4680電池？固態(tài)電池？誰才是新能源汽車的“最優(yōu)解”

現(xiàn)在影響用戶是否買一輛電動(dòng)車的第一考量就是續(xù)航，補(bǔ)能時(shí)間也是影響續(xù)航體驗(yàn)的重要一環(huán)。因?yàn)槎绽m(xù)航能力縮短、假日堵車充電難的現(xiàn)狀，很多新能源汽車車主在吐槽“電動(dòng)爹”的問題。

電動(dòng)車主要由電池、電機(jī)、電控構(gòu)成，目前電池占據(jù)最重要地位，電池成本占到一輛車的近40%，就像是電動(dòng)汽車的“心臟”。電池的重要性不言而喻，它決定了一輛電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能、續(xù)航時(shí)間、安全性（是否會(huì)自燃）。

純電車要完成適應(yīng)城市通勤到城際通勤，就是目前努力的目標(biāo)。2022年，一批理論里程達(dá)到1000公里的產(chǎn)品已經(jīng)面世，“里程憂慮”有望緩解的關(guān)鍵就在電池性能的提升。要把電池做的更輕，價(jià)格更便宜，充電時(shí)間更短，安全性更高，耐寒耐熱性更好，選純電車的關(guān)鍵就在于選電池。

新造車行業(yè)在過去十來年發(fā)動(dòng)了一場(chǎng)電池戰(zhàn)爭(zhēng)，因?yàn)榧夹g(shù)路線不同，玩家們自動(dòng)劃分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大陣營(yíng)。在性能、安全、成本這三大因素的綜合作用下，磷酸鐵鋰和三元電池的市占率此消彼長(zhǎng)。不論是產(chǎn)量、銷量還是裝車量，前幾年都是三元電池牢牢占據(jù)上風(fēng)，但是到了2020年磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量首次超過三元電池。

然而，不論是三元電池還是磷酸鐵鋰電池，目前都還存在弱項(xiàng)，都不一定是終極的電池解決方案。更多的技術(shù)方案在同步研發(fā)中，例如以固態(tài)電池為代表的更前沿的技術(shù)。

4680不是真正的突破？

特斯拉布局已久的4680電池終于要大規(guī)模量產(chǎn)交付了。據(jù)特斯拉官方消息，加州試點(diǎn)工廠在1月生產(chǎn)了100萬塊4680電池，這標(biāo)志4680電池開始量產(chǎn)。4680電池的存儲(chǔ)容量將是2170電池的5倍，功率則高達(dá)6倍，預(yù)計(jì)可使車輛續(xù)駛里程增加16%，成本下降14%。

良品率一直是困擾4680電池量產(chǎn)的最大問題之一。去年7月，馬斯克還坦言4680電池遭遇量產(chǎn)瓶頸，即正極輥壓環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。2021年年底，松下聯(lián)合索尼對(duì)外宣稱，4680電池的良品率已經(jīng)從之前的20%提升至80%。這或許也是松下宣稱今年實(shí)現(xiàn)試生產(chǎn)的底氣。

2020年9月，特斯拉在電池日上發(fā)布了4680電池，是一種三元鋰電池。4680電池全稱是4680規(guī)格無極耳圓柱電池，46指圓柱電池的直徑為46mm，80指電池的高度為80mm。4680電池的優(yōu)勢(shì)就在于，相較于以往的2170、18650等電芯，體積上有了巨大的增加，在單體容量?jī)?nèi)能夠儲(chǔ)存更多的能量，與單純的在電池組內(nèi)增加電池?cái)?shù)量道理相同。

4680電池單體電芯容量為9000mAh，此前的2170則僅有5000mAh能量的提升自然更加明顯。以特斯拉暢銷Model 3舉例，目前M3 P使用的2170電芯，裝滿整個(gè)電池組需要4416枚，電池容量在78.3kWh左右。這4千多枚電芯密密麻麻的裝入電池組內(nèi)，電芯體積小導(dǎo)致空隙更小，且每個(gè)電芯裝配需要的時(shí)間和材料也就更多。

相比之下，裝滿M3 P的電池組則僅需960枚4680電芯，換算一下總?cè)萘靠梢赃_(dá)到130kWh，提升75%。此外由于4680單體電芯體積更大，封裝材料數(shù)量減少，用于包裝電芯外殼成本減少，重量也會(huì)隨之降低。同時(shí)，電芯體積大帶來的另一個(gè)好處是，電芯之間空隙變大，更容易布置散熱裝置。

在電池控制系統(tǒng)的管理上，成本也會(huì)隨之降低。繼續(xù)以M3 P為例，4千多枚2170電芯需要封裝為“Bank”和“brick”，多枚電芯會(huì)封裝為一個(gè)“brick”，多個(gè)“brick”由一個(gè)“Bank”控制，每個(gè)“Bank”需要裝入自己的控制模塊，這些微型計(jì)算器都是成本。若采用4680電芯則更加簡(jiǎn)單，由于電芯體積和容量大，電芯數(shù)量減少，只需要一個(gè)控制模塊即可統(tǒng)一管理，控制更加簡(jiǎn)單高效。

另外值得注意的是，4680電池采用了無極耳設(shè)計(jì)，取消了傳統(tǒng)的極耳結(jié)構(gòu)，將作為集流體的銅箔延展出來作為極耳，這也是為什么4680的無極耳設(shè)計(jì)，也可以稱之為全極耳的原因。

無極耳帶來的好處也顯而易見，此前需要單獨(dú)焊接極耳，用于電能流經(jīng)。如今取消極耳設(shè)計(jì)，將電芯整個(gè)側(cè)面當(dāng)做極耳，電能傳送更加順暢、傳送路徑縮短、減少內(nèi)阻、降低極耳處的電流密度和發(fā)熱量，（全極耳）也就能夠承受更大的電流。也正是因?yàn)闃O耳尺寸更大，散熱更加均勻，間接提升了4680電芯的充放電性能。

SNEResearch數(shù)據(jù)顯示，2021年全球動(dòng)力電池裝機(jī)量為296.8GWh，比上年增長(zhǎng)102.18%。預(yù)測(cè)隨著特斯拉全球銷量增長(zhǎng)以及4680電池在三元電池車型中滲透率提升，2025年特斯拉搭載4680電池的車型銷量將超160萬輛，在特斯拉總銷量中滲透率近50%，裝機(jī)量預(yù)計(jì)達(dá)123GWh，全球裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到264GWh，在動(dòng)力電池中的滲透率22%。

除了松下，韓國(guó)的LG能源、三星SDI，國(guó)內(nèi)的比克電池、億緯鋰能、蜂巢能源等，也先后跟進(jìn)了4680電池的研發(fā)。當(dāng)“寧王”在動(dòng)力電池領(lǐng)域一家獨(dú)大，無法撼動(dòng)其地位的玩家將目光紛紛聚集在了尚無定論的4680圓柱電池上。

4680電芯可以算作是當(dāng)前電池技術(shù)遭遇瓶頸時(shí)，吹來的一縷清風(fēng)，為焦慮的各大車商提供的新的思路，再次提升了純電動(dòng)車輛的綜合性能?？偟膩碚f，4680電池是一個(gè)很好的封裝，不是化學(xué)層面的突破，并不能算得上質(zhì)變，但卻提升了自己在產(chǎn)業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力，也讓逐漸恢復(fù)平靜的新能源車戰(zhàn)場(chǎng)再次緊張了起來。同時(shí)，作為純電動(dòng)汽車的核心部件，車企在電池領(lǐng)域的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更加激烈。

固態(tài)電池是什么？

要想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車售價(jià)與燃油汽車相當(dāng)，每千瓦時(shí)電池生產(chǎn)成本要降至100美元。決定電動(dòng)車對(duì)燃油車市場(chǎng)的蠶食速度的，是電池技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)真正變革。

如今電動(dòng)汽車上所使用的大多是三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池，其中三元鋰電池能量密度相對(duì)較高，且有更好的性能。不過，三元鋰電池也遇到了性能瓶頸，即便是特斯拉這樣的頭部電動(dòng)車企，其車上所搭載的三元鋰電池也僅有260Wh/kg的能量密度。就算行業(yè)中能超過300Wh/kg的能量密度，這也就已經(jīng)接近天花板了，三元鋰電池想大幅度提升能量密度，很難很難了。

眼看著三元鋰電池不給力了，電池研發(fā)人員和各大企業(yè)也開始另辟他境。于是，固態(tài)電池就成了行業(yè)內(nèi)探討最熱的話題。

在固態(tài)離子學(xué)中，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池，使用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態(tài)電池的功率重量比較高，未來的固態(tài)電池能量密度將比現(xiàn)在的三元鋰電池提升30%-50%左右。

固態(tài)電池具有發(fā)展的必然性。固態(tài)電池采用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)替換了可燃性的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，大幅提升了電池系統(tǒng)的安全性，同時(shí)能夠更好適配高能量正負(fù)極并減輕系統(tǒng)重量，實(shí)現(xiàn)能量密度同步提升。在各類新型電池體系中， 固態(tài)電池是距離產(chǎn)業(yè)化最近的下一代技術(shù)，這已成為產(chǎn)業(yè)與科學(xué)界的共識(shí)。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化階段尚處早期，但有望在未來超速發(fā)展。當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)小部分商業(yè)化的固態(tài)電池產(chǎn)品對(duì)比傳統(tǒng)鋰電暫未形成足夠的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而未來固態(tài)電池將走階段發(fā)展的路線，從特殊領(lǐng)域逐漸往動(dòng)力電池過渡， 并且隨著國(guó)際巨頭的加速布局，固態(tài)電池將進(jìn)入發(fā)展的快速軌道。

固態(tài)電池體系革命更小。鋰硫電池、鋰空氣等體系需更換整個(gè)電池結(jié)構(gòu)框架，難題更多也更大，而固態(tài)電池主要在于電解液的革新，正極與負(fù)極可繼續(xù)沿用當(dāng)前體系，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)小。

贛鋒鋰業(yè)的固態(tài)電池采用的隔膜為固態(tài)柔性隔膜，電解質(zhì)為半固態(tài)。這里也比較清晰了，和此前蔚來發(fā)布的固液混合電解質(zhì)電池，它們還都算不上是嚴(yán)格意義上的固態(tài)電池。但固態(tài)電池產(chǎn)品化仍需時(shí)日，而半固態(tài)方案不僅技術(shù)可行，而且具有銜接性，可以使用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)。半固態(tài)電池較之固態(tài)電池并不是過渡產(chǎn)品，而是對(duì)于目前三元鋰電池更成熟的迭代產(chǎn)品。

展望未來發(fā)展趨勢(shì)，技術(shù)上步步為營(yíng)，應(yīng)用上梯次滲透，固態(tài)電池階段發(fā)展之路已經(jīng)明晰。結(jié)構(gòu)上， 現(xiàn)階段電池體系包含部分液態(tài)電解質(zhì)以取長(zhǎng)補(bǔ)短。 而技術(shù)發(fā)展過程中將逐漸減少液體的使用，從半固態(tài)電池到準(zhǔn)固態(tài)電池，最終邁向無液體的全固態(tài)電池。

固態(tài)電池還需解決哪些問題？

行業(yè)內(nèi)共同認(rèn)可的固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間大約在2025年左右，目前仍然需要解決一些實(shí)際問題。在固態(tài)電池產(chǎn)品化之前，新能源汽車銷量將累計(jì)達(dá)到六千多萬輛，滲透率將提升至21.2%，這一巨大的市場(chǎng)對(duì)于技術(shù)換代的需求是很迫切的。

固態(tài)電池的電解質(zhì)會(huì)分為聚合物類、氧化物類、硫化物類，它們有著不同的性能表現(xiàn)。這其中，消費(fèi)類產(chǎn)品所使用的通常為聚合物電解質(zhì)，而電動(dòng)汽車要搭載的固態(tài)電池大多應(yīng)為硫化物電解質(zhì)。寧德時(shí)代、松下、三星這樣的企業(yè)，都是計(jì)劃生產(chǎn)硫化物固態(tài)電池用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。

對(duì)于硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池的量產(chǎn)仍需時(shí)日。至少到現(xiàn)在，包括清陶、比亞迪、寧德時(shí)代，或是歐美的一些電池企業(yè)在內(nèi)的各大企業(yè)，都沒有明確表示已經(jīng)可以將電動(dòng)汽車所使用的固態(tài)電池進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

固態(tài)電池盡管能量密度大、更安全，但是換做固態(tài)電解質(zhì)以后，電池內(nèi)部的離子活性會(huì)變差，也就是導(dǎo)電能力變差。固態(tài)離子擴(kuò)散速度只有液態(tài)的十分之一，現(xiàn)在的固態(tài)電池能量密度反而比液態(tài)低約40%，且成本更高。其次，固態(tài)電池的固體界面接觸阻抗較大，發(fā)熱量也會(huì)增大，需要有合理的控制才行。

此外，固態(tài)電池目前存在循環(huán)不好的問題，要保證車主們頻繁的充放電使用場(chǎng)景，就要保證足夠的充放電次數(shù)。最后，電動(dòng)汽車固態(tài)電池的生產(chǎn)和制造成本必須要降到合適范圍內(nèi)，否則，只是做出幾十臺(tái)車使用的固態(tài)電池，完全沒有意義。

當(dāng)然，如果這些問題都被解決了，那量產(chǎn)的車規(guī)級(jí)固態(tài)電池就會(huì)大放光彩。新能源電動(dòng)汽車的爆發(fā)可謂是跨時(shí)代的一筆，而固態(tài)電池取代三元鋰電池也將是革命性的。從固態(tài)電池的發(fā)展階段來看，科研人員還在逐步完善固態(tài)電池的一些缺陷，并且也在等待其商業(yè)化量產(chǎn)的契機(jī)。

鋰電產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)至少還有10年良好前景的行業(yè)，而新技術(shù)的開發(fā)與崛起也將不斷強(qiáng)化行業(yè)的估值與前景。在行業(yè)看好與多方布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)有望獲得超速發(fā)展，未來有望成為行業(yè)的新爆發(fā)點(diǎn)與關(guān)鍵性技術(shù)保障。

電池行業(yè)一直在尋找“全能冠軍”，這是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?。新老巨頭、整車廠和電池供應(yīng)商、外資和本土玩家，各股勢(shì)力、各派玩家，全部加入到這場(chǎng)競(jìng)賽中。這是一場(chǎng)和時(shí)間的賽跑，所有人都想做時(shí)間的朋友，但現(xiàn)在顯然無法決出勝負(fù)。真正的大贏家，會(huì)是誰呢？