充电10分钟，续航1000公里，固态电池就要来了？

3月25日，智己汽车联席CEO刘涛宣布了一个“王炸”新闻：智己L6将搭载首个量产上车的超快充固态电池，实现超1000公里续航。

今年1月，台湾省一家名叫辉能科技的公司也宣布，全球首条固态电池生产线正式量产，初始产能为每年0.5GWh，足以供应1.4万辆电动汽车使用，最终规模预计将达到2GWh。

而在3月15日的宁德时代业绩解读会上，曾毓群却表示，就技术层面而言，固态电池仍然面临固态离子扩散等很多基本的科学问题，距离商品化还很远。

一边是量产上车，实现超长续航、快速补能，另一边是技术挺牛，但距离很远。

固态电池到底是何方神圣，凭什么能给新能源汽车带来颠覆性革命？

技术上的难度又在哪里，为什么丰田、上汽纷纷宣布量产了，宁王们还在研究阶段？

固态电池，新能源“圣杯”

一个电池，主要由正极、负极、隔膜和电解质四部分组成。

电池充放电，本质上就是正负极得失电子的过程。

打个不恰当的比方，如果正极和负极是地球上最后两个人类，需要借助离子运动保留人类的火种，那么电解质就像一个催化剂，负责在正负极之间传递“荷尔蒙”（离子），让电池正常工作；而隔膜更像一个安全监督员，负责隔绝正负极，防止“干柴烈火”，发生短路。（注：全固态电池没有隔膜）

目前新能源车的动力电池，按照电解质形态的不同，大致分为液态、半固态、固态三种。

液态电池顾名思义，电池的正负极材料浸润在液态电解质中，而固态电解质采用固体材料，离子在固体之间穿梭，半固态则介于两者之间。

同样都是电池，为什么电解质要搞成不一样的？

新能源汽车的动力电池，最重要的指标无非三点：能量密度、充电速度、极端天气下的工作效率。

从能量密度上来说，液态锂离子电池通常使用石墨作为负极材料，其理论比容量有限（约372mAh/g）。

相较之下，固态电池则可以采用更高能量的电极材料，如硅基负极，其具有非常高的理论比容量（约3000mAh/g）。

这主要是因为，锂金属在充电时容易在电极表面形成尖锐的突起，称为“枝晶”。如果是液态电池，这些枝晶可能会穿透隔膜，导致电池内部短路。

而固态电解质可以提供更均匀的锂离子沉积表面，有助于抑制枝晶的生长。

同时，一个电池的体积大小是固定的，理论上，真正能产生电的正负极材料体积越大，电池就能存更多的电。

反过来，电解液作为一种“催化剂”，体积小一点，就可以给正负极多腾出点空间。

想象一下，液态电解质就像一杯水，只有填满整个杯子，水流（离子）才可以在杯子里的各个地方流动。

但如果你把水倒掉一些，那么杯子里的某些地方就会变干，离子（就像水流）就过不去，电池就没法好好工作。

而且，如果水不够多，杯子里的东西（正极和负极）就可能碰到一起，短路了，那就危险了。

而固态电池可以像摊煎饼一样，摊得更薄，留给正负极的空间很大，能量密度也更大。

按照2023年的数据，宁德时代的NCM811电池最大单体能量密度可达245Wh/kg，比亚迪现装车三元锂电池单体能量密度最大可达219Wh/kg；

而固态电池，根据目前各种实验性的产品来看，其能量密度普遍达到了300Wh/kg以上，有的甚至达到了500Wh/kg。

再说充电速度。

液态电解质的分子排列比较松散，没有固定的通道，锂离子在其中移动时会受到周围分子的阻碍，这就限制了它们的移动速度。

而固态电解质的分子排列更紧密、有序，形成了类似“滑梯”的结构，锂离子可以更直接、更快速地通过这些通道。

因此，目前使用液态电池的新能源车，如果用的是慢充的充电桩（3.3kW到7.2kW之间），大概要3小时到8个小时才能充满，即使是用快充（50kW、120kW甚至更高），也要30分钟到1小时，才能为电池充入80%左右的电量。

相较之下，固态电池，例如QuantumScape与大众合作开发的样本，在室温下可以在15分钟内充电到80%。

最后来看极端天气时的工作效率。

液态电解质的液体特性，使其在低温状态下会变得粘稠，就像冬天沐浴露、洗发水也会变“稠”一样，这会导致离子移动速度减慢，降低充电效率。

而全固态电池的电解质在-30°C和100°C的范围内都不会凝固，不会气化，所以温度适应性很好。

这么看下来，固态电池完胜啊。

那为什么新能源汽车还一直憋着用液态电池，大家脑子都瓦特了？

当然是因为，造不出来啊。

技术难点

要想实现全固态电池，人类至少有三大难关要跨越：

1. 离子导电率问题

前面提到，固态电池之所以能远超液态/半固态电池，一个重要的原因，就是固态电解质拥有更高效的离子传输通道。

然而，有了更高效的通道，未必意味着离子传输得更快。

用一个比喻来解释：液态电解质就像是一个繁忙的市场，离子（锂离子）需要在摊位之间穿梭，虽然空间大，但是路径复杂，离子可能会遇到很多障碍。

而固态电解质则像是一个有明确指示牌的迷宫，虽然通道（晶格结构）可能比市场狭窄，但是路径清晰，没有那么多的混乱和障碍，所以离子可以更高效地通过。

不过，固态电解质的问题在于，这些“迷宫”的“门”（离子传输通道）在室温下可能不够宽敞，导致离子通过的速度不够快。

在固态电解质中，离子的移动依赖于它们在晶格结构中的跳跃。在较高的温度下，晶格振动增强，为离子提供了更多的能量和空间来移动。

而在室温下，这些振动较弱，离子需要更多的能量才能在晶格中移动，这就是为什么固态电解质在室温下的离子导电性，通常不如在更高温度下。

2. 热膨胀系数

热膨胀系数这东西，就像是材料在热胀冷缩时的“个性”。

全固态电池里头，各种材料得像好基友一样紧密合作，如果它们的“个性”太不一样，比如有的热了就爱膨胀，有的却不怎么变，那就有点麻烦了。

想象一下，你和你的搭档要一起做拉伸运动，但你的搭档一热就变得特别软，而你却还是很硬，那你们俩就很难同步，时间长了，可能会因为不协调而受伤。

电池也是这样，如果材料之间因为热膨胀系数不匹配而“受伤”，那电池的寿命就会变短，用起来就不给力了。而这也引出了下一个难点，那就是界面稳定性。

3. 界面稳定性

在全固态电池中，固态电解质和电极材料之间的接触必须非常紧密，以确保离子能够在界面处顺畅地传递。

全固态电池里面有个大问题，就是电解质、正极、负极都是硬邦邦的固体，它们在接触的地方可不是那么和谐。由于上面提到的热膨胀系数，这些家伙挨在一起，膨胀程度不一致，就会互相挤来挤去，搞得它们接触的地方（就是咱们说的界面）处处生波。

电池在充放电过程中，会经历多次的体积膨胀和收缩，界面的不稳定性会随着电池循环次数的增加而累积。

最糟的情况就是，有的材料膨胀力太大，把它们的接触面给掀开了，直接把它们分开了，这就等于断了离子传输的路径，电池就无法正常工作了。

在这些现实的困难面前，人们先“退而求其次”，转向了半固态电池。

前面提到过，由于电池在充放电过程中，正负极会因热膨胀系数差异过大，导致电池内部产生应力。

这个问题在液态电解质中，可以通过电解质的流动性来缓冲。因此，半固态电池的“重点”，就是在电极和固态电解质之间使用某种液态介质或添加剂来减轻这种膨胀的影响。

前面提到的辉能科技，官网信息显示，当前一代电池采用NCM811（一种镍钴锰三元材料）正极和硅碳负极，但正极和负极都采用了Catholyte以及Anolyte的称呼（意为液体、凝胶状或固液混合物）。

所以，这次宣称的所谓“固态电池”，实际上是一种混合固液电池，也就是半固态电池的一种。

智己搭载的固态电池，也是一款半固态电池。

当然这么说也没毛病，因为一般真正做固态电池的，都会强调自己是全固态电池。

量产难题

除了技术上的各种难点外，固态电池最重要的问题，是量产过程中各种肉疼的问题。

具体来说，问题主要有两个：一、材料成本高；二、制程难度大。

首先说说材料成本。

造成固态电池材料昂贵的原因，主要就两个：一个是原料稀缺，另一个是生产工艺复杂。

先说原料稀缺这块，常用的固态电解质大多是一些稀有金属的化合物，比如锗、铋、钒等。

举例来说，常用的硫化物固态电解质里，也需要添加一些稀土元素（例如铝、钇、铈等）来提高离子电导率，这些稀土元素国内储量也所剩无几。其中钇在国内储量极其贫乏，据统计仅有约1万吨，几乎全部依赖进口。

除了原料短缺之外，生产工艺的复杂程度也是价格高昂的一大原因。制造固体电解质需要高温、高压、无水无氧等极端条件，而且对反应物纯度要求超高。

比如硫化物固体电解质的制备，需要在1000多摄氏度的高温下，用真空气氛保护加热12个小时以上的反应才行。你想想这个能耗和时间成本有多高。

所以，一来原料本身就贵，二来生产过程又太麻烦，导致固体电解质的制造成本实在太高。以现在最先进的硫化物固态电解质为例，它的价格可以高达每吨上万美元。

再来说说制程难度的问题。

制造固态电池的过程中，温度和压力的控制就跟在高空玩平衡木一样，稍稍一走神就完蛋。比如说，固体电解质材料在高温下很容易发生离子迁移、相变等问题，一旦结构被破坏，离子传导性能就会遭重创。

有研究发现在450摄氏度下热压30分钟，固体电解质的离子电导率就会下降90%以上。

再说压力，如果压实不够，电极和固体电解质之间就会留有缝隙，造成界面接触不良，增加内阻；

要控制这些精密的温度和压力参数，生产环节往往需要用到很多精密设备。例如真空热压机、等离子体烧结设备（SPS）等。

而制造环节中，只要和“精密”有关的部分，成本往往都低不了。SolidPower这家美国固态电池公司仅仅为在科罗拉多州建立一条固态电池的演示生产线就耗资7700万美元，约合人民币5亿元。

尽管目前人类已经在尝试通过自动化生产、AI建模预测优化工艺路线、缩短产业化周期。要让固态电池真正实现完全商业化、大规模量产，恐怕还需要5年至10年的持续努力和投入，2027年至2030年后是更现实的预期时间窗口。

这也和目前众多企业定下的目标接近。例如长安汽车提出，计划到2030年，将推出液态、半固态、固态等8款自研电芯，形成不低于150GWh的电池产能；而据清陶能源的规划，下一代准固态电池，要到2027年才能实现量产。三星SDI也宣布，其能量密度为900Wh/L的全固态电池，也计划在2027年量产。

那么，全固态电池真就造不出来吗？各大厂商进度到哪里了？

各路挑战者

虽然真正的全固态电池，实现起来困难重重，但在强大性能的诱惑下，技术上的“硬骨头”总是有人会啃的。

欧洲和美国在固态电池研发投入大，技术创新也多，跟汽车厂商合作搞研发项目也不少。但和中国、日本、韩国比，还是有点跟不上节奏。

目前来看，全球动力电池装机量前十名企业，中国企业有6家，占比超过50%；韩国企业3家，日本企业1家；而欧美一家都没有。

中日韩三国中，韩国锂离子电池所需的关键材料（阴极、阳极、隔膜和电解质）以及零部件高度依赖中国和日本进口，后两者共同占据了全球阴极市场的70.2%份额。

所以，想看固态电池的最新进展，就必须得关注中日韩，尤其是中日两国的情况。

中国这边，宁德时代和比亚迪在固态电池上，都研发出了各自的“看家本领”。

1. 宁德时代

具体来说，宁德时代这边搞出了个叫凝聚态电池的新技术，能量密度达到了炸裂的500Wh/kg，原本续航700公里的车，装上凝聚态电池之后，续航可以直奔1500公里以上。

所谓的凝聚态，虽然名字听着玄乎，其实跟咱们平时说的固态、液态差不多，都是物质的一种状态。只不过这个凝聚态，它更特别，就像是介于固态和液态之间的那种感觉，有点儿像果冻，既不是完全硬邦邦的，也不是流动的液体。

之前提到过，全液态和全固态电解质，存在一个两难的问题，前者导电性虽好，但容易和金属锂发生反应，且无法抑制“枝晶”的生成，后者虽然避免了前者的缺点，但是室温下的导电性又不太理想。

而凝聚态这种电解质的好处就是，它既不会像液体那样到处乱流，也不会像完全的固体那样硬邦邦的，它在保持一定流动性的同时，还能稳定地传递电能。从而做到了一种最佳的平衡。

这样一来，电池就能在保证安全的情况下，往其中加入更多高能量密度的电极材料，提高电池的能量密度。

2. 比亚迪

在固态电池方面，除了丰田，比亚迪是第二个最早开始研发固态电池的车厂，并且在固态电池专利数量方面，比亚迪以76项专利在国内厂商中排名第一。

而在具体的技术路线上，比亚迪在全固态锂电池的研发上，主要探索了两种技术路线：氧化物固态锂电池和硫化物固态锂电池。

而这两种电解质的优势就在于：氧化物固态电解质，通常具有较高的化学稳定性和热稳定性，能够在较宽的温度范围内工作。而且它们的电化学窗口很宽，意味着可以在较高的电压下稳定运行。

而且因为各种金属氧化物，如锂、钛、锆等元素的氧化物。在地壳中相对丰富，易于获取，因此原料成本相对较低，易于规模化生产。

但同样地，其导电率和其他固态电解质一样，在常温下都相对较低。

硫化物固态电解质具有较高的离子电导率，这主要是因为其通常具有开放的晶格结构，这种结构为锂离子提供了较多的迁移通道；且硫化物固态电解质的晶界电阻相对较低，这意味着锂离子在晶界处的传输阻力较小。

然而，硫化物电解质在潮湿空气中不稳定，容易与水反应生成有毒气体（如硫化氢），并且与氧化物相比，它们的化学稳定性较差，对生产环境的要求较高。

对比亚迪这种新能源车巨头来说，硫化物路线探索前沿技术，氧化物路线做技术保底，属于“两条腿走路”。

3. 丰田

日本那边，虽然搞固态电池的公司没那么多，但实力不容小觑，专利数量高达1300项，丰田就是其中的佼佼者之一，其技术重心，和比亚迪一样，放在了硫化物固态电解质的研发上。

丰田还在丰田市的Teiho工厂开发新的电池制造工艺，并且在日本的三家工厂进行了预演。

他们计划推出两个版本的全固态电池，第一个版本预计在2027到2028年问世，续航里程超过993公里，而且能在大约10分钟内将电量从10%充到80%。第二个版本的续航里程将超过1192公里，但具体时间还没确定。

丰田全固态电动车曾进行过路上测试，但存在循环问题尚未全面解决，这也是硫化物路线的老大难问题。

尾声

从固态电池的强大性能来看，它就像是新能源车的一把火，让新能源车彻底摆脱了“充电焦虑”和“续航恐惧”，是目前最有可能颠覆新能源汽车的技术之一，其意义不亚于第二次工业革命中，内燃机取代蒸汽机的意义，是一种真正划时代的技术。

虽然目前量产技术上还有困难，但可以肯定的是，全固态电池最终一定会实现的，只是能否在汽车上首先应用，还要打一个问号。

在我看来，全固态电池应用的载体，首先可能是消费类电池，而不是汽车。

因为从能量密度、循环寿命和体积上的要求来说，消费类电池，例如无人机，手机，笔记本电脑等等，比新能源车低太多太多了。

除此之外，固态电池另一个可能的应用方向，是不计成本的军工用途，例如，固态电池长续航，高能量密度的特点，对某些轻量化和长续航的军事装备（如无人机和潜艇）来说非常有吸引力。

就现状来说，在未来几年内，在全球动力汽车的电池产业上，多头格局相对比较稳定。

但从长远来说，未雨绸缪总是好的。

毕竟，每当能源行业的范式改变时，新老行业巨头的地位都会发生交替，我们（的电池产业）现在已经是全球领先了，如果不想重蹈通用、福特没落的覆辙，唯有不断突破新技术。

只有敢于自己颠覆自己，才可能不被后来者颠覆。

本文来自微信公众号：酷玩实验室（ID：coollabs），作者：酷玩实验室