固态电池已经上天入海了
固 态 电 池 这几个字，咱们这几年听得耳朵都要起茧了。 车企、电池厂隔三差五就要拿出来说一说：更安全，续航更长，充放电速度更快。 反正就是哪哪儿都好。 可大多数消费者的反应却是：行行行，好好好。 因为在我们的印象中，这玩意儿很难生产，成本更是压不下来。 哪款车一旦增加了固态电池这个噱头，续航能加多少不好说，价格加十万算少的。 这种感觉当然也没错，尤其是在家用车领域，固态电池的规模化上车还需要个几年时间。 但我们大多数人看不到的角落里，固态电池其实早就上岗了，而且是上天下海。 今年3月，美国一家做水下机器人的公司发布了一款自主水下航行器，叫DarkWake，放下水就能自己跑任务。 它有个卖点：固态电池。
中国团队其实跑得更快。 2020年11月，“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟一万米深的海底作业，旁边一台“沧海”号视频着陆器负责拍摄和直播，给“沧海”号供电的，就是一套固态锂电池。 这套电池出自中科院青岛能源所崔光磊团队。他们的电池2017年就跟着着陆器下到了一万多米深的地方，累计交付的深海电池系统已经超过200批次。 家用车还在排队等它，固态电池先去了深海、无人机这些高端场景。 因为它们不太在乎电池贵一点、产量小一点，最怕的是电池出事。
01、为啥能下海？ 海水每往下10米，压力大约增加一个大气压，到了一万米，每平方厘米上压着大约一吨水压，相当于在指甲盖上停了一辆小轿车。 那里常年只有几摄氏度，海水还导电，哪里密封不严渗进去一点，电路就可能短路。 如果用传统电池，容易半路趴窝：相机不拍了，仪器不测了，一趟科考白跑了自不必说，价值几个亿的仪式能不能收回来都成问题。 有人可能会想，电池里装的是液体，为什么会怕水压呢？ 没错，水、油这类液体很难压缩，能把压力原样传过去。 但是一块普通锂电池里，电解液填充，会留下很多缝隙和空腔。 所以让一块液态锂电池下海，大概率会暴露出几个毛病。 一是有空腔。常见的圆柱电芯里天生留着气腔，外面一压，最容易被压瘪变形。 二是怕渗漏。软包电芯靠一圈热封的封边把电解液关在里面，高压下封边可能起泡，外面的液体会顺着封边钻进电芯，里面的电解液也会被挤向结构薄弱的地方。电极边缘细小的毛刺，还可能被压进隔膜，隔膜是正负极之间的一层薄膜，专门把两边隔开，一扎穿就短路了。
三是易燃。液态电解液大多是易燃的有机溶剂，一旦热失控，电池内部越热反应越猛、越猛越热，关在密闭的舱里尤其难收拾。 所以普通锂电池下深海，常见的做法是关进耐压舱，让它在舱里照旧过一个大气压的日子，耐压舱像个保险柜，外面的压力全靠舱壁顶着，去万米深处，舱壁常常得用钛合金，还要做得很厚。
壳一厚，就碰上了深海设备很在意的一件事：重量。 很多深海设备没有发动机推着走。拿着陆器来说，它下水时挂着压载铁自己沉下去，干完活扔掉压载铁，靠身上的浮力材料浮回水面。电池连同外壳每重一公斤，就得多配一块浮力材料把它托回来，整台机器跟着变大变沉，放下去、捞上来都更费劲。 所以，设计一台深海机器，往往电池是很大的掣肘：带多少电，决定它能在下面待多久；电池和外壳有多重，决定要配多少浮力材料；这些定下来，才轮到给相机、传感器安排位置。 汽车是车身带着电池，电池只是一个部件；而到了海底，更像给电池配了台机器。 这些问题，固态电池正好能够规避。
他们这块电池内部没有能自由流动的液态电解液，没有能流的液体，也就没有液体可漏、可被挤跑；固体电解质把电芯里的缝填实了，压力来了，没有空的地方可塌；少了大量易燃溶剂，相应的燃烧风险也降了下来。 在模拟深海高压的实验室里，团队的电池系统扛住了121兆帕的压力，比万米海底还高出约两成，完好无损，照常供电。 光是固体还不够。太硬的固体容易裂，太软的又撑不住形状。团队用的是一种“刚柔并济”的复合电解质：拿刚性的骨架材料撑住形状，再让柔性的聚合物和锂盐填满骨架之间的空隙，负责让锂离子通过。有点像一张吸满了胶的网，网撑形状，胶里走离子。 这样的电芯泡进油里，配上压力补偿，就能少背一个厚重的耐压舱。材料、封装和压力补偿凑在一起，才是一套能下海干活的电源。 电池做大了，干脆就成了海底的电站。 2022年10月，科考船“探索二号”在千米级深海布设了一座海底科学实验站，核心是一座海底基站，配了1000度的固态锂电池，差不多是十几辆电动车的电池加在一起。随后，“深海勇士”号载人潜水器在海底把一座原位实验室接到基站上，实验室就从这块巨型充电宝上取电干活。
从结果来看，这些电池确实各方面都很好用，缺点呢，就是贵。 只是大家计算方式不同，买家用车，多花一千块都要掂量半天；深海装备最怕的是出故障。出一趟海要开船、带上一船人和一堆仪器，电池在下面罢工，整趟任务就白干了，只要电池能把活稳稳干完，贵一点也是值得的。 02、固态电池最难的一步 固态电池难造，麻烦恰恰出在“固态”两个字上。 液态电池里，电解液会自己往缝里钻，把电极颗粒之间的角角落落都浸透，锂离子顺着液体就能来回跑，完成充放电的过程。 换成固体，事情就难办了。电极表面放大了看坑坑洼洼，一片固体电解质贴上去，真正碰到的只有一些凸起的点，好比两块砖摞在一起，看着严丝合缝，中间全是空隙。 贴不紧，锂离子就过不去；而且电池每充放一次电，电极都要胀一胀、缩一缩，好不容易贴上的地方又会被扯开。 宁德时代首席制造官倪军前段时间谈到全固态电池时，举的就是这个例子。他说，行业里大多数做法是在电池外面施加很大的压力，把各层压在一起，但电池充一次、放一次，体积都在变，光靠外面压着，很难一直贴牢。 怎么对付，要看是哪种固态电池。固态电池其实是一大家子，按电解质用什么材料，主要分三类。 第一类是硫化物。锂离子在里面跑得最快，能跟液态电解液掰掰手腕，所以想把全固态电池装上车的大厂，很多走这个路线。丰田就和日本石油公司出光兴产绑在一起，专攻硫化物电解质。它的毛病是娇气，碰到空气里的水汽会放出有毒的硫化氢，就是臭鸡蛋味的那种气体，所以生产得在极干燥的环境里进行，组装时还要靠很大的压力把各层压紧。 第二类是氧化物，本质上是一种陶瓷。稳定，耐高温，但又硬又脆，跟电极贴起来就是前面那两块砖，现在它常被做成细颗粒，涂在普通锂电池的隔膜上，让隔膜更耐高温。 第三类是聚合物，可以理解成一种特殊的塑料。它软，好加工，能顺着电极表面变形，但代价是锂离子在常温的聚合物里走得慢，那批电池内部得一直保持在60到80摄氏度才好用。
聚合物、氧化物、硫化物三条路线及其性能对比，来源：IDTechEx Research 还有一种需要单说的是半固态电池，现在多叫固液电池，电解质里固体液体掺着用，算是液态电池和全固态电池之间的过渡，已经装进了一些量产车。
中科院青岛能源所的团队走的是聚合物这一路，但没有照搬老配方，而是做了两处改造。 一处是前面说的刚柔并济：给软的聚合物配一副刚性骨架撑住形状，再配上让锂离子跑得更顺的锂盐，让它在常温下就能干活，到了只有几摄氏度的海底也照样供电。 另一处，主要针对贴不紧的问题，他们把顺序倒过来：先把还能流动的原料灌进电池，让它像电解液一样渗进电极表面的每个坑、每个孔，等角落都填满了，再让它在电池里面聚合，变成固体。 这就像补牙，牙医补蛀牙，用不着先削一块硬东西往洞里塞，直接把软乎乎的树脂填进去，填满了再拿蓝光一照，让它在洞里变硬。材料是在牙洞里成形的，所以和牙贴得严丝合缝。电池也是先贴好，再固化，这叫原位聚合，“原位”就是在原地变成固体。
所以，同样叫固态电池，不同路线的追求和难点都很不一样。硫化物图的是锂离子跑得快、能量密度做得高，让车跑得更远；这套聚合物复合，先把不漏、少燃、扛压、贴得紧这几件事做扎实，材料不一样，造法也不一样。
03、海底干完，又去天上接活 固态电池的价格和产量，离适合家用车还有一段距离。 愿意为它买单的除了刚才说的下海的，还有上天的。 那些大大小小飞行器，也都是固态电池的适用场景。 无人机、电动飞行器挑电池，看的主要是两样：轻，和安全。 先说轻，无人机的最大起飞重量是定死的，续航不能靠猛塞电池来解决，多背一斤电池，就少带一斤货，所以要比的是重量能量密度。 再说安全，这个大家都懂，飞机上电池万一出事，人没法像地面那样直接弃车跑路，后果不堪设想。 崔光磊团队孵化的公司中科深蓝汇泽，已经把固态电池装进了土地测绘无人机。此前它和中科院一家研究所联合研发的机型，续航从传统产品的15分钟提升到了近一个小时。今年，公司还在争取让大载重物流无人机和eVTOL的电池小批量交付。
载人的也有人在试。10月，法国电池公司Saft开了新的固态电池生产线，一种做聚合物半固态电芯，一种做硫化物全固态电芯，主要瞄准航空。Saft是石油巨头道达尔能源旗下的公司，差不多同一时间，它把第一批半固态电芯交给了法国航空巨头赛峰，用来评估未来的电动和混合动力飞机。
当然这些市场的体量，跟家用车还没法比，但要求够特别，也肯为高性能付钱。 固态电池最早投入应用的场景之一，也是一个类似的地方：心脏起搏器。 上世纪70年代以前，心脏起搏器的电池一般撑两年左右，没电了病人就得再挨一刀换电池。后来起搏器换上锂碘电池，平均寿命拉长到十年左右。这种电池的电解质就是固体：把碘和聚合物加热成黏稠的液体灌进去，冷下来变成固体。 它的价格明显更贵，但病人为了少挨几刀，愿意接受。
锂碘电池的心脏起搏器 深海、无人机这些买家有了，下一步就是稳扎稳打，把电池一批批造好。 普通锂电池出厂前本来就有一道注液工序，把电解液灌进电芯；原位聚合灌进去的是能变成固体的原料，灌完再多一道固化。团队的说法是，这项技术和现有液态锂电池的生产工艺十分契合，用不着把产线推倒重来。 再往后，就是工厂里的老功课了：灌注、固化、组装、检测，每一步都做稳，合格率才能上去，报废和返工才会少；订单多了，原料采购量上去，成本才降得下来。 崔光磊今年10月接受采访时，给整个全固态电池行业估过一笔账：眼下成本大约是液态锂电池的2到4倍，三年内有望降到1.2到1.8倍。 所以，固态电池上车这事，咱们可以继续催，但也不用觉得它只活在发布会里。我们还在嫌贵的时候，海底的设备、天上的无人机，已经在拿它干活了。 这些订单能帮厂家继续改工艺、磨产线。至于什么时候能大规模装进家用车，还得看成本能降到哪一步。下过万米深海，也得回来过价格这一关。