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你还在等固态电池上车,它已经上天入海了

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固 态 电 池这几个字,咱们这几年听得耳朵都要起茧了。

车企、电池厂隔三差五就要拿出来说一说:更安全,续航更长,充放电速度更快。

反正就是哪哪儿都好。

可大多数消费者的反应却是:行行行,好好好。

因为在我们的印象中,这玩意儿很难生产,成本更是压不下来。

哪款车一旦增加了固态电池这个噱头,续航能加多少不好说,价格加十万算少的。

这种感觉当然也没错,尤其是在家用车领域,固态电池的规模化上车还需要个几年时间。

但我们大多数人看不到的角落里,固态电池其实早就上岗了,而且是上天下海。

今年3月,美国一家做水下机器人的公司发布了一款自主水下航行器,叫DarkWake,放下水就能自己跑任务。

它有个卖点:固态电池。



中国团队其实跑得更快。

2020年11月,“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟一万米深的海底作业,旁边一台“沧海”号视频着陆器负责拍摄和直播,给“沧海”号供电的,就是一套固态锂电池。

这套电池出自中科院青岛能源所崔光磊团队。他们的电池2017年就跟着着陆器下到了一万多米深的地方,累计交付的深海电池系统已经超过200批次。

家用车还在排队等它,固态电池先去了深海、无人机这些高端场景。

因为它们不太在乎电池贵一点、产量小一点,最怕的是电池出事。



01、为啥能下海?

海水每往下10米,压力大约增加一个大气压,到了一万米,每平方厘米上压着大约一吨水压,相当于在指甲盖上停了一辆小轿车。

那里常年只有几摄氏度,海水还导电,哪里密封不严渗进去一点,电路就可能短路。

如果用传统电池,容易半路趴窝:相机不拍了,仪器不测了,一趟科考白跑了自不必说,价值几个亿的仪式能不能收回来都成问题。

有人可能会想,电池里装的是液体,为什么会怕水压呢?

没错,水、油这类液体很难压缩,能把压力原样传过去。

但是一块普通锂电池里,电解液填充,会留下很多缝隙和空腔。

所以让一块液态锂电池下海,大概率会暴露出几个毛病。

一是有空腔。常见的圆柱电芯里天生留着气腔,外面一压,最容易被压瘪变形。

二是怕渗漏。软包电芯靠一圈热封的封边把电解液关在里面,高压下封边可能起泡,外面的液体会顺着封边钻进电芯,里面的电解液也会被挤向结构薄弱的地方。电极边缘细小的毛刺,还可能被压进隔膜,隔膜是正负极之间的一层薄膜,专门把两边隔开,一扎穿就短路了。



三是易燃。液态电解液大多是易燃的有机溶剂,一旦热失控,电池内部越热反应越猛、越猛越热,关在密闭的舱里尤其难收拾。

所以普通锂电池下深海,常见的做法是关进耐压舱,让它在舱里照旧过一个大气压的日子,耐压舱像个保险柜,外面的压力全靠舱壁顶着,去万米深处,舱壁常常得用钛合金,还要做得很厚。



壳一厚,就碰上了深海设备很在意的一件事:重量。

很多深海设备没有发动机推着走。拿着陆器来说,它下水时挂着压载铁自己沉下去,干完活扔掉压载铁,靠身上的浮力材料浮回水面。电池连同外壳每重一公斤,就得多配一块浮力材料把它托回来,整台机器跟着变大变沉,放下去、捞上来都更费劲。

所以,设计一台深海机器,往往电池是很大的掣肘:带多少电,决定它能在下面待多久;电池和外壳有多重,决定要配多少浮力材料;这些定下来,才轮到给相机、传感器安排位置。

汽车是车身带着电池,电池只是一个部件;而到了海底,更像给电池配了台机器。

这些问题,固态电池正好能够规避。



他们这块电池内部没有能自由流动的液态电解液,没有能流的液体,也就没有液体可漏、可被挤跑;固体电解质把电芯里的缝填实了,压力来了,没有空的地方可塌;少了大量易燃溶剂,相应的燃烧风险也降了下来。

在模拟深海高压的实验室里,团队的电池系统扛住了121兆帕的压力,比万米海底还高出约两成,完好无损,照常供电。

光是固体还不够。太硬的固体容易裂,太软的又撑不住形状。团队用的是一种“刚柔并济”的复合电解质:拿刚性的骨架材料撑住形状,再让柔性的聚合物和锂盐填满骨架之间的空隙,负责让锂离子通过。有点像一张吸满了胶的网,网撑形状,胶里走离子。

这样的电芯泡进油里,配上压力补偿,就能少背一个厚重的耐压舱。材料、封装和压力补偿凑在一起,才是一套能下海干活的电源。

电池做大了,干脆就成了海底的电站。

2022年10月,科考船“探索二号”在千米级深海布设了一座海底科学实验站,核心是一座海底基站,配了1000度的固态锂电池,差不多是十几辆电动车的电池加在一起。随后,“深海勇士”号载人潜水器在海底把一座原位实验室接到基站上,实验室就从这块巨型充电宝上取电干活。





从结果来看,这些电池确实各方面都很好用,缺点呢,就是贵。

只是大家计算方式不同,买家用车,多花一千块都要掂量半天;深海装备最怕的是出故障。出一趟海要开船、带上一船人和一堆仪器,电池在下面罢工,整趟任务就白干了,只要电池能把活稳稳干完,贵一点也是值得的。

02、固态电池最难的一步

固态电池难造,麻烦恰恰出在“固态”两个字上。

液态电池里,电解液会自己往缝里钻,把电极颗粒之间的角角落落都浸透,锂离子顺着液体就能来回跑,完成充放电的过程。

换成固体,事情就难办了。电极表面放大了看坑坑洼洼,一片固体电解质贴上去,真正碰到的只有一些凸起的点,好比两块砖摞在一起,看着严丝合缝,中间全是空隙。

贴不紧,锂离子就过不去;而且电池每充放一次电,电极都要胀一胀、缩一缩,好不容易贴上的地方又会被扯开。

宁德时代首席制造官倪军前段时间谈到全固态电池时,举的就是这个例子。他说,行业里大多数做法是在电池外面施加很大的压力,把各层压在一起,但电池充一次、放一次,体积都在变,光靠外面压着,很难一直贴牢。

怎么对付,要看是哪种固态电池。固态电池其实是一大家子,按电解质用什么材料,主要分三类。

第一类是硫化物。锂离子在里面跑得最快,能跟液态电解液掰掰手腕,所以想把全固态电池装上车的大厂,很多走这个路线。丰田就和日本石油公司出光兴产绑在一起,专攻硫化物电解质。它的毛病是娇气,碰到空气里的水汽会放出有毒的硫化氢,就是臭鸡蛋味的那种气体,所以生产得在极干燥的环境里进行,组装时还要靠很大的压力把各层压紧。

第二类是氧化物,本质上是一种陶瓷。稳定,耐高温,但又硬又脆,跟电极贴起来就是前面那两块砖,现在它常被做成细颗粒,涂在普通锂电池的隔膜上,让隔膜更耐高温。

第三类是聚合物,可以理解成一种特殊的塑料。它软,好加工,能顺着电极表面变形,但代价是锂离子在常温的聚合物里走得慢,那批电池内部得一直保持在60到80摄氏度才好用。



聚合物、氧化物、硫化物三条路线及其性能对比,来源:IDTechEx Research

还有一种需要单说的是半固态电池,现在多叫固液电池,电解质里固体液体掺着用,算是液态电池和全固态电池之间的过渡,已经装进了一些量产车。



中科院青岛能源所的团队走的是聚合物这一路,但没有照搬老配方,而是做了两处改造。

一处是前面说的刚柔并济:给软的聚合物配一副刚性骨架撑住形状,再配上让锂离子跑得更顺的锂盐,让它在常温下就能干活,到了只有几摄氏度的海底也照样供电。

另一处,主要针对贴不紧的问题,他们把顺序倒过来:先把还能流动的原料灌进电池,让它像电解液一样渗进电极表面的每个坑、每个孔,等角落都填满了,再让它在电池里面聚合,变成固体。

这就像补牙,牙医补蛀牙,用不着先削一块硬东西往洞里塞,直接把软乎乎的树脂填进去,填满了再拿蓝光一照,让它在洞里变硬。材料是在牙洞里成形的,所以和牙贴得严丝合缝。电池也是先贴好,再固化,这叫原位聚合,“原位”就是在原地变成固体。



所以,同样叫固态电池,不同路线的追求和难点都很不一样。硫化物图的是锂离子跑得快、能量密度做得高,让车跑得更远;这套聚合物复合,先把不漏、少燃、扛压、贴得紧这几件事做扎实,材料不一样,造法也不一样。



03、海底干完,又去天上接活

固态电池的价格和产量,离适合家用车还有一段距离。

愿意为它买单的除了刚才说的下海的,还有上天的。

那些大大小小飞行器,也都是固态电池的适用场景。

无人机、电动飞行器挑电池,看的主要是两样:轻,和安全。

先说轻,无人机的最大起飞重量是定死的,续航不能靠猛塞电池来解决,多背一斤电池,就少带一斤货,所以要比的是重量能量密度。

再说安全,这个大家都懂,飞机上电池万一出事,人没法像地面那样直接弃车跑路,后果不堪设想。

崔光磊团队孵化的公司中科深蓝汇泽,已经把固态电池装进了土地测绘无人机。此前它和中科院一家研究所联合研发的机型,续航从传统产品的15分钟提升到了近一个小时。今年,公司还在争取让大载重物流无人机和eVTOL的电池小批量交付。



载人的也有人在试。10月,法国电池公司Saft开了新的固态电池生产线,一种做聚合物半固态电芯,一种做硫化物全固态电芯,主要瞄准航空。Saft是石油巨头道达尔能源旗下的公司,差不多同一时间,它把第一批半固态电芯交给了法国航空巨头赛峰,用来评估未来的电动和混合动力飞机。





当然这些市场的体量,跟家用车还没法比,但要求够特别,也肯为高性能付钱。

固态电池最早投入应用的场景之一,也是一个类似的地方:心脏起搏器。

上世纪70年代以前,心脏起搏器的电池一般撑两年左右,没电了病人就得再挨一刀换电池。后来起搏器换上锂碘电池,平均寿命拉长到十年左右。这种电池的电解质就是固体:把碘和聚合物加热成黏稠的液体灌进去,冷下来变成固体。

它的价格明显更贵,但病人为了少挨几刀,愿意接受。



锂碘电池的心脏起搏器

深海、无人机这些买家有了,下一步就是稳扎稳打,把电池一批批造好。

普通锂电池出厂前本来就有一道注液工序,把电解液灌进电芯;原位聚合灌进去的是能变成固体的原料,灌完再多一道固化。团队的说法是,这项技术和现有液态锂电池的生产工艺十分契合,用不着把产线推倒重来。

再往后,就是工厂里的老功课了:灌注、固化、组装、检测,每一步都做稳,合格率才能上去,报废和返工才会少;订单多了,原料采购量上去,成本才降得下来。

崔光磊今年10月接受采访时,给整个全固态电池行业估过一笔账:眼下成本大约是液态锂电池的2到4倍,三年内有望降到1.2到1.8倍。

所以,固态电池上车这事,咱们可以继续催,但也不用觉得它只活在发布会里。我们还在嫌贵的时候,海底的设备、天上的无人机,已经在拿它干活了。

这些订单能帮厂家继续改工艺、磨产线。至于什么时候能大规模装进家用车,还得看成本能降到哪一步。下过万米深海,也得回来过价格这一关。

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