文 | 嗷嗷胡
在全世界最厚實的錢包支援下，一群全世界最聰明的大腦正在和電池死磕。
哪怕再篤定的電動車擁躉，也不可能說眼下市面上已有的電池技術，就足以支援純電動車的全面普及——誰不承認誰就是不客觀。真·續航1000km？10分鐘充滿？低溫不衰減？超長迴圈壽命？成本低一半？我們什麼都想要，我們什麼都需要。
鋰電池在原理上並非新事物，第一款商用鋰離子電池早在1991年就誕生了；但先進車用動力電池又仍有發展空間，實用化的純電動車出現也不過是七八年前的事。所以這幾年隨著資本蜂擁而至，電池圈轉瞬之間多了一個又一個新名詞兒……
最終幻想：固態電池
要說未來電池，固態一定是怎麼都繞不開的。這些年，電動車銷量猛增，我們會想固態來了會更棒；電動車續航尷尬，我們也會說固態來了就好了。再加上豐田不信任現有鋰電池、押寶固態電池的策略備受議論，更讓固態電池成為坊間熱詞。
固態電池到底“固”了啥？現在的電池不是固態是啥態？為什麼這個固態就會讓電池更好？又為什麼咱至今用不上固態的好？
常見的圓柱電池，其實內部是捲起來的，一層正極一層負極中夾一層電解液
所謂固態電池，說的是電解質為固態而非液態。目前市面上的所有車用鋰電池，雖然外面看彷彿是個實心鐵盒子，內部其實無一例外都是電解液——只是液體被各種結構設計“固定”得比較好，不會像礦泉水那樣隨便晃盪。
把上圖簡化其實就是這樣
如果你的初中物理還沒有還給體育老師，應該至少還記得：電池是由正極、負極、電解液組成。
電池外面，負極失去電子沿著導線流向正極，因為電子帶負電，所以電流是從正極流向負極；電池內部，負極上失去了電子的陽離子在電解液中流向正極，正極得到電子的陰離子則流向負極。我們用電時用到的只是電池外面那部分，電流流過導線和用電器，發光發熱出功出力。
說白了就是一大型電子離子分頭跑路現場，外面是電子跑掉一個，裡面就是鋰離子跑掉一個。那麼內部離子如果流動不夠“通暢”，外面電流也就不可能“通暢”，表現為充放電效能不佳。很顯然，液體是最方便離子在裡面游來游去的，就算你不懂化學，也應該見過化學老師比劃各種溶液。
將電解質換為固態，也很顯然的，離子在其間流動會更加困難：原先是從液態這頭到液體那頭，現在需要穿越一片固體物質。這也是目前固態電池遇到的最大難點，大電流充、放電能力不足，而高功率放電、高功率充電又是未來電動車不可或缺的。
但誘惑也同樣來自固態電解質。
傳統鋰電池的電解液佔據了相當一部分重量，而固態電解質可以更薄更輕，從而提高電池的能量密度。含鋰化合物的電解液本來就易燃，液體可能洩露進一步增加了風險，需要對內隔開正負極、對外以外殼保護，也是增加重量和體積。液態電解質中，難以使用鋰金屬電極來提高能量密度。
也就是說電解質從液態變為固態，電池的能量密度和安全性都會有顯著提高可能。但眼下，在快充快放、迴圈壽命、製備成本等方面，固態電池還存在著尚未徹底解決的不足。早期產品進入市場也許就在這幾年，然而可以大規模商用化的成熟固態電池，幾乎必定要等到2025年甚至更遠。
最左
蔚來ET7的所謂固態電池，其實人家自己宣傳中就已經標明瞭“原位固化固液混合電解質”。所謂原位固化，說白了就是這個電解質一開始並不是固態的，在塗覆到電極上之後經過某些措施或反應（具體未知），電解液在原位形成了一部分固態物質。因為這個過程結束後還殘留有部分液態，所以叫做固液電解質。
所以這個半固態電池的能量密度，蔚來給出的數字是360Wh/kg（單體/電芯能量密度）。這相對於目前的常規非固態電池當然高出一截（目前最高大概在300Wh/kg），但是又並不像我們對於固態電池的幻想那麼遙不可及，尤其是考慮到其正負極材料也採用了更前沿技術。
固了嗎？固了，但沒全固。好的方面是，使用者確實能儘早享受到目前第一流的電池能量密度；遺憾之處主要是在行業技術角度，它無法充分說明蔚來掌握了足夠的未來全固態電池技術。當然，第二點並不十分充分，同時也不應該掩蓋第一點。
重塑過去：鋰金屬負極
固態電池的優點之一，是更可能採用鋰金屬電極。而就在上個月，一直以來鑽研鋰金屬電池的初創公司SES，在其首屆SES Battery World活動上釋出了名為Apollo的鋰金屬電池，單體能量密度達到了驚人的417Wh/kg，而這還只是鋰金屬電池的第一代成品。
所謂鋰金屬電池，鋰金屬指的是負極材料，而目前常用的負極材料是石墨，主流的發展趨勢是摻入矽，即矽碳負極（蔚來固態也在用）。負極材料對外提供電子（放電），對內在電解質中脫出鋰離子，所以負極能“儲存”多少鋰離子，會決定電池能量密度的上限。
矽的這個“儲存”能力，要比碳高出十倍有餘，自然成為了更好的選擇。但直接用矽負極又不可行，因為矽負極充放電時體積變化太大，膨脹率可達300%，而石墨僅為10%。所以眼下趨勢是在石墨負極中儘可能加入矽——也就是智己L7所謂“摻矽補鋰”中的摻矽。
既然負極的作用是提供鋰離子，為何非要另闢蹊徑去找“儲存”鋰離子的碳和矽，而不直接使用“自帶”鋰離子的鋰金屬呢？相比碳和矽，鋰金屬負極只需要薄薄的一片，大幅降低了負極的重量和體積，這是鋰金屬電池高能量密度的重要來源。
相比傳統負極材料，鋰金屬負極只需要很薄的一層；負極即陽極
其實廣義下的鋰金屬電池早有，但過去的鋰金屬電池壓根就不是充電電池，只能一次性使用。這是因為鋰金屬做負極雖好，但充電時鋰離子需要回到負極，傳統的液態電解質中，鋰離子會回到負極在表面析出鋰金屬，這種析出經過時間推移會生長出所謂枝晶。
日積月累，枝晶生長到一定程度就可能刺破正負極間的隔膜，也可能刺破電池外殼造成危險的電解液洩露，還可能直接生長接觸到正極材料引發短路。所以以往，如果以鋰金屬作為負極，一定是一次性或短壽命電池，用完拉倒才能不管枝晶問題。
枝晶是個危險因素
今天重新現身江湖的鋰金屬電池，能夠躋身車用動力電池的原因，也是由於固態電解質技術的興起和日漸成熟。析出鋰在電解液中“野蠻生長”成為惱人的枝晶，那麼如果電解質是固態，不就可以阻擋銳利的枝晶嗎？
SES的鋰金屬電池就採用了部分固態的混合電解質，而固態電池的優勢之一也包括了更便於啟用鋰金屬負極。二者可以說是彼此促進甚至共進退的關係，固態電解質讓鋰金屬負極可用，鋰金屬負極又讓固態電解質更有優勢。
鋰金屬負極技術也還處在較早期階段，電解質固態化對於枝晶問題的解決程度，也尚需時間和經驗去驗證。目前的預計大規模量產時間，也要到2025年之後。比較看好鋰金屬電池的車企，主要是參與了SES幾輪融資的通用和現代。
持續演進：高鎳無鈷
相對於電解質和負極，正極的“進階玩法”稍單調一些。對於三元鋰正極材料，主旋律就是提高鎳含量、降低乃至去掉鈷。這一趨勢從NCM（鎳：鈷：錳）523到622再到811就一直在持續：鎳的比例提高到80%，而鈷含量被一減再減。
鎳是提高能量密度的直接因素，含量高低決定著正極的可逆嵌鋰容量。但鎳的比例當然不是說提高就提高，過多的鎳會導致正極出現陽離子混排，鎳離子和鋰離子彼此佔據對方位置，降低電池的迴圈效能和壽命；高鎳會加劇電池高溫下的自加熱現象，並導致電池內部溫度和壓力更易上升，使得安全性受到影響。
而鈷起到的作用，正是幫助電池提高迴圈壽命。當鋰離子可逆地進、出正極材料，即充放電時，鈷可以幫助正極中的層狀分子結構保持穩定；但同時，鈷含量越高則正極的可逆嵌鋰容量越低，表現為能量密度下降。
注意左側，鎳鈷錳元素的位置
由於鈷是一種有毒金屬，在開採過程中伴隨著大量的不人道，一直以來都被世界各地環保和人權組織所抗議。同時，鈷的價格也因開採困難而非常昂貴。所以無論從道義上還是成本上，電池廠商都有足夠的動力降低鈷用量。
特斯拉經過多年的技術迭代，目前其三元鋰電池中的鈷已經降至3%，下一步還要降低至1%直至最終實現無鈷。要做到低鈷無鈷，就必須找到其他方法，取代鈷元素在正極材料分子層狀結構中的穩定作用。
在國內，脫胎於長城旗下的蜂巢能源今年第一個做到了量產無鈷，其目前的NMx電池去除了鈷元素，單體能量密度仍保持在240Wh/kg的較高水平。無鈷化的常見做法是摻雜陽離子、奈米網路包覆等方法，改良分子層狀結構，以替代鈷元素起到穩定作用。一直在說的蔚來半固態電池，也提到了奈米級包覆超高鎳正極（低鈷）。
170Wh/kg為整包能量密度
正極、負極、電解質，還只是電芯層面的車用電池技術，在電芯以外，整包技術也是提高電池整體效能的關鍵。
像特斯拉正在做的，以更大的4680規格替代2170規格電芯、以CTC方式減少結構冗餘並同時實現無模組CTP，都是在整包層面做的最佳化。可見即便不尋求激進的電芯技術效果，整包層面也依然有足夠多的挖掘空間。但同時，整包最佳化又離不開電芯層面的進步，如果不是對電芯穩定性足夠有信心，像CTP和CTC也無從談起。
如果你對電池技術的進步速度足夠有信心，也許可以開始期（zuò）待（mèng）一輛採用固態電解質、鋰金屬負極、高鎳正極、CTC電池包的純電動車了。
