埃隆·馬斯克（Elon Musk）說，電池是未來的關(guān)鍵。它們?yōu)榭萍几锩峁┝藙恿?，為世界帶來了智能手機、平板電腦，以及在消費者開始被鼓勵遠離化石燃料的時候，它們帶來了電動汽車。然而，驅(qū)動現(xiàn)代世界的鋰離子電池背后的科學(xué)技術(shù)在三十多年來基本沒有改變。
當鋰離子電池開始在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用時，它公開的行業(yè)秘密也再次被放大并呈現(xiàn)在公眾面前。鋰離子電池含有數(shù)百公斤的金屬和材料，特別是石墨、鈷和高純度鎳，在開采和提煉過程中會造成嚴重污染，并增加二氧化碳的排放。另一個問題是安全問題，這些電池容易發(fā)生火災(zāi)和爆炸。
這些缺點使得人們對固態(tài)電池寄予厚望，希望它能幫助解決許多環(huán)境和安全問題。固態(tài)電池采用薄薄一層固體電解質(zhì)，取代目前鋰離子電池中易燃的液體溶液，可以更密集地儲存能量。此外，固體電解質(zhì)還可以充當隔膜，隔膜在鋰離子電池中是關(guān)鍵部件，可以降低火災(zāi)風(fēng)險，減少所需原材料的數(shù)量。
電動汽車制造商特斯拉的首席執(zhí)行官馬斯克在固態(tài)電池的話題上一反常態(tài)地沉默，他的公開表態(tài)中很少提及固態(tài)電池，包括在2020年9月的“電池日”活動上。
在不增加電池組成本和火災(zāi)風(fēng)險的前提下，對更短的充電時間和更長的里程數(shù)的追求已經(jīng)達到了技術(shù)上限。解決這些限制是讓電動汽車革命真正起飛的關(guān)鍵。固態(tài)電池提供了部分解決方案，但可能會犧牲特斯拉作為市場領(lǐng)導(dǎo)者的地位。
兩大趨勢
兩大趨勢加大了電池技術(shù)變革的緊迫性，一是歐洲和中國都在鼓勵電動汽車的發(fā)展，二是全球?qū)I(yè)金屬的需求激增可能會削弱長期供應(yīng)。
隨著更嚴格的新車排放目標的逐步實施，2020年歐洲電動汽車的銷量增長了一倍多。無論是英國還是德國，越來越多的國家承諾從2030年起禁止銷售新的汽油和柴油汽車。同時，綠色技術(shù)現(xiàn)在被各國政府視為改善經(jīng)濟增長放緩的一種方式。
在中國，2020年電動汽車的銷量達到了歷史高點130萬輛。“這甚至已經(jīng)跟補貼沒關(guān)系了，現(xiàn)在補貼在汽車總價中的比例可以忽略不計，只有十分之一左右。”摩根大通資產(chǎn)管理公司的研究分析師Mark Mao說，“銷量只會上升。”
市場的樂觀情緒部分是歸因于電池制造商降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)咨詢公司Benchmark Mineral Intelligence的數(shù)據(jù)，對于鋰離子電池組這一電動汽車最昂貴的部件來說，其電芯的價格在過去十年中下降了近90%，2020年降至每千瓦時110美元左右。
平均而言，電動汽車仍比傳統(tǒng)汽油車貴30%。但這一差距正在縮小，瑞銀的分析師表示，現(xiàn)在距離價格平價僅剩三年時間。從此，電動汽車的需求應(yīng)該會進一步加快，這意味著對電池的需求更大。
電池中高度易燃的液態(tài)溶液不僅易燃，還使回收困難，轉(zhuǎn)售貶值嚴重。還有價格因素，在不增加電池組成本的情況下，對安全性和能量密度的改進，每輛車的成本約為12000美元，已經(jīng)達到了技術(shù)極限，這意味著使用鋰離子電池的長續(xù)航汽車的價格有一個內(nèi)部底線。比如入門級的特斯拉Model 3的起價為37990美元，現(xiàn)代Ioniq為33245美元。
除了昂貴和不穩(wěn)定之外，電池還很笨重，特斯拉Model S的電池重量超過540公斤，它們的存在大大壓縮了腿部空間，并施加了其他設(shè)計限制。這種額外的重量使電動汽車比汽油車重得多，因此它們需要更多的動力來覆蓋相同的里程，特別是在寒冷的天氣。再加上充電時間較長，充電基礎(chǔ)設(shè)施不足，還有很大的改進空間。
“快速充電與液態(tài)電解質(zhì)的搭配并不理想。在這個過程中產(chǎn)生的熱量會損壞電池，絕對會提高火災(zāi)風(fēng)險。”布朗大學(xué)工程教授布萊恩·謝爾頓（Brian Sheldon）說，“固態(tài)電池可以解決這一風(fēng)險。”
電動汽車的倡導(dǎo)者似乎接受了這些限制，并采用了一些變通的方法，比如在冬天關(guān)閉暖風(fēng)來延長行駛里程。
然而大多數(shù)問題，尤其是安全問題，卻不那么容易解決。傳統(tǒng)上，電池中鎳、鈷和錳的含量是相等的。但最近的行業(yè)趨勢是將電池中鎳的比例提高到陰極材料的80%以上。這有助于提高里程數(shù)，并能減少鈷的使用量，降低生產(chǎn)成本，因為鈷的成本是鎳的兩倍。
不幸的是，這種新的金屬組合也使電池更加不穩(wěn)定。中國最早將鋰離子電池商業(yè)化，自5月以來，已有3輛配備這種電池的汽車起火。其他金屬組合，如鋰和鐵，已被證明更安全，但能量密度較低。
無論是汽車制造商還是智能手機開發(fā)商，對于他們來說還有另一個共同的問題，那就是隨著電池成為許多技術(shù)的關(guān)鍵部件，對原材料的需求也在增加。這在過去一年中推動了鎳、石墨、鋰、鈷和銅的價格不斷上漲。如果再加上大多數(shù)大宗商品交易的美元走軟，價格可能會進一步上漲。
平均而言，一輛電動乘用車的電池需要約20公斤的鎳（特斯拉Model 3需要30公斤），陰極需要多達20公斤的鈷，外加約60公斤的鋰化合物。在這些金屬中，鎳至關(guān)重要，因為它能幫助電池儲存更多的能量，并減少對更昂貴的鈷的需求。
特斯拉2020年占據(jù)了歐洲電動汽車行業(yè)使用的所有鎳的一半以上，馬斯克特別指出供應(yīng)是一個問題。美國投行杰弗瑞集團（Jefferies）表示，該公司計劃到2030年生產(chǎn)儲存3太瓦時的電池，按照目前的水平，這將耗盡全球大部分鎳產(chǎn)量。提高產(chǎn)量很難，產(chǎn)出的鎳中只有不到一半能夠適合用于電池。新的鎳礦床也十分罕見，不排除出現(xiàn)短缺的可能。
由于不同的原因，鋰的供應(yīng)是有限的。鋰是一種豐富的資源，但公司提煉鋰用于制造電池的能力有限，替代品稀缺。建造新的鋰礦設(shè)施可能需要長達10年的時間。電動汽車制造商的需求如此之大，以至于分析師預(yù)計2021年底前將開始出現(xiàn)供應(yīng)短缺。鈷也面臨類似的命運。瑞銀表示，預(yù)計未來十年將繼續(xù)供不應(yīng)求。
商業(yè)化還有多遠？
大眾汽車電芯中心負責(zé)人弗蘭克·布洛梅（Frank Blome）將固態(tài)電池描述為鋰離子等效電池的“終結(jié)者”。
固態(tài)電池更安全、更便宜，可以使用更長時間而不會出現(xiàn)性能下降，所需原材料更少。電池芯可以堆疊起來，就像用磚頭砌墻一樣，使它們更容易適應(yīng)不同的汽車設(shè)計。它們更輕，大約10分鐘就能充滿電，并且具有更高的能量密度，提供雙倍或更多的續(xù)航里程。固態(tài)電池對銅和鋁的需求更小，石墨和鈷可以完全被淘汰?；厥展虘B(tài)電池也將是一個更簡單、更安全的過程。
“從歷史上看，從汽車排氣系統(tǒng)到冰箱，新一代技術(shù)都帶來了原材料使用量的大幅減少。固態(tài)電池也應(yīng)該如此。”Hana Ventures首席執(zhí)行官金東煥（Donghwan Kim）說，該公司是一家總部設(shè)在首爾的風(fēng)險投資公司，主要投資于技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域。
已經(jīng)生產(chǎn)出的原型產(chǎn)品表明，固態(tài)電池的能量存儲量比相同重量和體積的鋰離子電池多80%。金屬鋰具有更高的能量密度，可以取代石墨，有助于減輕電池重量和體積。
特斯拉宣稱未來三年內(nèi)量產(chǎn)出比傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度高50%的電池，以增加行駛里程。對于那些希望提高鋰離子電池性能的人來說，在行駛中的車輛上安裝重量超過500公斤的電池，同時不影響續(xù)航里程和安全性，是一項繁重的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致分析師們對特斯拉所標榜的雄心壯志產(chǎn)生了一些懷疑。
“在今天的上限基礎(chǔ)上提高50%，意味著電池的尺寸要大得多，因為需要有更多的材料進入陰極。”布朗大學(xué)的謝爾頓說，“將這些裝入汽車將是一個重大的挑戰(zhàn)。”
在過去二十年里，傳統(tǒng)電池的能量密度每年增長約4%，達到每升約700瓦時，相當于續(xù)航里程500公里。由于電芯和液體電解質(zhì)已經(jīng)占了大量體積，這一水平很難進一步增加。
固態(tài)電池不僅可以將電芯的能量密度提高到每升1000瓦時以上，行駛里程為800公里。而且它們還可以承受更多的充放電次數(shù)。它們還可以在較長的使用壽命內(nèi)保持更多的能量，從而有可能實現(xiàn)100萬英里的電池壽命。這將極大地改變終生擁有成本，并減少原材料的使用。
雖然已經(jīng)開發(fā)出了固態(tài)電池的原型，但每輛長續(xù)航電動汽車需要的電芯數(shù)量至少是迄今為止在實驗室測試的20倍。工廠將很難批量制造它們，目前每塊電池的制造成本約為10萬美元。
大規(guī)模生產(chǎn)還需要幾年時間。但各家公司正向著它慢慢靠近。“現(xiàn)在與之前最大的不同是，固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)取得了進步，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了阻礙其商業(yè)化的問題。”謝爾頓說，“這足以讓我們感到樂觀。”
固態(tài)電池領(lǐng)域目前最受關(guān)注的公司是QuantumScape，這是一家由大眾汽車和比爾·蓋茨（Bill Gates）支持的硅谷創(chuàng)業(yè)公司。它的目標是在2024年實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。在通過一家特殊目的收購公司上市后，其股價2020年上漲超過1000%，對該公司的估值一度接近500億美元，超過通用汽車。
Solid Power是一家位于科羅拉多州的初創(chuàng)企業(yè)，正在小規(guī)模地生產(chǎn)22層鋰金屬電池，這已經(jīng)可以提供比目前長續(xù)航電池更多的里程數(shù)。它計劃在一年內(nèi)生產(chǎn)出更大的電池，并在2025年前將其應(yīng)用于汽車。
然而對于尋找特斯拉顛覆者的投資者來說，像這樣的初創(chuàng)企業(yè)可能不是最好的選擇。它們?nèi)狈念^開始制造關(guān)鍵部件的能力。目前在傳統(tǒng)的電池、汽車和機械領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并且有現(xiàn)成的機械和材料渠道的公司更適合大量生產(chǎn)的零部件。
基于這些原因，一些亞洲公司看起來最適合將固態(tài)電池變?yōu)楝F(xiàn)實。豐田將在2021年推出一款原型車，只需10分鐘即可充滿電，續(xù)航500公里。豐田汽車兩年前推出的雷克薩斯LF-30概念車，配備了小型固態(tài)電池，目前已有1000項涉及固態(tài)電池技術(shù)的注冊專利。
來自三星的替代方案將提供一次充電800公里的里程。它的體積將是傳統(tǒng)電池的一半。首席研究員Dongmin Im說，“這項技術(shù)是提高電動汽車里程數(shù)的革命基礎(chǔ)。”它的生命周期超過1000次充電，與現(xiàn)有電池相比，現(xiàn)有電池只需快速充電60次就會出現(xiàn)容量衰減。
對于這些公司及其投資者來說，固態(tài)電池是一個不錯的賭注。這種技術(shù)的每一次進步，都為先行者帶來了意外之財。即將推出第五代鋰離子電動汽車電池的三星已經(jīng)簽署了幾份合同，其中包括與寶馬簽訂的價值35億美元的合同，在未來十年為其供應(yīng)電芯。
對于特斯拉來說，這些進展構(gòu)成了威脅。它對電動汽車市場的把持，與它的車型較長的續(xù)航里程和快速充電時間，以及它的創(chuàng)新軟件和顛覆性營銷一樣重要。然而，如果汽車能在家里一樣快速充電，它遍布全球的超級充電站網(wǎng)絡(luò)將不會帶來什么競爭優(yōu)勢。
制造商離商業(yè)化有多近？從專利方面也可見一斑。根據(jù)歐洲專利局2005年的數(shù)據(jù)，電池和電力存儲設(shè)備的全球新專利申請數(shù)量的增長速度是所有其他技術(shù)領(lǐng)域平均水平的4倍。而與固態(tài)電池相關(guān)的專利增長速度最大，這暗示著固態(tài)電池進入市場的時間快于預(yù)期。
“我們多久能達到大規(guī)模生產(chǎn)，只是投資多少的問題。”Hana Ventures的金說，“以芯片制造為例，大多數(shù)限制，包括那些曾經(jīng)被說成是技術(shù)上不可能的限制，都已經(jīng)通過增加資金來克服。最近電動汽車市場的增長意味著，現(xiàn)在可以分配更多的資金將固態(tài)電池推向市場。”
原標題：為何馬斯克“失聲”固態(tài)電池？
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