电动汽车固态电池现在或面临“生产地狱”

QUANTUMSCAPE

电动汽车是当今世界的一大趋势，它们不仅能够减少碳排放，保护环境，还能提供更高的性能和舒适度。然而，电动汽车的发展也面临着一些挑战，其中最大的一个就是电池技术。

目前，大多数电动汽车使用的是液态锂离子电池，它们具有较高的能量密度和成本效益，但也存在一些缺点，如容易发生热失控、自放电、容量衰减和充电时间长等。为了克服这些缺点，一种新型的电池技术正在引起关注，那就是固态电池。固态电池是指使用固态电解质代替液态电解质的电池，它们具有更高的安全性、稳定性、能量密度和充电速度，被认为是电动汽车的理想电源。

大众汽车（Volkswagen）和QuantumScape最近发布的固态电池公告提高了人们对电动汽车市场的希望，但汽车电池专家警告称，获得广泛固态成功的道路仍然漫长而艰巨。一个单一的突破，不太可能在短期内让整个行业实现重大突破。

“固态是一项伟大的技术，”Galyen Energy的所有者、中国电池巨头当代安培技术有限公司（CATL）的前首席技术官Bob Galyen指出，“但就上市时间而言，这将与锂离子一样。锂离子也是经过了很长时间才能上市。”

Galyen和IEEESpectrum咨询的其他专家指出，大众、QuantumScape、丰田和NIO最近的公告给股市带来了令人印象深刻的表现（https://www.wsj.com/livecoverage/stock-market-today-dow-jones-01-04-2024/card/quantumscape-stock-surges-40-after-battery-test-results-bSxt2jhJgDbsOiTrPp4X）。然而，这些专家指出，他们对这些公告的技术价值持尖锐的怀疑态度，还没有人能通过任何迹象表明固态技术可以突破未来的工程和“生产地狱”。

剩下的障碍将涉及验证汽车和卡车的现有固态电池技术（目前的使用范围有限，通常是医疗应用）。专家表示，采用曲线将取决于产品在性能、寿命和成本特征方面的验证能力。

固态电池因其使用固体电解质（https://spectrum.ieee.org/solid-state-battery-pressure）而得名，被视为电动汽车未来的关键（https://spectrum.ieee.org/the-top-10-ev-battery-makers），因为它们可能提供更大的安全性和能量，以及更快的充电时间。固态电池与传统的锂离子电池的不同之处在于，它们使用玻璃或陶瓷电解质，而不是由锂盐组成的液体。汽车制造商热衷于打造固态电池的未来，因为这项技术比液态电池提供了更大的热稳定性，从而实现了更快的充电速度等优势。

固态电池也是电池制造商和主流汽车制造商最近发布的主题。1月初，大众汽车集团的PowerCo SE电池公司表示，他们测试了QuantumScape的锂金属电池（https://www.volkswagen-group.com/en/press-releases/powerco-confirms-results-quantumscapes-solid-state-cell-passes-first-endurance-test-18031），进行了1000多次充电，结果非常令人满意。QuantumScape的固态电池在1000次循环测试结束时，总容量损失仅为5%，远低于汽车行业的目标标准，即在700个充电周期后容量损失不低于20%。这意味着，QuantumScape的固态电池可以在汽车行业提供50多万公里（约30万英里）的行驶时间，相当于一辆电动汽车的平均使用寿命。

同样，丰田在10月宣布，计划到2027年将固态电池纳入量产车（https://spectrum.ieee.org/toyota-solid-state-battery），数量不详。该汽车制造商表示，其目标续航里程为1000公里（600英里），在10分钟或更短时间内实现80%的直流快速充电。去年12月，中国汽车制造商NIO也参与了这场游戏，表示将推出一款150千瓦时的“半固态电池”，理论上最快将在今年夏天实现1000公里的续航里程。Guidehouse Insights（https://guidehouseinsights.com/）的首席研究分析师Sam Abuelsamid指出：“事实上，这是一种相当传统的NMC（镍锰钴）电池，具有凝胶电解质，已经生产了15年，通常被称为锂聚合物。从技术上讲，这种凝胶被认为是半固态的，因为它同时具有固态和液态的特性。但在电池中，它缺乏真正的固态电解质的特性。” 他说，值得注意的是，半固态电池在撞击时会被刺穿，这更接近传统锂离子电池的性质，与实际的固态电池相比，固态电池会断裂。他还指出，2009年现代索纳塔混合动力车（https://www.cnet.com/roadshow/news/hyundai-goes-high-tech-with-sonata-its-first-hybrid/）使用了具有锰尖晶石化学成分的半固态电池。

工程挑战

然而，真正的固态电池面临的最大挑战是工程验证的漫长过程。Galyen列举了电池的五条“黄金法则”——安全性、性能、寿命、成本和环境——固态电池要实现全行业的采用，必须满足这五条规则。

他说：“大多数固态电池公司至少没有达到五条黄金规则中的三条。我还没有看到任何人发布有意义的寿命数据。我也没有看到成本数据接近于与液态锂离子电池竞争。”

汽车制造商还需要在三个关键领域验证“性能规则”——温度性能、海拔性能以及冲击和振动性能。Galyen说，其中冲击和振动尤其令人担忧。他说：“当你沿着I-75公路行驶时，碰到了路上的一个大坑，会发生什么？固态基质会受到什么样的损害？”

Galyen补充道，在能够验证新技术在所有这些关键领域的能力之前，汽车制造商不会广泛采用。“这些电池还没有经过验证，”他说，“那么，在没有经过验证的情况下，如何计划将产品投入汽车生产呢？”

验证将需要时间，而汽车制造商需要在现实世界条件下测试工厂制造的电池。要做到这一点，制造商首先需要建造电池工厂，这可能需要两年的时间，然后运行半年的原型产品，并将其分发给客户，由客户完成其工作周期。这个过程让人想起Elon Musk在2018年提到的“制造地狱（manufacturing hell）”。当时，Musk宣布，他的公司即将进入所谓的“地狱”的六个月，因为它正在努力解决Model 3生产线的问题。他当时告诉记者，洪水、龙卷风，甚至地球上任何地方的船只沉没，都可能破坏公司的计划。

Galyen说，这种问题出现在制造业中很常见，电池生产尤其如此。”

科学几乎准备就绪

专家们预计科学在这一时期会不断发展。如今，有许多版本的固态电池在阳极中使用从传统石墨到硅再到锂金属的各种材料，还有由传统NMC和富镍材料制成的阴极。

电池科学家乐观地认为，新型电池可以克服传统锂离子的两个关键缺点。首先，他们说，富含镍的阴极将使电池行业在阴极中使用更少的钴。其次，固态化学物质将使电池制造商能够在阳极中使用锂金属。

减少阴极中钴的能力很重要，因为钴稀缺、昂贵，而且通常在劳动法薄弱的国家开采。在阳极中使用锂金属的能力很重要，因为这将提高能量密度，同时提高安全性。由于担心火灾，液态锂离子电池制造商目前不使用锂金属阳极。

葡萄牙波尔图大学工程物理学副教授Helena Braga指出：“这就是我们最初开始这一（固态）旅程的原因，这样我们就可以使用锂金属。Braga说，她相信这种新化学物质很快就会准备好。

目前还不清楚的是，在LG化学和比亚迪等几乎没有公开声明的大型制造公司中，这些化学物质可能会发展到什么程度。其中一些公司可能走得更远，但很难知道，因为可靠的信息太少了。

目前，大多数专家认为，即使是最大、最隐秘的公司，也需要更多的时间来应对工程验证的挑战。

Galyen说：“大多数公司都非常希望通过五条黄金法则取得成功。他们预计这将在未来十年内发生。”