1000公里续航来了，蔚来的150度固态电池是怎么回事

蔚来发布了150度固态电池，装在最新款ET7上使续航里程达到1000公里。

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电动汽车续航军备竞赛已经全面升级，特斯拉、比亚迪都要小心了！

相比100度锂离子电池，新款固态电池能量密度提升了50%，那么这个固态电池究竟是什么黑科技。

液态电解质锂离子电池

目前绝大多数电动汽车搭载的锂离子电池，更准确的称呼应该是液态电解质锂离子电池，蔚来这次的固态电池是固态电解质锂离子电池。

液态锂离子电池，它的结构仍然是非常传统的。

每个电池都包含有正负两个电极，在电池内部，连接负极的叫做阳极，在这里发生氧化反应，连接正极的叫做阴极，在这里发生还原反应。阳极和阴极被一个隔膜隔开，它的目的是防止阳极和阴极直接接触，因为一旦直接接触就会引起短路，结果就是电池起火爆炸。

液态电解质锂离子电池

电池放电的时候，电子从锂当中释放出来，通过电极和导线，驱动电器工作。与此同时，锂离子要从阴极跑到阳极。

电池充电的时候，电子和锂离子的运动过程是相反的。

为了实现锂离子的转移，电极之间必须有介质，这个介质叫做电解质。今天我们常用的锂离子电池中用的是液态或者凝胶状的电解质，这就是液态锂离子电池。

液态电解质有许多好处，它电导率较高，允许锂离子自由通过。液态电解质能够完美接触阳极和阴极，使得界面电阻很小，这样就能够减少电池的内阻，充放电的时候能够减少发热。

锂离子除了要穿过电解质，还需要穿过阴极和阳极间的隔膜，这个隔膜是很特殊的，它要允许带正电的锂离子通过，还要对电子绝缘，否则电池很快就会把存储的电量消耗光。

液态电解质并非完美的材料，它低温下会分解，高温下会分解和产生气体。因此电池会逐渐衰减，还需要增加排气部件，这样会影响能量密度。

现在市场上有多种锂离子电池，不同的厂家使用的阳极和阴极材料略有不同。组成阳极的材料，通常是石墨，也可以添加硅，甚至是纯硅。组成阴极的材料，常见的是三元材料，如镍钴铝（NCA）或者镍钴锰（NCM），另一大类是磷酸铁锂。

锂电池使用不同的电极材料，性能是有差异的，比如说有的电池容量高，有的电池寿命长，有的电池充电快，有的电池安全性更好，有的电池低温性能好。特斯拉常用的三元锂电池，容量高但是安全性差，比亚迪主推的磷酸铁锂电池，容量低但是安全性好。目前并没有一种各方面都好的完美电池，而且液态锂离子电池在能量密度上已经接近极限，上升潜力很小。

目前三元锂电池因为容量高，更受车厂的欢迎，但是它在安全性上是天生比较弱的。

随着充放电次数增加，金属锂会在阳极上积聚，形成锂枝晶，锂枝晶像树枝一样缓慢生长，一旦穿透隔膜，电池就会短路，存储的能量瞬间释放，产生高温，引起电池燃烧甚至爆炸。

为了提高能量密度，电池厂家不断减少隔膜的厚度，电池也就更容易被锂枝晶刺穿。

另外，外部的机械破坏和制造缺陷，也会导致电池短路。随着电池能量密度的提升，短路问题越发明显。

高温会导致阴极材料释放出氧气，液态电解质通常是低燃点易挥发的碳酸酯类，它是高度易燃的，电池一旦短路，即使是在缺氧的环境下也能燃烧。

许多车企，包括特斯拉在内，更愿意追求更高的能量存储密度，而适度放宽安全性的要求。它们会采取一些综合方法来提高安全性，比如加强散热、建立电池监控系统、使用更结实的外壳以防止外部损伤。但是这些方法都是辅助手段，解决不了本质问题。

那么有没有可能既增加能量密度，又提高安全系数，答案就是固态电池。

固态电解质锂离子电池

固态指的是固态电解质，固态电池实际上是固态电解质锂离子电池。固态电解质密度更高，结构更坚固，可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。

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工作原理上，固态电池和液态电池没有区别，仍然是依靠锂离子在阴极和阳极之间移动。最主要的区别是固态电解质有特殊的结构允许锂离子迁移。使用固态电解质，带来一个很大的好处，它既可以当电解质用，也可以当隔膜用，这样电池结构变得更简单了，生产也能够简化。同样的空间中可以放下更多用来储存能量的阳极和阴极材料，意味着能够存储更多的能量。

固态电解质能够在更宽的电压范围下工作，同样有利于增加能量存储密度。

与液态电池相比，固态电池最突出的优点是安全性。固态电解质不可燃；能够在更高的温度范围工作，如-50℃~200℃；固态电解质没有腐蚀性，不会发生漏液现象；固态电解质也不会挥发。

固态电池的电极材料可以沿用现在液态电池的材料体系，比如使用三元锂或者磷酸铁锂作为阴极材料，使用石墨和硅作为阳极材料，甚至可以使用金属锂作为阳极，大幅提高电池的能量密度。

固态电池发热量低，不需要特殊的冷却系统，液态电池通常需要水冷，固态电池只需要风冷就可以了。

因为安全性更高，固态电池还可以做得更紧凑，甚至比现在液态电池的CTP结构或者刀片结构更进一步，做成只有一两个或者几个单体电池的电池包。

液态电池目前已经接近能量存储密度极限，而固态电池的理论能量存储密度极限是液态锂离子电池的2~10倍。

总之，固态电池的理论能量密度比液态电池高得多；固态电池的结构更简单生产成本更低；固态电池可以使用更便宜的材料，能够进一步降低生产成本；固态电池的理论寿命更长，甚至有可能使用30年不坏；固态能够在更高的温度范围工作，因此电动汽车冬季续航不会打折扣。

固态电解质显然是固态电池的核心问题，固态电解质需要有较高的锂离子导电性能；需要对电子绝缘，就像液态电池的隔膜一样；需要用更宽的电化学窗口，也就是充电和放电终止电压的压差要尽可能大，这样就能存储更多的能量；固态电解质要跟电极材料相容性好，否则固有的优势就会大打折扣；还需要原料易得，成本较低，合成方法简单，这决定了最终产品的成本。

就像液态电解质一样，固态电解质也有很多种，常见的有聚合物、氧化物和硫化物三类。

聚合物固态电解质通常使用聚环氧乙烷（PEO）或者聚碳酸酯，优点是比较容易实现，高温工作性能好，缺点是导电能力差，成本较高，低温性能差需要加热系统才能允许，能量密度上限比较低，因此聚合物固态电池未来很难成为主流。

氧化物固态电解质，比如钠超离子导体结构（NASICON）的Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)和Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3（LATP），钙钛矿结构的Li3xLa2/3-xTiO3（LLTO），以及石榴石结构的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZO），导电能力比聚合物好，但是比硫化物低，循环性能好，界面相容性差，原料成本低。

硫化物固态电解质，LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等，各项性能参数都很好，原料成本较低，缺点是界面相容性差，稳定性和机械强度较弱，硫化物空气稳定性不好，遇水还会产生剧毒的硫化氢，需要干燥及惰性气体保护的生产环境。

锂离子导电性是一个关键指标，在液态电解质中，锂离子可以自由移动，但是对于固态电解质，这是一个非常大的挑战，锂离子容易被限制在坚硬的固态晶格中，导致固态电解质的锂离子导电性只有液态电解质的1/10甚至1/100。

这是研发固态电池技术中最重要、最困难的挑战之一。硫化物导电性最好，但是它的稳定性并不太好，硫化物和溶剂、助粘剂之间还会产生不良的反应。

氧化物的稳定性是几种电解质中最好的，但是它的导电性比较差，大概只有硫化物的1/10~1/20。高温烧结氧化物，可以提升导电性，但是成本太高，低温压合导电性就比较差。

还有一些其他工程手段能够提升导电性，比如对电解质和电极界面进行抛光，也可以增加特殊的涂层，甚至是采用固液混合形态的电解质。这些手段能提高导电性，但是会损失能量密度，只能作为过度阶段的方案。

硫化物遇水会产生硫化氢，硫化氢是剧毒的，而且还能够燃烧。必须在干燥室中才能够生产，如果是大规模生产，建造成本和生产成本都会高很多。如果发生意外状况，后果也是非常严重的。

电解质和电极之间的界面会产生阻抗，导致电池性能下降，不管是硫化物还是氧化物都会有问题。

氧化物的颗粒比较硬，氧界面接触状况不太好，容易形成不连续面，容易破裂，会造成短路。如果增加氧化物厚度，就必然牺牲能量密度。

可以看出，氧化物和硫化物各有优缺点，硫化物的潜力较高，但遇到的问题也更加棘手。

具体到蔚来，这款固态电池是如何实现的呢？

2019年8月22日，蔚来与辉能科技签署战略合作协议，双方将共同打造基于辉能MAB固态电池包技术的样车，并围绕固态电池的生产应用展开进一步合作。

辉能科技2012年就推出了软板固态电池，用于小型电子设备，经过多年的发展辉能攻克了固态电池氧化物体系的难关，之后进入动力电池领域。目前已经公开与辉能有合作的企业有4家，一汽、天际、蔚来以及爱驰。

由于没有其他信息，假设蔚来的150度电固态电池就是来自辉能。

辉能固态电池电池包

固态电池最困难的地方是固固界面导电率低，辉能保留了少量凝胶电解质，凝胶电解质体积占比小于10%，重量占比小于4%，严格来说不是100%固态电池，属于固液混合电池，但是性能已经非常优秀了，离100%固态电池也仅一步之遥。

辉能还有一个独家技术叫做MAB（Multi-Axis BiPolar+），这种电池包技术包含两项技术，CTP（无模组电池包）和双极电芯技术。

MAB技术思路是简化电池包系统，主要是电池管理系统、组件以及冷却系统。最初采用液冷MAB，体积利用率是一般三元锂电池的1.46倍，重量利用率是一般三元电池的1.21倍。2021年推出的电池包将采用气冷系统，体积利用率可达到一般三元锂电池的1.56倍，重量利用率是1.25倍。

电芯层面，辉能采用的是双极电芯技术，即通过电芯内部直接串联，这样电芯的电压可以一直增加，一颗电芯就可以做到5V以上。目前基于液态锂离子电池的液态电解质最高只能承受4.4V电压，超过这个电压会使电解质崩解导致正负极短路。

内部串联与目前常用的外部串联相比，最大特点是内阻小、产热少、电池温差小、散热快，冷却系统可以降至最简。

电池还有一种主动安全机制，叫做ASM。在电芯到达一定温度时，电芯内部会产生化学反应，直接把正负极破坏，这个反应会把热能吸收掉，从而阻止电池升温、燃烧或者爆炸。

辉能已经有1GWh、2GWh、5GWh三条生产线正在建设，预计2021-2022年完工。目前电池成本大约是液态电池的1.6倍，产能超过20GWh时，成本将比液态电池低。

根据现有信息蔚来150度电池的能量密度应该超过350Wh/kg，系统能量密度能够超过220Wh/kg。作为对比，特斯拉电池包系统能量密度是161 Wh/kg。

电池推出时间大概是2022年，这跟辉能的生产线建设进度一致。

结论

一两年内我们将见到少数车型搭载固态电池，2025年后将大量上市。大部分电动汽车续航能力将到达600公里，部分超过1000公里。安全性大大提升，10~15分钟充满电，里程焦虑消失，冬季衰减成为过去式。电动车要革燃油车的命了。