芯耀
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大家好，我是電動車公社的社長。
最近，廣汽埃安率先發(fā)布了全球首款1000公里續(xù)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(xù)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(xiàn)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(xiàn)1000公里的超長續(xù)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(zhì)（也就是電解液）、隔膜和電池外殼組成的。
不嚴謹?shù)卣f，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(shù)，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(chǔ)之上額外采用了混合固液電解質(zhì)，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(yè)內(nèi)量產(chǎn)的電池技術(shù)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(tài)電解質(zhì)、能量密度更高的全固態(tài)電池。
等到大規(guī)模量產(chǎn)的那一刻，或許隨便一臺車都有個千八百公里續(xù)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(chuàng)企業(yè)，宣稱自己已經(jīng)已經(jīng)成功研制出了新型的鋰金屬電池，并且很快就能量產(chǎn)。
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(chǎn)的全固態(tài)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(shù)？電池巨頭的格局，又會不會發(fā)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(fā)現(xiàn)，兩家車企就好像事先約定好了，都采用了硅碳復(fù)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(xiàn)在市面上絕大多數(shù)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(jù)負極材料的不同、能量密度逐漸增加、把鋰電池技術(shù)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(yīng)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(qū)動，比第一輛奔馳還早了4年。
鋰金屬電池的發(fā)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(yīng)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(yōu)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)：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(chǎn)的最大原因，安全。
其實從2015年1月起，國際民航組織就已經(jīng)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(dǎo)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(qū)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(diào)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(fā)現(xiàn)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(jīng)上市，便在消費電子產(chǎn)品飛速發(fā)展的環(huán)境下風靡全球，獲得了大量訂單。
但好景不長，初代產(chǎn)品剛剛售出200萬只，就出現(xiàn)了起火爆炸的安全事故，隨后宣布召回所有產(chǎn)品并提供經(jīng)濟補償。最終只能資不抵債，破產(chǎn)拍賣。
接手的日本NEC公司隨后又生產(chǎn)了50萬只電芯，并安裝在新款的手機上。
不幸的是，經(jīng)過長達一年半的“蹂躪”，這批手機電池幾乎都出現(xiàn)了問題，從電池衰減到起火爆炸應(yīng)有盡有。無數(shù)經(jīng)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(fā)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(fù)活了。
第一件事，是特斯拉Roadster的橫空出世。
這臺300多續(xù)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(chǎn)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(xù)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(fā)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(qū)使下，在現(xiàn)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(yè)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(chǎn)業(yè)。
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(shù)上給予大力支持。
這批博士生畢業(yè)之后，創(chuàng)立了一大批搞技術(shù)的鋰電池初創(chuàng)企業(yè)，都或多或少地經(jīng)歷過數(shù)輪融資。有些已經(jīng)被大企業(yè)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(fā)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(fā)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?guī)ь^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(nèi)風電設(shè)備的發(fā)展。
至于光伏行業(yè)，為了避免金融危機給出口帶來的影響，發(fā)改委用一次史無前例的招標，拉開了國家級光伏發(fā)電特許權(quán)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(jīng)埋下。
但不管怎樣，新能源行業(yè)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(xiàn)階段的鋰離子電池，在業(yè)界看來，一抬頭就能夠看到瓶頸。目前的硅碳負極技術(shù)已經(jīng)研究多年，技術(shù)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(yè)界分成了兩派。
一派有點像傳統(tǒng)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(tài)電解質(zhì)下手。
只要能夠研發(fā)出高電導(dǎo)率、穩(wěn)定性強、價格低廉、界面穩(wěn)定性好的固態(tài)電解質(zhì)，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(tài)電解質(zhì)成功量產(chǎn)，那么全固態(tài)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(tài)電解質(zhì)），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(fā)諾貝爾獎的世紀難題。也正應(yīng)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(yè)協(xié)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(shù)目標，同樣是全固態(tài)電池。
目前，包括寧德時代、比亞迪、三星SDI、韓國SKI、松下在內(nèi)的多家全球鋰電池巨頭，也都在積極布局固態(tài)電池?？梢哉f，這就是未來明確的方向。
但全固態(tài)電池實現(xiàn)起來，卻沒有想象中那么容易。
一方面固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率會低于液態(tài)電解質(zhì)，而且正負極和固態(tài)電解質(zhì)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(tài)電池還無法大規(guī)模應(yīng)用在主流3C產(chǎn)品和動力電池中，更不要說能量密度更高的全固態(tài)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(xiàn)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(chuàng)立的幾家美國公司，以及國內(nèi)的科學家?guī)ь^研究的電池初創(chuàng)企業(yè)了。
03. 什么時候量產(chǎn)？
這幾家里進度最快的，是一家名為SES的鋰金屬電池初創(chuàng)企業(yè)，由麻省理工的博士胡啟朝一手創(chuàng)辦，也是2008年新能源行業(yè)井噴后的產(chǎn)物。
在11月初舉辦的首屆SES BatteryWorld上，SES發(fā)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(chǎn)。
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(fā)時間嚴謹?shù)膽B(tài)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(shù)上看，Apollo 417Wh/kg的重量能量密度和935Wh/L的體積能量密度已經(jīng)接近固態(tài)電池，差不多是現(xiàn)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(fā)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(jiān)測軟件會從原材料和生產(chǎn)檢測開始，再結(jié)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(fā)現(xiàn)鋰枝晶即將長到危險的形態(tài)，會提前幾個月就進行預(yù)警，確保電池系統(tǒng)的安全。
據(jù)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(chǎn)，計劃于2023年前后投產(chǎn)，年產(chǎn)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(yīng)給通用汽車和現(xiàn)代起亞。
至于為什么會是通用汽車和現(xiàn)代起亞，社長還特意查了一下，卻發(fā)現(xiàn)了一個SES的驚天大秘密。
早在2013年，SES就已經(jīng)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(yù)計的估值，是36個億。
而SES背后的投資人，正是包括通用、現(xiàn)代起亞、SKI、淡馬錫、天齊鋰業(yè)、上汽集團這種汽車圈里的大佬級企業(yè)！
所以SES和通用、現(xiàn)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(yè)作為一家鋰電池核心材料供應(yīng)商，控股SES就等于控股下游企業(yè)，或許還可以理解。但SKI明明和SES是競爭關(guān)系，為什么還要控股？
針對這個問題，社長走訪了一下行業(yè)內(nèi)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(yīng)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(yè)變現(xiàn)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(shù)就是一家初創(chuàng)企業(yè)賴以生存的根基，孤注一擲也要把新技術(shù)量產(chǎn)出來。
從生產(chǎn)的角度來講，SES的鋰金屬電池和普通鋰離子電池的生產(chǎn)工藝非常類似。正極、隔膜、外殼都相同，有所區(qū)別的僅僅是電解質(zhì)和負極材料，這部分不會增加成本。
但目前Apollo電池大規(guī)模量產(chǎn)的最大挑戰(zhàn)在于這一大片又薄又長的鋰金屬負極，但有了天齊鋰業(yè)的合作關(guān)系，應(yīng)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(yīng)該還是處于可控范圍之內(nèi)。
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(shè)現(xiàn)在SES已經(jīng)超額完成目標，啟朝也已經(jīng)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(xù)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(nèi)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(xiàn)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(lǐng)下，用不了幾年，未來的生活會發(fā)生天翻地覆的變化。
過去的幾年如此，未來的幾年同樣如此。
