整個7月，關(guān)于車用固態(tài)鋰離子動力電池的新聞，可謂層出不窮。

【資料圖】

首先是本月7日，日本經(jīng)濟(jì)新聞與東京研究公司Patent Result合作，完成了一份全球范圍內(nèi)全固體動力電池的調(diào)查報告。該報告基于企業(yè)間對相關(guān)專利的掌握，認(rèn)為日本企業(yè)已處于全面領(lǐng)先優(yōu)勢，且前十強(qiáng)名單中，日本企業(yè)占據(jù)了六家之多，并以豐田握有1331項居于首位（第二位松下公司，掌握了445項）。

這個報告最初由日經(jīng)中文網(wǎng)微博公眾號發(fā)布之初，國內(nèi)輿論多少有點懵逼：就在被迫放棄氫能轉(zhuǎn)向純電之際，看似在車用新能源領(lǐng)域大敗虧輸?shù)娜毡酒髽I(yè)，已經(jīng)在不知不覺中悄悄布局，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)跑去前面等著大家了？

▲蜂巢能源展示的固態(tài)電池樣品——尚處于實驗室階段

隨后則是19日，蜂巢能源全固態(tài)電池實驗室研發(fā)出國內(nèi)首批20Ah級鋰硫化物全固態(tài)原型電芯。根據(jù)蜂巢官方放出的數(shù)據(jù)，該系列電芯能量密度達(dá)350-400Wh/kg，并且現(xiàn)已順利通過針刺、200°C熱箱等實驗。

企業(yè)方面非常樂觀地認(rèn)為，該產(chǎn)品一旦量產(chǎn)應(yīng)用，則現(xiàn)有純電汽車可在不進(jìn)一步增大電池包的前提下，實現(xiàn)1000公里以上的續(xù)駛里程。

蜂巢能源的官宣，實際上是受上月25日，寧德時代董事長曾毓群于重慶車展期間宣布完成了鋰硫化物固態(tài)電池的刺激。

至于第三件新聞，則是發(fā)生在上周五（22日）的一樁慘劇——眾多70、80后年輕時的偶像，被戲稱為“凍齡青年”的臺灣地區(qū)前偶像級歌手，現(xiàn)專業(yè)賽車手“亞洲小旋風(fēng)”林志穎，在攜幼子駕車出行時，突發(fā)車禍。

林志穎親自駕駛的特斯拉2021款Model X，在撞擊路中央分流島后，起火燃燒整車焚毀。

值得注意的是，作為當(dāng)今性能最強(qiáng)大的量產(chǎn)純電汽車，特斯拉Model X配備了能量密度頗高，但在安全性上一直遭到詬病的三元鋰電池。

而上述新聞在相互映照之后，其實已經(jīng)無疑地反映出了純電汽車的下一階段發(fā)展趨勢——為了追求更好的安全性以及更高的性能，動力電池的固態(tài)化，已儼然成為一種趨勢。

01 固態(tài)的巨大價值

所謂“固態(tài)”，實際指的是將鋰電芯的電解液，替換成固態(tài)物質(zhì)。

一般而言我們以技術(shù)路線劃分，其主要分為三類：鋰硫化物、高溫聚合物，以及鋰氧化物。

日系企業(yè)，例如豐田、松下等，外加國內(nèi)新近宣布研制成功的蜂巢能源、寧德時代，走的均是硫化物路線。而法國的博洛雷集團(tuán)（Bollore Group）以及國內(nèi)的電池巨頭比亞迪，則主要致力于聚合物路線的探索。至于氧化物路線，英國的ILIKA公司，已經(jīng)在此領(lǐng)域深耕多年。

在改用固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子動力電池在性能和安全性兩個主要方面，都將獲得巨大的提升。要解釋這個問題，就需要從鋰電池的工作原理上來進(jìn)行理解。

眾所周知，鋰離子電池是一種典型的“搖椅電池”。

充電時，正極上的鋰原子失去電子，被氧化成了鋰離子（脫嵌），然后在電解液中運動，跑到了負(fù)極，與流經(jīng)外部電源的電子互相結(jié)合，又還原成了鋰原子，嵌入到了負(fù)極碳層的微孔中。

放電時，則是一個逆向的一個過程——嵌在碳層負(fù)極中的鋰原子，失去了電子，被氧化成了鋰離子，回到電解液中，運動到了正極，與流經(jīng)負(fù)載的電子結(jié)合，再度還原成了鋰原子（嵌入）。

在這充放電的過程中，鋰以離子態(tài)完成了從正極到負(fù)極材料之間的往返脫嵌，像極了一把搖椅周而復(fù)始，來回?fù)u擺。

電解液是電芯內(nèi)不可或缺的物質(zhì)，而通常，這是一種液體。那么，將其替換成一種同樣能導(dǎo)電的固體呢？這會帶來兩個主要方向上，眾多的優(yōu)點。首先，便是能量密度的大幅度提升。

在現(xiàn)有常規(guī)鋰電池上，正極材料的選擇往往具有局限性，通產(chǎn)無法選擇電壓更高的材料，而局限在4.45V范圍內(nèi)。因為過高的電壓，可能導(dǎo)致鈷酸鋰電解液發(fā)生氧化，并使得正極表面產(chǎn)生不可逆的相變。

▲采用電解液的圓柱形鋰電芯構(gòu)造

而如果是固態(tài)電解質(zhì)，那么就能用提高電池能量密度的高電壓正負(fù)極材料，比如可以提高到5V甚至更高，于是電芯的極限能量密度也隨之得到提升。

負(fù)極材料也是同樣的問題。隨著固態(tài)材料的替代，電池負(fù)極材料甚至可以選擇采用金屬鋰。而對應(yīng)硫化物正極材料，電池的理論能量密度可較之現(xiàn)有最好的三元鋰電池至少翻兩番。

當(dāng)然，固態(tài)化對能量密度的提升，不僅僅體現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)層面上。

由于電芯內(nèi)部不再含有高度活躍的含鋰液態(tài)電解質(zhì)，即便正負(fù)極隔膜被刺破后，也不會由于電解質(zhì)滲入兩極而迅速發(fā)生短路。因此，電芯的殼體實際可以選擇更輕的材料。從而減輕了電芯的質(zhì)量，顯然就是提升整個電池包的能量密度。

▲以固態(tài)電解質(zhì)替換電解液后，電池形狀也可以從卷繞的圓柱形，改成扁平的矩形

在能量密度進(jìn)一步提高之外，安全性高無疑是固態(tài)電池的另一大優(yōu)點。其重要性，甚至可能還超過前者。

正如上文提到的，正如蜂巢能源對自產(chǎn)固態(tài)電池測試的結(jié)果——當(dāng)意外發(fā)生電芯破裂時，由于電解物質(zhì)為固態(tài)，所以困擾鋰離子動力電池長久以來的“短路-發(fā)熱-爆燃”連鎖反應(yīng)，更笨無從發(fā)生。在現(xiàn)有的實驗室測試中，所有樣品均通過了嚴(yán)苛的擠壓、加熱、針刺測試。而且在上述測試過程中，均未見到短路并且由此產(chǎn)生的爆燃問題。

此外，固態(tài)電池過充后并不會和液態(tài)電池那樣釋出鋰晶枝，也就沒有了刺破正負(fù)極絕緣薄膜，進(jìn)而引起短路的風(fēng)險。

▲比亞迪提出的固態(tài)電池包方案，比柱狀電芯更加緊湊

最后，由于電池內(nèi)的固態(tài)電解質(zhì)不會揮發(fā)也不易燃燒，能夠有效避免液態(tài)電池在拆解時的泄漏問題，不但環(huán)保而且利于回收再利用。

02 必然的前景和未知的過程

當(dāng)然，上面說明了固態(tài)電池的種種好處，卻也不能忽視其當(dāng)前面臨的問題。而這些細(xì)節(jié)，是許多企業(yè)在振奮人心的通告中，鮮有提到的。

首當(dāng)其沖的，無疑是固態(tài)相較液態(tài)的各種“原罪”。

正因為電解質(zhì)換成了固態(tài)，其電導(dǎo)率天然低于液態(tài)電解質(zhì)，隨之而來的高界面阻抗也必然會影響到鋰離子，在界面之間的正常穿越。

而較之液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)材料一旦與正負(fù)極貼合不良，必然導(dǎo)致電芯的界面相容性變差。這種貼合不良是必然會發(fā)生的——在電芯充放電過程中，電芯內(nèi)部會隨著活性物質(zhì)的性變呈現(xiàn)4%左右的膨脹與收縮。在此狀況下，界面分離是必然會發(fā)生的。

▲幾種全固態(tài)電池的基本結(jié)構(gòu)適宜。膨脹問題，可以通過改善結(jié)構(gòu)來緩解

目前，有關(guān)固體電池開發(fā)的三個主要方向：聚合物、氧化物，以及硫化物，均各有其優(yōu)缺點。更有一個關(guān)系到其能否從實驗室走向工廠的關(guān)鍵——工藝問題。以蜂巢能源公布的硫化物路線為例，盡管我們還不知道其固態(tài)電解質(zhì)的細(xì)節(jié)，但若與日本企業(yè)類似，則硫化物電解質(zhì)的處理和加工，顯然同樣需要依賴惰性氣體環(huán)境。

這就意味著，其無法利用現(xiàn)有的液態(tài)電池生產(chǎn)線來進(jìn)行轉(zhuǎn)產(chǎn)。而使用新的工藝建造全新的產(chǎn)線，也意味著海量的投資，以及對現(xiàn)有體系的推倒重來。這對現(xiàn)階段的動力電池產(chǎn)業(yè)而言，也就代表著巨大的沉沒成本。

解釋了固態(tài)電池的巨大優(yōu)勢，那么讓我們回過頭來說一說日經(jīng)的相關(guān)報道。

根據(jù)日經(jīng)與Patent Result合作完成的報告，當(dāng)今在技術(shù)層面上具有最大優(yōu)勢的，無疑是日本的豐田公司，畢竟其以1331項專利，碾壓位列第二的松下公司。而后者的445項專利，僅占到前者的39.3%。

▲圖源見水印

實際上，放眼整個榜單，位列前十的實際就是日（6家）、韓（4家）企業(yè)而已。這很難不讓人想到日經(jīng)關(guān)于純電汽車專利競爭力排名的另一份榜單。

在那份2021年的榜單中分列第一、第二位，分別是擁有8363項專利的豐田，以及6564項專利的福特。而排在第三、四位置的本田（3849項）和通用（3283項）同樣和第一名拉開了較大的距離。

但是榜單是一碼事，現(xiàn)實世界中的新能源汽車產(chǎn)銷數(shù)字則是另一碼事了。畢竟，2021年交付93.6萬輛純電汽車的特斯拉，才排名第八，專利數(shù)字區(qū)區(qū)1741項。至于排名第二，全年交付58.4萬臺新能源汽車（包括純電和混動）的比亞迪，甚至沒能出現(xiàn)在這總共20名的榜上。

▲都這個份上了，日本媒體還靠玩文字游戲來“漲自家志氣”，其實非常的沒必要

對于這兩份報告所羅列的專利數(shù)字，筆者無從查閱其中實用新型專利和外觀設(shè)計專利的比例，甚至連統(tǒng)計數(shù)字本身都無從核驗。而往好處推測，在充斥著大量設(shè)計專利以外，日本企業(yè)實際很可能是將一切在企業(yè)實驗室里完成的技術(shù)，統(tǒng)統(tǒng)申請了專利。

但這就意味著一個新的問題。專利的實質(zhì)，是公開自身的方案，并通過相關(guān)法律獲得保護(hù)。但這也就意味著，在世間所有的競爭對手面前，提前亮出了底牌。而又因為日企目前并未廣泛與全球各商業(yè)對手進(jìn)行溝通和技術(shù)交流，此舉可以簡單視為提前布局專利壁壘。

而放眼世界，全球新能源汽車的主要市場，無非是中、美、歐三家。除去美國和歐洲，中國目前也發(fā)展出了較具競爭實力的主機(jī)廠。日企的這番操作，與其說是用專利困死對手，不如說提前把自己圈進(jìn)了墻內(nèi)。

既然日方已經(jīng)明牌，而且歷史經(jīng)驗告訴大家，這是一群無視市場狀況和自身現(xiàn)狀，對知識產(chǎn)權(quán)咬死不松口的“鐵公雞”，那么順著他們?nèi)Τ鰜淼募夹g(shù)路線繞而行，顯然是業(yè)內(nèi)其他玩家最明智的選擇。

于是，昨往日歷史仿佛重現(xiàn)。

十五年前，日本舉國貿(mào)然布局氫能，并將制氫、儲氫以及氫燃料電池堆的全部專利統(tǒng)統(tǒng)雪藏；十二三年前，豐田同樣也在“雙擎”系統(tǒng)行星齒輪方面的死不松口，堅決不愿意和同行分享技術(shù)的景象。

▲豐田汽車大名鼎鼎的行星齒輪技術(shù)

于是，美、歐以及中國，不約而同地忽略了氫能路線，步調(diào)一致地選擇了純電。至于那些同樣致力于混動的車企，例如中國的比亞迪以及日本的本田，被迫斥巨資走出一條自己的道路，最后性能卓越的DM-i以及iMMD，便是各方對“守財奴”的最有力回答。

“17寸大銀幕，觸覺反饋Yoke方向盤，換擋改在銀幕上，后座的小銀幕很可愛，X的后座更加地舒適了，整體操作速度真的快。”

2021年初，當(dāng)林志穎滿懷欣喜把弄最新款三電機(jī)版ModelX的時候，根本未曾料想過自己以及幼子，一年多后會遭此一厄。

就在上周五（22日）的上午，在臺灣地區(qū)桃園市中正北路上，林志穎駕著他那臺曾經(jīng)滿懷期待的“1020馬力、0~100km 2.1秒的加速”性能怪獸，遭遇險境。

毫無征兆地，行駛中的車輛突然歪向一側(cè)，一頭撞上了道路中央的分離島。

從后來流出的監(jiān)控視頻中清楚了解之后的驚險一幕：

撞擊發(fā)生僅僅36秒，這臺曾經(jīng)堪稱豪華純電汽車代表的Model X，便開始噴出濃煙，燃起熊熊大火。

而不幸中的萬幸的是，就在車輛爆燃前6秒鐘，撞傷昏迷并被困在車內(nèi)的林志穎父子，已經(jīng)被一群趕來施救的路人，奮力拖出了殘骸。號稱“凍齡”的亞洲小旋風(fēng)小子與其年幼的兒子，在這場慘劇中受傷輕微。

▲整個前車身已經(jīng)燒成了“渣”

“暫時不能確認(rèn)起火原因，若遇到緊急情況，主副駕駛有機(jī)械開車門的裝置，可在斷電情況下強(qiáng)制解鎖車門，后排乘客可通過后備廂逃生?！?/p>

特斯拉的客服，在回應(yīng)記者就此事件詢問時如此表示。同時其還強(qiáng)調(diào)稱：特斯拉（汽車）駕駛位附近并無易燃材質(zhì)。

然而這并非事實，因為就在駕駛位的正下方，乃至于整個乘員艙的正下方，為這臺2.45噸巨獸那1020馬力澎湃動力提供能源的100kWh電包，就在這里。

▲Model X“扎實”無比的底盤，100度電電池包占去了一多半的重量

撞擊分離島的巨大動能，瞬間劈開了整個車頭，擊破了電包脆弱的外殼。泄漏的電解液在極短的時間內(nèi)引起短路，釋放大量熱能，最終點燃了整個前車身。

筆者無法想象，這起事故如果發(fā)生在人跡較為罕至的地方，車內(nèi)這對父子將會迎來怎么樣可怕的命運。

無論是基于安全還是為了追求更好的車輛性能，現(xiàn)在是到了去認(rèn)真考慮并且規(guī)劃固態(tài)電池商業(yè)化運用的時候了。

關(guān)鍵詞： 能量密度 技術(shù)路線 行星齒輪