最近几年，随着电动车普及率大幅度提高，动力电池迎来全方面爆发时刻。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。因为电化学很成熟，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。人类对更高单位体积内的包含的能量的追求，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278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，更有明确的目的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）的线：动力电池材料一路演进，这里面有哪些规律？哪一些原因在影响技术路径？

  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，相对来说比较稳定，更多是渐进式创新。

  这也就从另一方面代表着，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。

  而核心影响因素，关键是两点：单位体积内的包含的能量和安全性。为何会形成磷酸铁锂和三元两条路线？三元主要是因为单位体积内的包含的能量高，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，而电池的单位体积内的包含的能量是电压×容量，所以电压越低意味着单位体积内的包含的能量越低。这就导致钛酸锂电池的单位体积内的包含的能量至少要低30%。所以虽然说钛酸锂安全，但对单位体积内的包含的能量的损失太大了，在商业化上就会遭遇阻力。

  A：BNEF曾经做过统计，2020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 622电池，其中材料成本占成品电池组总生产所带来的成本的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。能够正常的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。

  A：对于液态电池来说，负极是未来提升单位体积内的包含的能量的一大重点。决定电池单位体积内的包含的能量的就是正负极，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372mAh/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300%，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。

  Q4：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。尤其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持续上涨，甚至是短缺。

  此时，如果一部分不需要长续航的场景下，就可优先考虑电池包小型化，比如原来150度电、续航1000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。

  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，享有更低的经营成本。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，目前动力电池的单位体积内的包含的能量，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，因为汽油的单位体积内的包含的能量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，当下的电池体系还要进一步升级。

  A：高镍化是近几年里出现的新趋势。高镍也就从另一方面代表着去钴，最早之所以要加钴，是为避免电池自燃、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，且大多分布在在非洲刚果等地。如今钴慢慢的变成了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。

  高镍在工程上并不容易做到。像NCM811等高镍三元正极材料，其工艺流程对于窑炉设备、匣钵、反应气氛等均有特别的条件，且往往涉及二次甚至更多次的烧结，成本比较高。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。

  A：在传统的液态锂电池中，负极通常由石墨制成，这从根本上降低了单位体积内的包含的能量，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，变得更安全，还可以在负极使用高能量密度的锂金属，这就大幅度的提升了安全性与能量密度。

  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。

  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”问题很严重。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，所以界面接触没有一点问题，但在固态电池中，这些孔隙就无法导锂。

  A：固态电池只是取消了电解液，对单位体积内的包含的能量本身没改变，如果保持一样的材料体系，就会导致固态电池的单位体积内的包含的能量没有增加，甚至有很大的可能是减少的。

  当然，单位体积内的包含的能量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。

  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何时能成熟。但有一点能确定的是，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2026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2008年就开始布局固态电池，计划于2022年推出固态电池车型，2025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2028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，线年之后。在很多基础问题还未解决之前，去讨论何时能规模化，还为时过早。

  同时有必要注意一下的是，固态电池的竞争对手不是2022年的液态电池技术，而是2025-2030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。

  Q10：固态电池是不是真的存在循环寿命问题？有人提及，固态电池持续的膨胀和收缩可能会引起一些裂缝，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样的一个问题，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一个问题，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1000次的循环寿命保证。

  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，但现在全世界内，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，固液混合也有一定的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。

  实际上最后全部的产品都是看性价比，固液混合也有一定的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，就非常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，就不要关注这样的一个东西到底是全固态还是半固态，只要它不会起火燃烧，就是一个好产品。

  固液混合在价格上和生产的基本工艺上，与液态电池相比也更有可比性，所以它的确有可能真的比日本的全固态电池更有市场。像日韩的硫化物全固态，生产的基本工艺等各方面都要重新配置。

  当然，半固态现在面临的巨大问题是，它的倍率性，或是说传输锂离子的行为，跟液态电池相比还是差一些。如果未来能把用在3C电池上的技术方案，逐步提升离子电导率，转接到动力电池上也是很有潜力的，很多人也在往这个方向研发。

  而从应用领域的角度来看，最大的三块市场就是3C消费电子、动力电池、储能，除了这三块其实还有一些市场，比如军用、航空航天、特种装备等等，这些场景下对安全性有非常高的要求。比如航空航天在零重力的情况下，或者在从地表到高空的极端加速过程中，需要的就没有液态电解液的全固态电池。所以当细分领域的需求不一样，不同技术路径就也是有生存空间的。

  A：钠离子电池可能是锂离子电池的一个备选。它其实就是跟铁锂电池在竞争，相比铁锂电池来说，钠离子电池最主要的优势是钠资源很丰富，虽然锂资源也不算太少，但它的生产和供应还不足。当锂离子电池发展太猛了之后，导致跟锂离子电池相关的原材料价格暴涨，碳酸锂去年涨了好几倍，锂盐六氟磷酸锂去年也涨了六、七倍，这样的成本飙升让市场受不了。

  虽然如此，很多高校和政府研究机构，依然坚持对钠离子电池的研发，因为这是一个重要的备选，也许有一天会用上。从多元化角度是好的，不但是钠电池，还有钾电池、铝电池等等。

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