埃隆·馬斯克(Elon Musk)說，電池是未來的關鍵。它們為科技革命提供了動力，為世界帶來了智能手機、平板電腦，以及在消費者開始被鼓勵遠離化石燃料的時候，它們帶來了電動汽車。然而，驅動現代世界的鋰離子電池背后的科學技術在三十多年來基本沒有改變。

當鋰離子電池開始在汽車行業廣泛應用時，它公開的行業秘密也再次被放大并呈現在公眾面前。鋰離子電池含有數百公斤的金屬和材料，特別是石墨、鈷和高純度鎳，在開采和提煉過程中會造成嚴重污染，并增加二氧化碳的排放。另一個問題是安全問題，這些電池容易發生火災和爆炸。

這些缺點使得人們對固態電池寄予厚望，希望它能幫助解決許多環境和安全問題。固態電池采用薄薄一層固體電解質，取代目前鋰離子電池中易燃的液體溶液，可以更密集地儲存能量。此外，固體電解質還可以充當隔膜，隔膜在鋰離子電池中是關鍵部件，可以降低火災風險，減少所需原材料的數量。

電動汽車制造商特斯拉的首席執行官馬斯克在固態電池的話題上一反常態地沉默，他的公開表態中很少提及固態電池，包括在2020年9月的“電池日”活動上。

在不增加電池組成本和火災風險的前提下，對更短的充電時間和更長的里程數的追求已經達到了技術上限。解決這些限制是讓電動汽車革命真正起飛的關鍵。固態電池提供了部分解決方案，但可能會犧牲特斯拉作為市場領導者的地位。

兩大趨勢

兩大趨勢加大了電池技術變革的緊迫性，一是歐洲和中國都在鼓勵電動汽車的發展，二是全球對工業金屬的需求激增可能會削弱長期供應。

隨著更嚴格的新車排放目標的逐步實施，2020年歐洲電動汽車的銷量增長了一倍多。無論是英國還是德國，越來越多的國家承諾從2030年起禁止銷售新的汽油和柴油汽車。同時，綠色技術現在被各國政府視為改善經濟增長放緩的一種方式。

在中國，2020年電動汽車的銷量達到了歷史高點130萬輛。“這甚至已經跟補貼沒關系了，現在補貼在汽車總價中的比例可以忽略不計，只有十分之一左右。”摩根大通資產管理公司的研究分析師Mark Mao說，“銷量只會上升。”

市場的樂觀情緒部分是歸因于電池制造商降低了生產成本。根據咨詢公司Benchmark Mineral Intelligence的數據，對于鋰離子電池組這一電動汽車最昂貴的部件來說，其電芯的價格在過去十年中下降了近90%，2020年降至每千瓦時110美元左右。

平均而言，電動汽車仍比傳統汽油車貴30%。但這一差距正在縮小，瑞銀的分析師表示，現在距離價格平價僅剩三年時間。從此，電動汽車的需求應該會進一步加快，這意味著對電池的需求更大。

電池中高度易燃的液態溶液不僅易燃，還使回收困難，轉售貶值嚴重。還有價格因素，在不增加電池組成本的情況下，對安全性和能量密度的改進，每輛車的成本約為12000美元，已經達到了技術極限，這意味著使用鋰離子電池的長續航汽車的價格有一個內部底線。比如入門級的特斯拉Model 3的起價為37990美元，現代Ioniq為33245美元。

除了昂貴和不穩定之外，電池還很笨重，特斯拉Model S的電池重量超過540公斤，它們的存在大大壓縮了腿部空間，并施加了其他設計限制。這種額外的重量使電動汽車比汽油車重得多，因此它們需要更多的動力來覆蓋相同的里程，特別是在寒冷的天氣。再加上充電時間較長，充電基礎設施不足，還有很大的改進空間。

“快速充電與液態電解質的搭配并不理想。在這個過程中產生的熱量會損壞電池，絕對會提高火災風險。”布朗大學工程教授布萊恩·謝爾頓(Brian Sheldon)說，“固態電池可以解決這一風險。”

電動汽車的倡導者似乎接受了這些限制，并采用了一些變通的方法，比如在冬天關閉暖風來延長行駛里程。

然而大多數問題，尤其是安全問題，卻不那么容易解決。傳統上，電池中鎳、鈷和錳的含量是相等的。但最近的行業趨勢是將電池中鎳的比例提高到陰極材料的80%以上。這有助于提高里程數，并能減少鈷的使用量，降低生產成本，因為鈷的成本是鎳的兩倍。

不幸的是，這種新的金屬組合也使電池更加不穩定。中國最早將鋰離子電池商業化，自5月以來，已有3輛配備這種電池的汽車起火。其他金屬組合，如鋰和鐵，已被證明更安全，但能量密度較低。

無論是汽車制造商還是智能手機開發商，對于他們來說還有另一個共同的問題，那就是隨著電池成為許多技術的關鍵部件，對原材料的需求也在增加。這在過去一年中推動了鎳、石墨、鋰、鈷和銅的價格不斷上漲。如果再加上大多數大宗商品交易的美元走軟，價格可能會進一步上漲。

平均而言，一輛電動乘用車的電池需要約20公斤的鎳(特斯拉Model 3需要30公斤)，陰極需要多達20公斤的鈷，外加約60公斤的鋰化合物。在這些金屬中，鎳至關重要，因為它能幫助電池儲存更多的能量，并減少對更昂貴的鈷的需求。

特斯拉2020年占據了歐洲電動汽車行業使用的所有鎳的一半以上，馬斯克特別指出供應是一個問題。美國投行杰弗瑞集團(Jefferies)表示，該公司計劃到2030年生產儲存3太瓦時的電池，按照目前的水平，這將耗盡全球大部分鎳產量。提高產量很難，產出的鎳中只有不到一半能夠適合用于電池。新的鎳礦床也十分罕見，不排除出現短缺的可能。

由于不同的原因，鋰的供應是有限的。鋰是一種豐富的資源，但公司提煉鋰用于制造電池的能力有限，替代品稀缺。建造新的鋰礦設施可能需要長達10年的時間。電動汽車制造商的需求如此之大，以至于分析師預計2021年底前將開始出現供應短缺。鈷也面臨類似的命運。瑞銀表示，預計未來十年將繼續供不應求。

商業化還有多遠?

大眾汽車電芯中心負責人弗蘭克·布洛梅(Frank Blome)將固態電池描述為鋰離子等效電池的“終結者”。

固態電池更安全、更便宜，可以使用更長時間而不會出現性能下降，所需原材料更少。電池芯可以堆疊起來，就像用磚頭砌墻一樣，使它們更容易適應不同的汽車設計。它們更輕，大約10分鐘就能充滿電，并且具有更高的能量密度，提供雙倍或更多的續航里程。固態電池對銅和鋁的需求更小，石墨和鈷可以完全被淘汰。回收固態電池也將是一個更簡單、更安全的過程。

“從歷史上看，從汽車排氣系統到冰箱，新一代技術都帶來了原材料使用量的大幅減少。固態電池也應該如此。”Hana Ventures首席執行官金東煥(Donghwan Kim)說，該公司是一家總部設在首爾的風險投資公司，主要投資于技術和工業領域。

已經生產出的原型產品表明，固態電池的能量存儲量比相同重量和體積的鋰離子電池多80%。金屬鋰具有更高的能量密度，可以取代石墨，有助于減輕電池重量和體積。

特斯拉宣稱未來三年內量產出比傳統鋰離子電池的能量密度高50%的電池，以增加行駛里程。對于那些希望提高鋰離子電池性能的人來說，在行駛中的車輛上安裝重量超過500公斤的電池，同時不影響續航里程和安全性，是一項繁重的挑戰。這導致分析師們對特斯拉所標榜的雄心壯志產生了一些懷疑。

“在今天的上限基礎上提高50%，意味著電池的尺寸要大得多，因為需要有更多的材料進入陰極。”布朗大學的謝爾頓說，“將這些裝入汽車將是一個重大的挑戰。”

在過去二十年里，傳統電池的能量密度每年增長約4%，達到每升約700瓦時，相當于續航里程500公里。由于電芯和液體電解質已經占了大量體積，這一水平很難進一步增加。

固態電池不僅可以將電芯的能量密度提高到每升1000瓦時以上，行駛里程為800公里。而且它們還可以承受更多的充放電次數。它們還可以在較長的使用壽命內保持更多的能量，從而有可能實現100萬英里的電池壽命。這將極大地改變終生擁有成本，并減少原材料的使用。

雖然已經開發出了固態電池的原型，但每輛長續航電動汽車需要的電芯數量至少是迄今為止在實驗室測試的20倍。工廠將很難批量制造它們，目前每塊電池的制造成本約為10萬美元。

大規模生產還需要幾年時間。但各家公司正向著它慢慢靠近。“現在與之前最大的不同是，固態電池技術已經取得了進步，人們已經發現了阻礙其商業化的問題。”謝爾頓說，“這足以讓我們感到樂觀。”

固態電池領域目前最受關注的公司是QuantumScape，這是一家由大眾汽車和比爾·蓋茨(Bill Gates)支持的硅谷創業公司。它的目標是在2024年實現商業化生產。在通過一家特殊目的收購公司上市后，其股價2020年上漲超過1000%，對該公司的估值一度接近500億美元，超過通用汽車。

Solid Power是一家位于科羅拉多州的初創企業，正在小規模地生產22層鋰金屬電池，這已經可以提供比目前長續航電池更多的里程數。它計劃在一年內生產出更大的電池，并在2025年前將其應用于汽車。

然而對于尋找特斯拉顛覆者的投資者來說，像這樣的初創企業可能不是最好的選擇。它們缺乏從頭開始制造關鍵部件的能力。目前在傳統的電池、汽車和機械領域占據主導地位，并且有現成的機械和材料渠道的公司更適合大量生產的零部件。

基于這些原因，一些亞洲公司看起來最適合將固態電池變為現實。豐田將在2021年推出一款原型車，只需10分鐘即可充滿電，續航500公里。豐田汽車兩年前推出的雷克薩斯LF-30概念車，配備了小型固態電池，目前已有1000項涉及固態電池技術的注冊專利。

來自三星的替代方案將提供一次充電800公里的里程。它的體積將是傳統電池的一半。首席研究員Dongmin Im說，“這項技術是提高電動汽車里程數的革命基礎。”它的生命周期超過1000次充電，與現有電池相比，現有電池只需快速充電60次就會出現容量衰減。

對于這些公司及其投資者來說，固態電池是一個不錯的賭注。這種技術的每一次進步，都為先行者帶來了意外之財。即將推出第五代鋰離子電動汽車電池的三星已經簽署了幾份合同，其中包括與寶馬簽訂的價值35億美元的合同，在未來十年為其供應電芯。

對于特斯拉來說，這些進展構成了威脅。它對電動汽車市場的把持，與它的車型較長的續航里程和快速充電時間，以及它的創新軟件和顛覆性營銷一樣重要。然而，如果汽車能在家里一樣快速充電，它遍布全球的超級充電站網絡將不會帶來什么競爭優勢。

制造商離商業化有多近?從專利方面也可見一斑。根據歐洲專利局2005年的數據，電池和電力存儲設備的全球新專利申請數量的增長速度是所有其他技術領域平均水平的4倍。而與固態電池相關的專利增長速度最大，這暗示著固態電池進入市場的時間快于預期。

“我們多久能達到大規模生產，只是投資多少的問題。”Hana Ventures的金說，“以芯片制造為例，大多數限制，包括那些曾經被說成是技術上不可能的限制，都已經通過增加資金來克服。最近電動汽車市場的增長意味著，現在可以分配更多的資金將固態電池推向市場。”

撰文/ 馬曉蕾

編輯/ 溫 莎

設計/ 杜 凱

來源 / Fttimes，作者：June Yoon