4680電池？固態(tài)電池？誰(shuí)才是新能源汽車(chē)的“最優(yōu)解”

現在影響用戶(hù)是否買(mǎi)一輛電動(dòng)車(chē)的第一考量就是續航，補能時(shí)間也是影響續航體驗的重要一環(huán)。因為冬日續航能力縮短、假日堵車(chē)充電難的現狀，很多新能源汽車(chē)車(chē)主在吐槽“電動(dòng)爹”的問(wèn)題。

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

純電車(chē)要完成適應城市通勤到城際通勤，就是目前努力的目標。2022年，一批理論里程達到1000公里的產(chǎn)品已經(jīng)面世，“里程憂(yōu)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(chē)的關(guān)鍵就在于選電池。

新造車(chē)行業(yè)在過(guò)去十來(lái)年發(fā)動(dòng)了一場(chǎng)電池戰爭，因為技術(shù)路線(xiàn)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(cháng)。不論是產(chǎn)量、銷(xiāo)量還是裝車(chē)量，前幾年都是三元電池牢牢占據上風(fēng)，但是到了2020年磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量首次超過(guò)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，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電池終于要大規模量產(chǎn)交付了。據特斯拉官方消息，加州試點(diǎn)工廠(chǎng)在1月生產(chǎn)了100萬(wàn)塊4680電池，這標志4680電池開(kāi)始量產(chǎn)。4680電池的存儲容量將是2170電池的5倍，功率則高達6倍，預計可使車(chē)輛續駛里程增加16%，成本下降14%。

良品率一直是困擾4680電池量產(chǎn)的最大問(wèn)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)節出現問(wèn)題。2021年年底，松下聯(lián)合索尼對外宣稱(chēng)，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(chēng)今年實(shí)現試生產(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(chēng)是4680規格無(wú)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?jì)饶軌騼Υ娓嗟哪芰?，與單純的在電池組內增加電池數量道理相同。

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(xiāo)Model 3舉例，目前M3 P使用的2170電芯，裝滿(mǎn)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，電芯體積小導致空隙更小，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(mǎn)M3 P的電池組則僅需960枚4680電芯，換算一下總容量可以達到130kWh，提升75%。此外由于4680單體電芯體積更大，封裝材料數量減少，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(lái)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。

在電池控制系統的管理上，成本也會(huì )隨之降低。繼續以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，電芯數量減少，只需要一個(gè)控制模塊即可統一管理，控制更加簡(jiǎn)單高效。

另外值得注意的是，4680電池采用了無(wú)極耳設計，取消了傳統的極耳結構，將作為集流體的銅箔延展出來(lái)作為極耳，這也是為什么4680的無(wú)極耳設計，也可以稱(chēng)之為全極耳的原因。

無(wú)極耳帶來(lái)的好處也顯而易見(jiàn)，此前需要單獨焊接極耳，用于電能流經(jīng)。如今取消極耳設計，將電芯整個(gè)側面當做極耳，電能傳送更加順暢、傳送路徑縮短、減少內阻、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。也正是因為極耳尺寸更大，散熱更加均勻，間接提升了4680電芯的充放電性能。

SNEResearch數據顯示，2021年全球動(dòng)力電池裝機量為296.8GWh，比上年增長(cháng)102.18%。預測隨著(zhù)特斯拉全球銷(xiāo)量增長(cháng)以及4680電池在三元電池車(chē)型中滲透率提升，2025年特斯拉搭載4680電池的車(chē)型銷(xiāo)量將超160萬(wàn)輛，在特斯拉總銷(xiāo)量中滲透率近50%，裝機量預計達123GWh，全球裝機規模將達到264GWh，在動(dòng)力電池中的滲透率22%。

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

4680電芯可以算作是當前電池技術(shù)遭遇瓶頸時(shí)，吹來(lái)的一縷清風(fēng)，為焦慮的各大車(chē)商提供的新的思路，再次提升了純電動(dòng)車(chē)輛的綜合性能?？偟膩?lái)說(shuō)，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)中的競爭力，也讓逐漸恢復平靜的新能源車(chē)戰場(chǎng)再次緊張了起來(lái)。同時(shí)，作為純電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，車(chē)企在電池領(lǐng)域的研發(fā)競爭也會(huì )更加激烈。

固態(tài)電池是什么？

要想實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)售價(jià)與燃油汽車(chē)相當，每千瓦時(shí)電池生產(chǎn)成本要降至100美元。決定電動(dòng)車(chē)對燃油車(chē)市場(chǎng)的蠶食速度的，是電池技術(shù)能否實(shí)現真正變革。

如今電動(dòng)汽車(chē)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較高，且有更好的性能。不過(guò)，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(chē)企，其車(chē)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(guò)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(zhù)三元鋰電池不給力了，電池研發(fā)人員和各大企業(yè)也開(kāi)始另辟他境。于是，固態(tài)電池就成了行業(yè)內探討最熱的話(huà)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(lái)的固態(tài)電池能量密度將比現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液態(tài)電解質(zhì)，大幅提升了電池系統的安全性，同時(shí)能夠更好適配高能量正負極并減輕系統重量，實(shí)現能量密度同步提升。在各類(lèi)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。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化階段尚處早期，但有望在未來(lái)超速發(fā)展。當前已實(shí)現小部分商業(yè)化的固態(tài)電池產(chǎn)品對比傳統鋰電暫未形成足夠的競爭優(yōu)勢，而未來(lái)固態(tài)電池將走階段發(fā)展的路線(xiàn)，從特殊領(lǐng)域逐漸往動(dòng)力電池過(guò)渡， 并且隨著(zhù)國際巨頭的加速布局，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)電池結構框架，難題更多也更大，而固態(tài)電池主要在于電解液的革新，正極與負極可繼續沿用當前體系，實(shí)現難度相對小。

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(lái)發(fā)布的固液混合電解質(zhì)電池，它們還都算不上是嚴格意義上的固態(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，可以使用現有設備生產(chǎn)。半固態(tài)電池較之固態(tài)電池并不是過(guò)渡產(chǎn)品，而是對于目前三元鋰電池更成熟的迭代產(chǎn)品。

展望未來(lái)發(fā)展趨勢，技術(shù)上步步為營(yíng)，應用上梯次滲透，固態(tài)電池階段發(fā)展之路已經(jīng)明晰。結構上， 現階段電池體系包含部分液態(tài)電解質(zhì)以取長(cháng)補短。 而技術(shù)發(fā)展過(guò)程中將逐漸減少液體的使用，從半固態(tài)電池到準固態(tài)電池，最終邁向無(wú)液體的全固態(tài)電池。

固態(tài)電池還需解決哪些問(wèn)題？

行業(yè)內共同認可的固態(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(wèn)題。在固態(tài)電池產(chǎn)品化之前，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量將累計達到六千多萬(wàn)輛，滲透率將提升至21.2%，這一巨大的市場(chǎng)對于技術(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(lèi)、氧化物類(lèi)、硫化物類(lèi)，它們有著(zhù)不同的性能表現。這其中，消費類(lèi)產(chǎn)品所使用的通常為聚合物電解質(zhì)，而電動(dòng)汽車(chē)要搭載的固態(tài)電池大多應為硫化物電解質(zhì)。寧德時(shí)代、松下、三星這樣的企業(yè)，都是計劃生產(chǎn)硫化物固態(tài)電池用作電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池。

對于硫化物電解質(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)在內的各大企業(yè)，都沒(méi)有明確表示已經(jīng)可以將電動(dòng)汽車(chē)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，電池內部的離子活性會(huì )變差，也就是導電能力變差。固態(tài)離子擴散速度只有液態(tài)的十分之一，現在的固態(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(wèn)題，要保證車(chē)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。最后，電動(dòng)汽車(chē)固態(tài)電池的生產(chǎn)和制造成本必須要降到合適范圍內，否則，只是做出幾十臺車(chē)使用的固態(tài)電池，完全沒(méi)有意義。

當然，如果這些問(wèn)題都被解決了，那量產(chǎn)的車(chē)規級固態(tài)電池就會(huì )大放光彩。新能源電動(dòng)汽車(chē)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(lái)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。

鋰電產(chǎn)業(yè)鏈是一個(gè)至少還有10年良好前景的行業(yè)，而新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與崛起也將不斷強化行業(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(lái)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)步的重要動(dòng)力。新老巨頭、整車(chē)廠(chǎng)和電池供應商、外資和本土玩家，各股勢力、各派玩家，全部加入到這場(chǎng)競賽中。這是一場(chǎng)和時(shí)間的賽跑，所有人都想做時(shí)間的朋友，但現在顯然無(wú)法決出勝負。真正的大贏(yíng)家，會(huì )是誰(shuí)呢？