池。一經上市,便在消費電子產品飛速發展的環境下風靡全球,獲得了大量訂單。

 

但好景不長,初代產品剛剛售出200萬只,就出現了起火爆炸的安全事故,隨后宣布召回所有產品并提供經濟補償。最終只能資不抵債,破產拍賣。

 

接手的日本NEC公司隨后又生產了50萬只電芯,并安裝在新款的手機上。

 

不幸的是,經過長達一年半的“蹂躪”,這批手機電池幾乎都出現了問題,從電池衰減到起火爆炸應有盡有。無數經費背后,只是一場絢爛的花火。

 

但萬幸的是,這批電池僅僅用于測試,并沒有交付到消費者手中。

 

用慘痛的代價驗證了鋰金屬電池極低的可靠性之后,鋰金屬電池也被時代所封存。

 

02. 鋰金屬電池的今生

 

2008年發生了兩件事,間接讓鋰金屬電池激動地拍打著棺材板,重新復活了。

 

第一件事,是特斯拉Roadster的橫空出世。

 

這臺300多續航、零百加速不到4秒的油改電小跑車,第一次讓許多人看到了新能源車的無限可能,也拯救了第一次瀕臨破產的特斯拉。

 

而它能夠讓馬斯克成功說服投資人,靠的正是18650電池的高能量密度。

 

對新能源車來說,高能量密度代表著一切——更長的續航、更快的充電速度、更輕的車重……百利而無一害。

 

正如這句玩笑話說的那樣,“燃油車最牛的是油箱,最拉胯的是發動機;電動車最牛的是電機,最拉胯的是電池”。

 

能量密度,就是動力電池最大的痛點。

 

在政策的驅使下,在現實的推動下,看到了希望的車企也紛紛開始立項新能源車,進行一次次大膽的嘗試。

 

從那時起,所有的車企和電池企業都在考量一項相同的核心指標,能量密度。

 

這一目標,甚至還“傳染”給了3C消費市場,一時間大家都在追求更小的體積和更輕的重量。

 

 

另一件事,是全球都不約而同地開始布局,把資源和精力都投入了新能源產業。

 

遠的比如大洋彼岸的美國,在小布什和奧巴馬交接前后,美國能源部幾乎不計成本地投入清潔能源項目。

 

無論是太陽能電池、鋰電池、燃料電池、水分解、風能還是核能,只要是清潔能源就立項。還鼓勵各大高校,在學術上給予大力支持。

 

這批博士生畢業之后,創立了一大批搞技術的鋰電池初創企業,都或多或少地經歷過數輪融資。有些已經被大企業并購,而有些則堅持到了上市。

 

我們當然也不甘示弱,由科技部、財政部、發改委和工信部共同啟動了十城千輛工程,準備用3年左右的時間每年發展10個城市,每個城市推出1000輛新能源汽車開展示范運行。

 

有了市場,就不愁沒有高校和科學家帶頭研究。

 

除此之外,我們還特意也出臺了退稅和補助政策,大力支持國內風電設備的發展。

 

至于光伏行業,為了避免金融危機給出口帶來的影響,發改委用一次史無前例的招標,拉開了國家級光伏發電特許權項目的序幕。一出手,就是1萬千瓦時。

 

如今大國博弈的種子,其實在那時就已經埋下。

 

但不管怎樣,新能源行業都離不開一樣最重要的東西:電池,而且是高能量密度的電池。

 

 

但對于現階段的鋰離子電池,在業界看來,一抬頭就能夠看到瓶頸。目前的硅碳負極技術已經研究多年,技術接近成熟,但對能量密度的提升卻并沒有想象中那么高。

 

于是,業界分成了兩派。

 

一派有點像傳統武學的“六大門派”,其中最典型的,就是97歲獲得諾貝爾獎、過了今年就100歲的John B. Goodenough教授,“足夠好”老爺子。

 

 

仙風道骨的,是不是有點像張三豐?

 

在他看來,負極依然需要硅基或者鋰金屬這樣的高能量密度材料,但解決問題的根本方案,還是要從固態電解質下手。

 

只要能夠研發出高電導率、穩定性強、價格低廉、界面穩定性好的固態電解質,能量密度就能提升一個極大的量級。

 

順便,還能解決一下鋰金屬電池鋰枝晶生長的安全問題!

 

這也就是說,只要固態電解質成功量產,那么全固態鋰金屬電池也就指日可待了。

 

如果還拿三明治來舉例子的話,大家可以想象一下面包(正負極)和奶酪(隔膜)之間隔著一大片完全脫水的牛肉干(固態電解質),是不是很難再刺穿奶酪(隔膜)了?

 

老爺子短期的目標,就是在102歲退休之前、或者延長退休年限之后,能夠攻克這一值得再次頒發諾貝爾獎的世紀難題。也正應了老爺子的那句話——“這就是我去世之前要做的事情:留下一個更清潔,更美好的世界。”

 

當然,按照中國電池工業協會副理事長黃學杰的說法,我們在邁過錳酸鋰電池、三元鋰/磷酸鐵鋰電池、全鎳/無鈷電池之后,長期的技術目標,同樣是全固態電池。

 

目前,包括寧德時代、比亞迪、三星SDI、韓國SKI、松下在內的多家全球鋰電池巨頭,也都在積極布局固態電池??梢哉f,這就是未來明確的方向。

 

但全固態電池實現起來,卻沒有想象中那么容易。

 

一方面固態電解質的導電率會低于液態電解質,而且正負極和固態電解質之間也沒辦法很好地融合。簡單來說就是充電慢,電阻大。

 

所以全固態電池還無法大規模應用在主流3C產品和動力電池中,更不要說能量密度更高的全固態鋰金屬電池了。

 

這一派,可能要讓我們等上5-10年的時間。

 

 

于是,就出現了有點像“江湖野路子”的另一派。就是我們剛才提到的,在2008年前后創立的幾家美國公司,以及國內的科學家帶頭研究的電池初創企業了。

 

 

03. 什么時候量產?

 

這幾家里進度最快的,是一家名為SES的鋰金屬電池初創企業,由麻省理工的博士胡啟朝一手創辦,也是2008年新能源行業井噴后的產物。

 

在11月初舉辦的首屆SES BatteryWorld上,SES發布了全球首款容量>100Ah的大型鋰金屬電池Apollo,明年就能推出樣品,而2025年將會正式量產。

 

 

這造型,像不像刀片電池?

 

從時間來看,這非常符合一個外企對于開發時間嚴謹的態度,也是為了跑完為期5年的測試流程。

 

但要說這是個PPT期貨,也的確一點都沒錯。

 

從電芯的參數上看,Apollo 417Wh/kg的重量能量密度和935Wh/L的體積能量密度已經接近固態電池,差不多是現款鋰離子電池的一倍左右。

 

但對于最重要的安全問題,SES卻采用了一種另辟蹊徑的特殊方案,似乎是把電池自燃的問題扼殺在了萌芽中。

 

 

硬件層面,SES研發了一種高濃度的鋰鹽電解液,作用是改變鋰枝晶的微觀形狀,從尖頭的“樹杈”變成圓頭的“挖耳勺”,避免直接刺穿;

 

此外還在電鍍負極表面的時候使用添加劑,從而在負極鋰金屬的表面形成一層光滑的保護膜,減緩鋰枝晶的生長速度。

 

軟件上,SES的Avatar電池監測軟件會從原材料和生產檢測開始,再結合充放電狀況和使用工況等信息,模擬出一個和實體電池包非常接近的“虛擬電池包”。

 

這個虛擬電池包就像提前探路的清掃機器人,給真正的電池包開路。一旦發現鋰枝晶即將長到危險的形態,會提前幾個月就進行預警,確保電池系統的安全。

 

 

據悉,這款電池包將在上海嘉定國際汽車城的超級工廠進行量產,計劃于2023年前后投產,年產能1GWh,差不多是寧德時代的1%。

 

在完成所有的測試之后,將會主要供應給通用汽車和現代起亞。

 

至于為什么會是通用汽車和現代起亞,社長還特意查了一下,卻發現了一個SES的驚天大秘密。

 

 

早在2013年,SES就已經拿到了450萬美金的A輪融資,隨后的BCD輪更是一共拿到了1.81億美金。最近和艾芬豪資本收購公司合并之后,很快就會在紐交所正式上市。

 

目前預計的估值,是36個億。

 

而SES背后的投資人,正是包括通用、現代起亞、SKI、淡馬錫、天齊鋰業、上汽集團這種汽車圈里的大佬級企業!

 

所以SES和通用、現代起亞走得那么近,也就不足為奇了。

 

在這些投資人里,天齊鋰業作為一家鋰電池核心材料供應商,控股SES就等于控股下游企業,或許還可以理解。但SKI明明和SES是競爭關系,為什么還要控股?

 

針對這個問題,社長走訪了一下行業內的工程師,也求證了一下胡啟朝本人。

 

最終得到的答案是,這種大型電池供應商工作項目很多,重心往往會放在降低成本、提高效率上,對于不能立刻商業變現的項目投入不會很大,基本只會在千萬級別。

 

相比之下,這種新型電池技術就是一家初創企業賴以生存的根基,孤注一擲也要把新技術量產出來。

 

從生產的角度來講,SES的鋰金屬電池和普通鋰離子電池的生產工藝非常類似。正極、隔膜、外殼都相同,有所區別的僅僅是電解質和負極材料,這部分不會增加成本。

 

但目前Apollo電池大規模量產的最大挑戰在于這一大片又薄又長的鋰金屬負極,但有了天齊鋰業的合作關系,應該不會很難。

 

鋰金屬電池制造的單位成本肯定會比普通電池要高,但整體應該還是處于可控范圍之內。

 

 

04. 寫在最后

 

其實在采訪胡啟朝本人的時候,社長還問了一個比較私人的問題。

 

“如果假設現在SES已經超額完成目標,啟朝也已經功成名就了,下一步你會怎么選?是會像馬斯克一樣,換一條新的賽道繼續前進,還是有其他的人生目標?”

 

而胡啟朝本人的回答是,“我希望能夠在3-5年內把SES好好做起來,從上游的原材料開始整合,降低電池的成本。”“等到SES跑起來之后,我個人希望能夠借助SES的力量,去打造飛行汽車。”

 

或許像馬斯克、何小鵬、胡啟朝這樣的“大男孩”,都有一個心中的飛行夢吧。

 

我們現在的確無法看到飛行汽車能夠展翅翱翔,或許我們這輩子都見不到電動火箭飛上太空。

 

但社長相信,在這些理想主義者的帶領下,用不了幾年,未來的生活會發生天翻地覆的變化。

 

過去的幾年如此,未來的幾年同樣如此。