做车热背后，电池革命也时常提及。遗憾的是，多年过去，好像谁的命都没革到。
去年 10 月，美国固态电池新创公司 QuantumScape 宣称：“我们的新型电池不但能让电动车续航翻倍、15 分钟完成充电，甚至还比现有锂电池更安全。”3 个月后，中国蔚来在 NIODay 发表续航超过 1 千公里车款，号称会配备固态电池技术，2022 年第四季正式开卖。
或许，QuantumScape 和蔚来真可凭著固态电池真正技术革命，但实现目标前，尚需瓦解锂电池建立几十年的统治地位。
新电池方程式尚未出现
电池革命为何迟迟不来？锂电池为何能够统治业界超过 30 年屹立不倒？答案很简单：打造新电池的化学方程式尚未出现。
“自 18 世纪以来，电池的基本概念从未改变。”雪梨大学化学家、Gelion Technology 创始主席 Thomas Maschmeyer 教授说。
所有电池主要部件不外乎三个：正极、负极、电解质（催化剂作用）。
三大元素不可改变的大前提下，如果业界想有革命性技术突破，就必须调整电池的化学成分。过去几十年，电池研究者在元素周期表没少下工夫，目的就是找到取代锂电池的新型化合物。
主要路线有两条：
- 研发超越锂电池能量密度的新型电池，如固态电池、锂硫电池、锂空气电池等。
- 在已有电池添加更多元素，如钠离子、铝离子和镁离子电池。
不过改变电池化学成分说来容易做很难，解决一个问题后可能会造成多个新问题。最主要的原因是电池化学反应时会产生能量。
以常见锂离子电池为例，会用到石墨负极和金属氧化物正极（通常是钴、镍、锰、铁或铝），电解液则是有机溶剂的锂盐。当锂离子电池通电，负极与电解液的锂发生反应，产生电子积聚在负极周围，正极发生化学反应后就会吸引电子，产生电子流。过程称为还原─氧化过程（就是化学课讲到的“氧化还原”反应）。
一次性电池（如遥控器 AA 电池）来说，电子流只需朝一个方向工作。但充电电池，电子流运动过程就可逆了。也就是说，于正负极间穿梭的电子必须买“来回票”，且不会消耗或破坏活性化学物质。
锂离子电池上，氧化还原反应简直是教科书等级。电池材料开始退化前，电子可双向移动，做到数千次循环。可惜的是，世上万事皆有缺憾：充放电循环会产生微小的金属晶须（称为树突），晶须会穿过电解液，缩短电池寿命。
在极少数情况下，锂离子电池还会起火（想想三星 Note7）。
如果将锂换成镁呢？ 后者更容易开采，且能达类似能量密度。事实证明：镁离子电池理论没问题，实践一团糟。
对锂有效的化学反应对镁不起作用，且对钠、铝或任何其他元素都不起作用。 在锂离子电池，锂可通过嵌入过程扩散并稳定于石墨负极内，但镁不行。不但无法稳定于负极内，镁还会在负极发生反应，形成固体电解质界面膜（SEI），进一步阻碍镁离子在电极和电解液间扩散。一旦这层界面膜出现，电池性能会迅速下降。
镁元素遇到的问题并不罕见，不少想将锂打下神坛的化学成分都能充放电，但不够完美。显然，扩散能力弱意味镁离子电池无法储存大量能量。锂空气电池虽然有高能量密度，但稳定性有问题。
至于钠，虽然是地球储量最丰富的化学元素，但钠离子电池能量密度很低，根本无法用于消费性电子产品或电动车。
这么多锂电池变体中，唯一投入市场的恐怕只有锂硫电池了。这项技术备受期待的原因是：能将电池能量密度提高到传统锂离子电池 5 倍。
不过锂硫电池也不完美，因为锂和硫会发生化学反应，产生多硫化锂，溶解度很高，能扩散到电解液并穿过分隔正极和负极的隔膜。多硫化锂可不是人们想要的氧化还原反应，因会覆盖负极并使其钝化，随后就是容量迅速降低，直至电池罢工。
这过程叫多硫化物重组，20 多年来让研究人员伤透脑筋，尽管大量改善，仍然难以找到商业化的变通法。
超人式登场：固态电池
当所有研究人员都一筹莫展、难寻进步时，固态电池登场了。何为固态电池？就是抛弃传统电解液，使用固态电解质，新电解质就是固态电池的核心。
除了做好本分，固态电解质还能扮演隔膜角色。
固态电池正极材料的选择，高电压型电极材料就可胜任；至于负极，则可用锂金属，以达成能量密度大飞跃。固态电池并非新鲜事，研发进程开始于 1950 年代，最近几年因为电池革命需要被迫走上前线。
相比传统锂电池，固态电池有几大优势：
- 安全性更好
- 体型更轻薄
- 能量密度更高
- 生产制造难度更低
通常动力电池系统需要先生产单体，单体封装完成后将单体串联组装。若先在单体串联，会导致正负极短路与自放电。固态电池电芯内部不含液体，可先串并联后组装，减少组装壳体用料，封装设计得以大幅简化。
理论上来讲，量产电动车最强的 21700NCA 三元锂电池电芯（特斯拉使用），能量密度也只有 251Wh/kg。业界人士认为，300Wh/kg 将是三元锂电池难以跨越的鸿沟。
至于固态电池，能量密度有望达 400~1,000WH/kg，大大缓解电动车使用者的里程焦虑。此外应用还能拉低电池组甚至整车成本。
由于固态电池没有燃烧或爆炸之忧，BMS 等温控元件（这也是特斯拉强项）可彻底退役，无隔膜设计还能进一步减负电池系统。
利好无数，但固态电池想从实验室量产到上车，可不简单。固态电池仍有不少问题，如离子电导率低、高界面阻抗等。此外即使解决材料问题，电池标准化制造等问题也会突显。
当年锂离子技术较幸运，在 CD 取代卡带时诞生，存储介质转换让不少 SONY 薄膜工厂闲置。当日本人意识到这些薄膜工厂能助锂电池一臂之力时，原本过时的产能又重新启动。也就是说，锂电池诞生之初，就已做好量产准备。
相比之下，固态电池的情况大不同。“这是完完全全打掉重来，量产前必须放弃过去 30 多年建立的电池工厂和技术，因固态电池与以前技术储备不相容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。
同时锂离子电池普及经过 30 多年量产，反复运算才出现。1994 年，最常用的 18650 型锂离子电池制造成本超过 10 美元，容量仅 1,100mAh。到了 2001 年，价格降到 3 美元，容量也跃升至 1,900mAh。
今天，此类电池有超过 3,000mAh 容量，且成本持续下降。
“没人会与性价比过不去，锂离子电池至少还能统治整个行业 10 年。”某电池专家认为。电池业发展与成本息息相关，而成本与规模更紧密相连。 锂离子电池拥有如此良好开局的情况下，依然花了 15 年才从高度专业化的产品进化成大众市场产品。
对号称可在几年内彻底颠覆整个电池业的新技术，不少人持怀疑态度。
从股价也能看出端倪。身为固态电池界的明星公司，QuantumScape 手握 200 多项固态电池专利，市值曾一度冲高至 500 亿美元，但从去年底到现在跌了一大半。
有人指出，虽然 QuantumScape 技术不错，但样品电池比苹果手表的电池还小，且从未走出试验室。研究公开技术档案后，不少人认为 QuantumScape 也许最终能将固态电池推向市场，但恐怕很难满足车用要求，且价格会非常贵。
业界普遍认为，固态电池真正落地时间会在 2025~2030 年。
目前已有不少巨头或多或少投资一些固态电池新创公司。福特、BMW 与现代就联合投资 Solid Power 新创公司，本田则选择与 NASA 及加州理工合作，试图研究可将能量密度提升 10 倍的新产品（不过专案依然使用电解液）。
通用汽车方面，不但拿到美国能源部 200 万美元奖励，还携手 LG 化学投资 2 亿美元继续开发固态锂电池，为旗下雪佛兰 Bolt 电动车提供弹药。
与福特建立同盟关系的福斯则向 QuantumScape 投资 3 亿美元，不过生产线要 2024 年才能建成（1gWh），2026 年第二座工厂才会成型（20gWh），至于大规模量产要到 2028 年了。
相比之下，丰田走得最快，以前准备趁东京奥运会发表搭载固态电池的电动车（已跳票），不过量产恐怕要再等 5~6 年。除此之外，丰田还联合本田、日产与松下组织日本固态电池研发联盟，预计 2030 年能将电动车续航提高到 500 英里（约 804 公里）。
有趣的是，松下曾表示固态电池未来十年内都难以商用。也许固态电池来临前，锂电池还会统治业界一段时间。如小鹏又发表基于磷酸铁锂电池版本的 P7 及 G3。
不只电池需要担心
理论与实践通常不同步。
假设固态电池真能快速落地，达成某些厂商声称的 1 千公里续航，人们还会焦虑电动车其他问题吗？
当然有，而且还不少。如充电速度、充电站建设，充电站背后的电网设施等。英国华威大学 David Greenwood 教授表示，电动车的成功取决于无处不在的充电网络和更快的充电速度。
先看快充技术，首先得确定实验室技术与商用技术的差别，因为真正装车后的产品必须在极端温度、苛刻的驾驶条件和大功率快速充电等状况下接受考验，对任何技术而言都是巨大的挑战。
随着电动车数量不断增加，以及电动车商用化深入，快充网络越来越重要。中国也是年发电量占全球四分之一的发电超级大国，电能不会成为制约中国电动车发展的瓶颈，真正挑战在于配电设施、布线和变电站等。
“从技术角度看，已有不少公司拿出实验室技术，但如何大规模工业化是个大问题，按照以往经验，这个过程至少需 5~8 年。”某从业人士说。
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：QuantumScape）
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