最近几年，随着电动车普及率大幅提高，动力电池迎来全面爆发时刻。诸多中国企业走向世界舞台，成为引领全球产业趋势的领头羊。动力电池也是一个长坡厚雪的大赛道。因为电化学比较成熟，该领域的诸多革新是渐进式的，通过排列组合不同的化学元素，以及解决一个又一个工程学问题，来逐步升级迭代。在液态锂电池方面，有两大技术迭代路径——正负极的材料升级与结构创新，而更具颠覆性的固态电池，硫化物、氧化物和聚合物三种路线也都在紧密研发。人类对更高能量密度的追求，正推动很多冒险者激流勇进。本篇文章是我们动力电池系列的第6篇文章，我们根据科创汇报名中朋友们提出的个问题，挑出高频问题、合并了一些问题大类，并把之前我们对话投资人、专家学者系列文章中的相关回答重新整理，更有针对性地回答了朋友们的提问。在此特别鸣谢浙江大学材料科学与工程学院研究员范修林；美国国家发明家科学院院士、宾夕法尼亚州立大学讲席教授、电池与储能研究院院长王朝阳；中科院物理研究所博士生导师、中科院物理研究所长三角研究中心科学家工作室主任、天目湖先进储能技术研究院首席科学家吴凡（排名不分先后，按姓氏拼音顺序）的真诚分享。以下，Enjoy：Q：动力电池材料一路演进，这里面有哪些规律？哪些因素在影响技术路径？A：动力电池材料经历了混战，目前正极呈现出磷酸铁锂与三元材料并行的局面，负极则是处于石墨往硅基转型阶段。如果看演进史，你会发现电池的技术升级周期比较长，这是因为电池属于电化学行业，相对稳定，更多是渐进式创新。这也就意味着，行业推动力并不来自有天才突然制造出原本没有的东西，而是通过对不同元素间的排列组合，或是加入一些辅助手段，来发现更好的性能。比如三元锂电池的正极材料，主要是镍钴锰酸锂，以镍盐、钴盐、锰盐为原料，其中镍钴锰的比例根据需要调整。我们常听到的“8系”NCM，NCM就是镍钴锰的化学元素符号，是指镍、钴、锰的配比按照8：1：1。三元材料的技术演进，就是从3系到5系（5:2:3）再到6系（6:2:2）、8系（8:1:1），直至现在的9系高镍。这个演进的本质就是镍的比例不断提升、钴的比例不断下降（因为全球钴的储量很小）、能量密度不断提高的过程。而核心影响因素，关键是两点：能量密度和安全性。为什么会形成磷酸铁锂和三元两条路线？三元就是因为能量密度高，而磷酸铁锂是安全性与性价比的组合。当我们在选择一款材料的时候，一定是去综合考虑。比如有人尝试的负极材料钛酸锂，它若取代石墨，好处是能实现快充，并且钛酸锂的倍率性能本身比石墨好。但问题是，也正是因为钛酸锂的电位高，负极的电位越高，会导致配成的全电池的电压越低，而电池的能量密度是电压×容量，所以电压越低意味着能量密度越低。这就导致钛酸锂电池的能量密度至少要低30%。所以虽然说钛酸锂安全，但对能量密度的损失太大了，在商业化上就会遭遇阻力。总之，因为电化学领域其实比较成熟，每一种材料都有理论上限，以下这四张图可以清晰的说明演进轨迹，答案都在图里：Q：动力电池的成本结构如何？A：BNEF曾经做过统计，年对于一个年产量为10GWh的中国工厂来说，例如要生产6系NMC电池，其中材料成本占成品电池组总生产成本的73%，而电池封装则占另外的27%。电池材料里面，50%左右是正极、15%负极、7%电解质、5%隔膜和余下23%的其他组件。可以看到正极占成本的一半，因为锂、镍、锰、钴等等都是比较贵的金属。当然，产线利用率也是很重要的指标，像宁德时代这样的核心巨头，利用率都能在90%以上，这样的高效率也能降低一定的生产成本。Q：硅基负极的发展方向怎样？商业化进程如何？A：对于液态电池来说，负极是未来提升能量密度的一大重点。决定电池能量密度的就是正负极，正极的磷酸铁锂和三元已经逐渐优化到极致，提升空间比较小了，而负极的潜力还挺大的。当下常用的负极石墨材料，理论容量只有mAh/g，而现在已经接近了这个理论容量。而硅的理论容量是石墨的10倍左右，如果用哪怕10%的硅来取代石墨，都可以令负极的容量有非常大的提升。但如果全用硅，也不现实，因为会遭遇体积膨胀问题。无论是石墨还是硅，它们都有体积膨胀的问题，但石墨的体积膨胀率在10%-13%左右，是可以接受的。硅虽然有这么高的理论容量，但是它在脱嵌锂的过程中，纯硅体积膨胀率会高达%，这会引起负极表面SEI界面层的持续生成，造成电解液的极大消耗，进而引起电池循环寿命的急剧衰退。目前主要方法是折中，用5%-20%的硅来取代石墨，形成石墨和硅的复合材料作为负极，在体积膨胀率可以接受的情况下，进一步去提升容量。还是像我们在第一个问题中所说，动力电池的材料选择，更多是一种性能上的平衡，当你想提升某个指标的同时，尽量不要引起其他指标太大的衰退，有时候就需要取一个折中。Q：快充技术未来是否会成为主流？动力电池未来是往高续航还是往快充发展？A：快充一直也是在考虑的技术路线，这个方向可以不追求大电池、长续航，而是随用随充。特别是在当下叠加了疫情和供应链扰动，导致原材料供应不上，像锂、钴都经历了巨大的价格上涨，甚至是短缺。此时，如果一部分不需要长续航的场景下，就可以考虑电池包小型化，比如原来度电、续航公里的电池，现在把它做成50度电，这样原本只能用在一辆车上的动力电池，现在可以用在三辆车上。但50度电需要去解决里程焦虑，否则也不可行。这就涉及到很多关键技术，最重要的就是快充。50度电一般可以续航公里，如果可以在十分钟内再充满50度电，就不会太影响驾乘体验。快速便捷的补能，会是以后解决电池供应、原材料匮乏的一个重要手段。Q：动力电池除了电动车这个主战场，还能向哪些领域延展？A：另一个非常适合电力的，是纯电动垂直起降飞机（eVTOL）。它能像直升机一样着陆和起飞，像固定翼飞机一样巡航，不需要一个超长的机场跑道，可以直接使用直升机场或任何垂直起降场。eVTOL汽车电动化的延伸，它享有的很多优点都与电动车类似。首先由于是纯电动，与直升机相比eVTOL的噪音非常小；其次是简化了很多传统直升机的零部件，享有更低的运营成本。直升机需要一系列复杂的传动装置，才能把涡轮机的能量转化为推力，但eVTOL的电机是分布式的，多个电动机驱动轴可以直接连接到每个旋翼叶片上，根本无需传动装置。同时，这种分布式电力推进和冗余的电池组还让eVTOL变得很安全。当然，目前动力电池的能量密度，用于eVTOL还有些不足。以前，电池一直不是飞行器常规的动力选择，因为汽油的能量密度比锂离子电池高出了两个数量级。由于eVTOL是垂直起降，流体力学中的伯努利原理并不适用，将相同质量的汽车垂直抬离地面，所需要的能量远高于在地面行驶的汽车。所以，当下的电池体系还需要进一步升级。从材料和性能选择上，由于“飞行电池”需要很高的能量密度和功率密度，所以会优先选择三元材料，因为磷酸铁锂太重了，能量密度也不太够。用钴也完全可以，因为eVTOL的量不会像电动车那么大。除此之外它还需要有快充的能力，这可能是“飞行电池”和电动车电池最大的区别。eVTOL应该是不带过多的电池，但一降落马上要充电桩充电。因为第一，如果在空中带着过多的电池飞好几趟，这很愚蠢，能量效率很低。第二，带过多冗余电量也是不安全的，这就像现在的商用飞机，在降落的时候需要仅剩不多的燃料，来保证安全。同样飞行电池也是，eVTOL的电池在降落之前，可能只剩下20%、25%的电量，不然降落很危险。所以快充能力至关重要，它最好就是在有充电桩的环境下降落，然后在10分钟之内充好电，这样才能保证eVTOL的运行效率。Q：针对现有应用上遇到的问题，正极材料为什么会形成高镍化？A：高镍化是近几年里出现的新趋势。高镍也就意味着去钴，最早之所以要加钴，是为了防止电池自燃、爆炸。在动力电池没有普及之前，钴是够用的，主要用在手机等消费电子电池里。但一辆新能源车，动力电池的用钴量，相当于上千台手机，导致对钴的需求激增。但钴的产量严重不足，钴在地球上的总储量不是很大，且主要集中在非洲刚果等地。如今钴已经成为限制动力电池成本下降的重要原因。马斯克就曾表示，钴的比例必须下降，不然电动车的成本永远降不下来。在车企和电池厂商的推动下，年成为了高镍元年，宁德时代高镍电池开始起量，而容百作为正极材料供应商，绑定了宁德成为该领域绝对龙头。随着高镍技术越来越成熟，年高镍在宁德时代的总装机量中，占比提升至30%。高镍在工程上并不容易做到。像NCM等高镍三元正极材料，其工艺流程对于窑炉设备、匣钵、反应气氛等均有特殊要求，且往往涉及二次甚至更多次的烧结，成本较高。比如所需的氢氧化锂原料，要在氧气氛围烧结，还要去离子水洗涤。但常规三元正极材料则只需要碳酸锂原料，空气氛围烧结，也无需去离子水洗涤。Q：固态电池是一级市场的热点，各条技术路线的优劣势是什么？A：在传统的液态锂电池中，负极通常由石墨制成，这从根本上降低了能量密度，而如果用锂金属，它会与传统的液态电解质产生反应，导致锂枝晶的产生，它会穿透隔膜使电池短路，导致燃烧甚至是爆炸。固态电池由于取消了电解液，变得更加安全，并且能够在负极使用高能量密度的锂金属，这就大大提高了安全性与能量密度。目前，科学界在最基础的固态电池技术路线上，暂时还没有达成共识。现在主流的三种技术路径分别是：硫化物、氧化物和聚合物。理想的状态是，这个材料需要有液体电解质的锂离子电导率；对锂金属具有化学和电化学稳定性；同时能尽可能地少产生锂枝晶；制造成本比较低，不用稀有元素。但目前这三条路径各有优缺点，还没有能同时满足以上要求的。聚合物，最初被认为是合适的候选材料，最早实现固态电池装车测试。聚合物的优点是易加工，与现有的液态电解液的生产设备、工艺都比较兼容，它的机械性能好，比较柔软。但它的缺点也十分致命，首先是电导率太低，需要加热到60度高温才能正常工作；其次是与锂金属的稳定性较差，导致它没有办法适配于高电压的正极材料，所以限定了它的能量密度。聚合物电化学窗口窄，电位差太大时（4V）电解质易被电解，这使得聚合物的性能上限较低。聚合物的热稳定性普遍在度以下，但氧化物与硫化物的热稳定性可较轻松达到-度以上，而聚合物在高温下也会发生起火燃烧的现象。我们对固态电池就是希望它能彻底解决安全的问题，所以聚合物虽然是三条技术路线中最早开始推进商业化应用的，但到现在也没有大面积铺开。硫化物，是三种材料体系中电导率最高的，并且电化学稳定窗口较宽（5V以上），但热动力稳定性很差，如何保持高稳定性是一大难题。一种解决方法是进行外层涂覆，但这又增加了电池的电阻。另外，硫化物至今仍然无法避免锂枝晶的产生。在生产层面，硫化物固态电池的制备工艺比较复杂，因为硫化物容易与空气中的水、氧气反应产生硫化氢剧毒气体。这个问题可以在工艺上解决，但会增加不小的成本。综合来看，硫化物是全固态电池中潜力最大的，诸多动力电池巨头（丰田、LG、松下等）选择其为主要技术路径。其中丰田最为激进，拥有全世界最多的固态电池专利。氧化物，它具有较好的导电性和稳定性，并且离子电导率比聚合物更高，热稳定性高达度，同时机械稳定性和电化学稳定性也都非常好。但氧化物的缺点是，相对于硫化物，电导率还是偏低的，这使得在性能中会遇到容量、倍率性能受限等等一系列问题。更严重的一个问题是，氧化物非常坚硬，这就导致固态电池里“固固接触”问题非常严重。氧化物的颗粒是以点接触形式存在，如果我们在简单的室温冷压情况下，用氧化物做成的全固态电池将是一个孔隙率非常高的电池。在液态电池中，所有的孔隙都有电解液浸润，所以界面接触没有任何问题，但在固态电池中，这些孔隙就无法导锂。这些核心问题导致氧化物体系不大可能是全固态电池。目前国内都在研发的，其实是固液混合方向，既有氧化物的固态电解质层，又有电解液浸润，这样能够填充孔隙，让它有完好的导锂通道。多说一句，中国主要押注的是氧化物路线，中国四大头部固态电池公司（北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能），都是以氧化物材料为基础的固液混合技术路线为主。Q：在固态电池中，正负极材料会有哪些改变？A：固态电池只是取消了电解液，对能量密度本身没有改变，如果保持一样的材料体系，就会导致固态电池的能量密度没有增加，甚至有可能是减少的。所以固态电池肯定会往更高能量密度的材料走，比如高镍三元正极材料，往更高的镍含量上冲刺，甚至未来可能用富锂锰基这样的正极材料，它的能量密度更高。负极会从硅碳负极开始，但要想有真正的颠覆性提升，需要用上锂金属负极。当过渡到锂金属负极，那负极材料的理论值基本就达到了上限。当然，能量密度高也会带来很多问题，比如说安全性、循环效率/寿命等等，锂金属会带来穿透短路的问题，这些都是在固态电池中要去解决的。Q：固态电池产业化的时间表是怎样的？A：对于有颠覆性潜力的新技术，市场在早期很难达成共识，也就很难去预测它到底什么时候能成熟。但有一点可以确定的是，它一定要能通过实验期，在几千辆甚至上万辆车上能够跑通。从渗透率的角度来说，肯定要超过0.1%，这已经是很小的比例，但目前都没有实现这样的目标。用倒推法，如果固态电池能在年商业化，而汽车行业必须有4-5年的合规验证时间，那么倒推到今天，各大科研院所应该都在测试自己的固态电池。但实际上，几乎所有科研院所都还没有像样的固态电池，更没有车规级的测试数据。车企巨头中丰田较为激进，早在8年就开始布局固态电池，计划于年推出固态电池车型，年实现量产，但这一预计较为乐观。美国明星固态电池公司QuantumScape，给出了不错的实验测试数据，并且预计要在年初步实现规模化生产，计划产能为91GWh。但QS的性能测试数据都是基于单体叠片的结果，而不是真正的电池组，当这些电池多层叠片之后，是否还能稳定工作，达到同样的性能，是非常大的未知数。多数主流声音对全固态电池的预计，都还需要十年时间，真正的商业化至少在年之后。在很多基础问题还未解决之前，去讨论什么时候能规模化，还为时过早。同时值得注意的是，固态电池的竞争对手不是年的液态电池技术，而是-年的性能和成本结构，液态电池规模化带来的成本下降是重中之重，所以标准也在不断提高。Q：固态电池是否存在循环寿命问题？有人提及，固态电池持续的膨胀和收缩可能导致一些裂缝，这些裂缝不一定与锂枝晶问题有关。A：这种膨胀和收缩问题，传统液态锂电池也存在这个问题，电池厂商用有机粘合剂来解决。对于固态电池来说，这种担忧会更严重一些。但还是有新的突破性技术来解决这个问题，比如温控静压工艺，它能够生产出更高密度的复合阴极。根据三星和丰田研究成果，他们的固态电池已经有超过次的循环寿命保证。当然，这种新技术突破会带来生产成本的提升，并且需要投入新的生产线，而不是与目前液态电池的共用。Q：如果全固态电池迟迟不能商业化落地，半固态/固液混合电池会是一个重要的过渡期吗？A：固液混合电池多数是氧化物技术路线，它的颠覆性没有全固态那么有想象力，但现在全球范围内，唯一接近产业化的就是固液混合电池。如果全固态电池迟迟走不通的话，固液混合也有可能成为一个不错的解决方案，这些现在都还很难准确预测。实际上最后所有产品都是看性价比，固液混合也有可能形成一种独立的技术路径。固液混合现在量变的比较成功，比如把原来15%以上的电解液含量降低到8%，那其实就降低一半了。再配合着电芯结构的改造等一系列措施，比如比亚迪的刀片电芯，就有可能让电池的安全性特别好，无论穿刺、挤压、过冲、过放、高温等都不会起火、燃烧、爆炸，这样子对用户来说，就不需要

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