一把大火，烧出了锂电池的去路

作者丨Poinko

责编丨崔力文

编辑丨别   致

林志颖父子死里逃生之时，纯电汽车的发展，也显现出了下一阶段的大趋势。

整个7月，关于车用固态锂离子动力电池的新闻，可谓层出不穷。

首先是本月7日，日本经济新闻与东京研究公司Patent Result合作，完成了一份全球范围内全固体动力电池的调查报告。该报告基于企业间对相关专利的掌握，认为日本企业已处于全面领先优势，且前十强名单中，日本企业占据了六家之多，并以丰田握有1331项居于首位（第二位松下公司，掌握了445项）。

这个报告最初由日经中文网微博公众号发布之初，国内舆论多少有点懵逼：就在被迫放弃氢能转向纯电之际，看似在车用新能源领域大败亏输的日本企业，已经在不知不觉中悄悄布局，又远远跑去前面等着大家了？

▲ 蜂巢能源展示的固态电池样品——尚处于实验室阶段

随后则是19日，蜂巢能源全固态电池实验室研发出国内首批20Ah级锂硫化物全固态原型电芯。根据蜂巢官方放出的数据，该系列电芯能量密度达350－400Wh／kg，并且现已顺利通过针刺、200°C热箱等实验。

企业方面非常乐观地认为，该产品一旦量产应用，则现有纯电汽车可在不进一步增大电池包的前提下，实现1000公里以上的续驶里程。

蜂巢能源的官宣，实际上是受上月25日，宁德时代董事长曾毓群于重庆车展期间宣布完成了锂硫化物固态电池的刺激。

至于第三件新闻，则是发生在上周五（22日）的一桩惨剧——众多70、80后年轻时的偶像，被戏称为“冻龄青年”的台湾地区前偶像级歌手，现专业赛车手“亚洲小旋风”林志颖，在携幼子驾车出行时，突发车祸。

林志颖亲自驾驶的特斯拉2021款Model X，在撞击路中央分流岛后，起火燃烧整车焚毁。

值得注意的是，作为当今性能最强大的量产纯电汽车，特斯拉Model X配备了能量密度颇高，但在安全性上一直遭到诟病的三元锂电池。

而上述新闻在相互映照之后，其实已经无疑地反映出了纯电汽车的下一阶段发展趋势——为了追求更好的安全性以及更高的性能，动力电池的固态化，已俨然成为一种趋势。

01固态的巨大价值

所谓“固态”，实际指的是将锂电芯的电解液，替换成固态物质。

一般而言我们以技术路线划分，其主要分为三类：锂硫化物、高温聚合物，以及锂氧化物。

日系企业，例如丰田、松下等，外加国内新近宣布研制成功的蜂巢能源、宁德时代，走的均是硫化物路线。而法国的博洛雷集团（Bollore Group）以及国内的电池巨头比亚迪，则主要致力于聚合物路线的探索。至于氧化物路线，英国的ILIKA公司，已经在此领域深耕多年。

在改用固态电解质后，锂离子动力电池在性能和安全性两个主要方面，都将获得巨大的提升。要解释这个问题，就需要从锂电池的工作原理上来进行理解。

众所周知，锂离子电池是一种典型的“摇椅电池”。

充电时，正极上的锂原子失去电子，被氧化成了锂离子（脱嵌），然后在电解液中运动，跑到了负极，与流经外部电源的电子互相结合，又还原成了锂原子，嵌入到了负极碳层的微孔中。

放电时，则是一个逆向的一个过程——嵌在碳层负极中的锂原子，失去了电子，被氧化成了锂离子，回到电解液中，运动到了正极，与流经负载的电子结合，再度还原成了锂原子（嵌入）。

在这充放电的过程中，锂以离子态完成了从正极到负极材料之间的往返脱嵌，像极了一把摇椅周而复始，来回摇摆。

电解液是电芯内不可或缺的物质，而通常，这是一种液体。那么，将其替换成一种同样能导电的固体呢？这会带来两个主要方向上，众多的优点。首先，便是能量密度的大幅度提升。

在现有常规锂电池上，正极材料的选择往往具有局限性，通产无法选择电压更高的材料，而局限在4．45V范围内。因为过高的电压，可能导致钴酸锂电解液发生氧化，并使得正极表面产生不可逆的相变。

▲ 采用电解液的圆柱形锂电芯构造

而如果是固态电解质，那么就能用提高电池能量密度的高电压正负极材料，比如可以提高到5V甚至更高，于是电芯的极限能量密度也随之得到提升。

负极材料也是同样的问题。随着固态材料的替代，电池负极材料甚至可以选择采用金属锂。而对应硫化物正极材料，电池的理论能量密度可较之现有最好的三元锂电池至少翻两番。

当然，固态化对能量密度的提升，不仅仅体现在化学性质层面上。

由于电芯内部不再含有高度活跃的含锂液态电解质，即便正负极隔膜被刺破后，也不会由于电解质渗入两极而迅速发生短路。因此，电芯的壳体实际可以选择更轻的材料。从而减轻了电芯的质量，显然就是提升整个电池包的能量密度。

▲ 以固态电解质替换电解液后，电池形状也可以从卷绕的圆柱形，改成扁平的矩形

在能量密度进一步提高之外，安全性高无疑是固态电池的另一大优点。其重要性，甚至可能还超过前者。

正如上文提到的，正如蜂巢能源对自产固态电池测试的结果——当意外发生电芯破裂时，由于电解物质为固态，所以困扰锂离子动力电池长久以来的“短路－发热－爆燃”连锁反应，更笨无从发生。在现有的实验室测试中，所有样品均通过了严苛的挤压、加热、针刺测试。而且在上述测试过程中，均未见到短路并且由此产生的爆燃问题。

此外，固态电池过充后并不会和液态电池那样释出锂晶枝，也就没有了刺破正负极绝缘薄膜，进而引起短路的风险。

▲ 比亚迪提出的固态电池包方案，比柱状电芯更加紧凑

最后，由于电池内的固态电解质不会挥发也不易燃烧，能够有效避免液态电池在拆解时的泄漏问题，不但环保而且利于回收再利用。