外媒(mei)近日爆料，豐田(tian)將在(zai)今年推出(chu)一款(kuan)全(quan)新的固(gu)態電池，續航里程500公里，可在(zai)10分鐘內從空電充至(zhi)滿電，充電速度接近傳統燃(ran)油車加油，并且安全(quan)隱患極小。

       在固態電池因為年初的蔚來NIO Day而重新成為熱點話題之際，豐田的這個消息，再一次引起人們的強烈關注。因為(wei)，蔚來(lai)NIO Day發布(bu)的續航(hang)超1000公里的所(suo)謂“固態(tai)電池(chi)(chi)”在被(bei)權威專家打臉之后(hou)，后(hou)來(lai)被(bei)證(zheng)實是半(ban)固態(tai)電池(chi)(chi)，此時豐田被(bei)曝今年也要推出固態(tai)電池(chi)(chi)，難免被(bei)人(ren)用放大鏡(jing)辨(bian)真(zhen)偽。按照豐田的(de)計(ji)劃，搭載這款(kuan)固(gu)態電池的(de)原型車2022年(nian)才會推出，量產時間(jian)要到2025年(nian)前后，這比(bi)專(zhuan)家所提出的(de)量產時間(jian)節點——2030年(nian)，早(zao)了整整5年(nian)，是扯(che)淡，還(huan)是大實話？

       這(zhe)又回歸到(dao)本源問題(ti):到(dao)底是什么阻礙了被稱為下一代動力(li)電(dian)池(chi)解決方案的(de)固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)的(de)發展？固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)要到(dao)什么時候才能真正實現(xian)商業化(hua)應用？

       豐田的固態(tai)電池終于要(yao)來了

       對于汽車行業來說，固態電池并非新鮮事物，而是一個長期在攻克的下一代動力電池技術研發方向。日本最大公立研究組織——新能源(yuan)產業技術綜合開發機構(NEDO)，在2008年發布的(de)電池研發路線圖中就(jiu)明確指出，要(yao)將(jiang)固態電池作為未來(lai)新一代電池的(de)發展方(fang)向。工信部等(deng)四(si)部委(wei)2017年2月聯合發布的(de)《促進汽車(che)動力電池(chi)產業發展行動方案》，首(shou)次(ci)提出要重(zhong)點(dian)推動固(gu)態(tai)電池(chi)等(deng)新體系動力電池(chi)的(de)應(ying)用，力爭使單(dan)體電池(chi)能量密度在2020年和2025年分別(bie)達到400Wh/kg以上及500Wh/kg。

       從2012年開始，豐田、三菱、寶馬、大眾、現代、松下、三星、戴森等企業陸續開始研發固態電池，也發布過相關進展，但是，還沒有哪一家企業能夠推出真正意義上的固態電池。在(zai)2019年，固態電(dian)池將替(ti)代鋰(li)電(dian)池成為下一(yi)代動力電(dian)池解決方案的(de)相關話題曾經成為行業(ye)熱點，但在(zai)魔幻的(de)2020年，因為發生了太多匪(fei)夷(yi)所思的(de)事情(qing)，固態電(dian)池的(de)話題一(yi)度冷了下去。直到2021年(nian)開年(nian)不久，蔚來在NIO Day上推出了150千瓦時的固態(tai)電池(chi)包，并聲稱搭載(zai)該電池(chi)的首款車型續航里程可(ke)達到1000km，預計2022年(nian)第(di)一季(ji)度開始(shi)交付，固態(tai)電池(chi)又重新進入大(da)眾視野(ye)。

       豐(feng)田、寶馬、大眾等傳(chuan)統車(che)企巨(ju)頭(tou)以及松下、三星等有(you)著豐(feng)富技(ji)術儲備(bei)的(de)(de)動力電(dian)池制造(zao)商都未能交出答卷的(de)(de)固態電(dian)池，反而被(bei)蔚(yu)來這個只有(you)數年造(zao)車(che)史的(de)(de)新企業先(xian)做出來了？

       很快就有專家站出來指責蔚來撒謊。國聯汽(qi)車動力電池研究院董事(shi)長熊柏青說，“全固態(tai)(tai)電池現(xian)在距商業化還很(hen)(hen)遠，現(xian)在甚至做(zuo)個(ge)演示都還很(hen)(hen)困難。10年(nian)內完全攻克全固態(tai)(tai)難度挺大，反正至少這5年(nian)都沒戲。”

       蔚來創始(shi)人李(li)斌也很(hen)實誠，很(hen)快就公開回(hui)應稱他們(men)采(cai)用(yong)的(de)并非全固(gu)態電(dian)(dian)池，電(dian)(dian)池內部(bu)還是(shi)帶有部(bu)分液體的(de)。也就是(shi)說(shuo)，蔚來所謂的(de)“固(gu)態電(dian)(dian)池”，其實是(shi)半固(gu)態電(dian)(dian)池。

       時隔不到一個月，有媒體曝出豐田將在今年內推出一款全新的固態電池，這又是個噱頭嗎？從目前公開的(de)信息來(lai)看，應該(gai)(gai)不是噱(xue)頭(tou)。因(yin)為(wei)豐田的(de)這款固態電(dian)(dian)(dian)池，不像蔚來(lai)張開就是續(xu)航(hang)1000公里(li)，而是只有500公里(li)續(xu)航(hang)，但(dan)充電(dian)(dian)(dian)速度很快，可在10分鐘內(nei)將電(dian)(dian)(dian)量(liang)從空(kong)電(dian)(dian)(dian)充至滿電(dian)(dian)(dian)，而且(qie)具有極(ji)小的(de)安全(quan)隱(yin)患(huan)。除了續(xu)航(hang)不夠“駭(hai)人”，充電(dian)(dian)(dian)時間和安全(quan)性都是固態電(dian)(dian)(dian)池該(gai)(gai)有的(de)樣子。事實上(shang)，豐(feng)田(tian)的固(gu)態電池并不像蔚來(lai)那(nei)樣(yang)突然出現，而是(shi)早有預告。日本(ben)車企對固(gu)態電池的(de)(de)技術規劃(hua)及(ji)應用進度(du)是最快的(de)(de)，而豐田又是日本(ben)車企中的(de)(de)急先鋒，早(zao)就已經對外展示(shi)(shi)了處(chu)于試制階段(duan)的(de)(de)固(gu)態電池樣品，原計劃(hua)是在2020年東京(jing)奧運會期間向(xiang)公眾(zhong)展示(shi)(shi)搭(da)載硫化物固(gu)態電池的(de)(de)電動(dong)車。但因為疫情原因，東京奧運會推遲一年舉行，豐田也就推遲到2021年推出固態電池，這個邏輯合情合理。

       固態電池商業化為何(he)如此困難(nan)？

       如上所(suo)述(shu)，固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)是新一(yi)代動力(li)電(dian)池(chi)的(de)發展方向，許多企業(ye)早已展開對(dui)(dui)固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)的(de)研究，為(wei)什么(me)(me)專家(jia)們對(dui)(dui)固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)的(de)量產應用(yong)時間抱(bao)著這(zhe)么(me)(me)悲觀的(de)態(tai)(tai)度(du)——“5年內都沒戲，10年內完(wan)全攻克的(de)難(nan)度(du)也很(hen)大”？

       固態電池(chi)的技術難度到底(di)難在哪里？

       首先，我們要認(ren)識一下什么(me)是固態電(dian)(dian)池(chi)，以及了解清楚固態電(dian)(dian)池(chi)為什么(me)被認(ren)為是下一代動力電(dian)(dian)池(chi)解決方案。

       目前，新能源汽車所使用的動力電池主要分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大類，但這兩者都屬于液態電池，采用的是液態電解質。最近幾年新能源汽車進入高速增長期，尤其是在電動車標桿特斯拉的推動下，新能源汽車在2020年得到了爆發式增長，電動車所搭載的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的缺點都已完全暴露。三(san)元(yuan)鋰(li)電池(chi)雖然能(neng)量密度比較高(gao)(gao)，輸出功(gong)率較大，續航里(li)程長，但(dan)安全性差(cha)，三(san)元(yuan)材料(liao)會在(zai)200℃時發生分解，在(zai)高(gao)(gao)溫作用下極易(yi)發生燃(ran)燒(shao)或爆炸的現象(xiang)。過去幾年里(li)，國(guo)內就(jiu)發生許多起(qi)電動車(che)自燃(ran)爆炸事(shi)故，引發許多消費者對電動車(che)安全性的擔憂(you)。磷酸鐵(tie)鋰雖(sui)然安全性(xing)高，壽(shou)命長(chang)，但能量密度(du)遠(yuan)遠(yuan)比不上三元鋰電(dian)池，無法(fa)滿足消費(fei)者(zhe)對(dui)續航里程(cheng)要求越來越高的需求。與此同時，由(you)于這兩種電(dian)(dian)池都(dou)采(cai)用液(ye)態電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)，都(dou)需要(yao)很長的充電(dian)(dian)時間，遠遠無法比擬燃油車。

       固態電池，顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質的電池。這種電池體積小，能量密度高，而且因為固態電解質不可燃、不漏液，即使在高溫情況下也不會著火，非常安全。固(gu)態電池的(de)技術路(lu)線有(you)三條(tiao)，包(bao)括聚合物(wu)(wu)電解(jie)質、氧化(hua)物(wu)(wu)電解(jie)質以(yi)及硫化(hua)物(wu)(wu)電解(jie)質，代表性企業分別是(shi)法國公(gong)司博洛雷(大型工業集團)、英國公(gong)司Ilika(全球為數不多(duo)的(de)從(cong)事固(gu)態電池設(she)計和制(zhi)造的(de)獨立專業公(gong)司之一)、豐田。這三條線(xian)路各(ge)有(you)優(you)缺點，在電(dian)(dian)導率、能(neng)量密度、成(cheng)本(ben)價格和安全性(xing)能(neng)上(shang)的表(biao)現，各(ge)有(you)千秋。其中，硫化(hua)物(wu)(wu)的電(dian)(dian)導率和能(neng)量密度最(zui)強，但成(cheng)本(ben)最(zui)高(gao)、安全性(xing)最(zui)差(cha);聚(ju)合(he)物(wu)(wu)的成(cheng)本(ben)最(zui)低，但電(dian)(dian)導率和能(neng)量密度最(zui)低;氧化(hua)物(wu)(wu)的安全性(xing)最(zui)高(gao)，但電(dian)(dian)導率、能(neng)量密度、成(cheng)本(ben)表(biao)現都一般。

       固態電池的三種技術路線及優缺點

       聚(ju)合物(wu)全固(gu)態

       容易加工，可以制備大容量電芯、機械性較軟，各項性能和目前使用的電解液(本質是有機溶劑)有類似之處。工藝和現有的鋰電池比較接近，是最容易利用現有設備通過改造實現量產的固態電池。(1)離子電導率最低，必須加熱到60或85℃以上，離子電導率才會提升，車需要經常保持在充電和高溫狀態;(2)容易短路(聚合物較為柔軟，鋰枝晶容易穿透固態電解質造成短路);(3)能量密度有局限，由于聚合物是有機物，電化學穩定性不好，跟三元兼容性不好，導致能量密度無法提升。

       氧化物全(quan)固(gu)態

       導電率高于聚合物，氧化物的離子電導率可達到10-4～10-5 S/cm，通過摻雜能夠達到10-3 S/cm的級別，但不如液態電解液。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。
(1)氧化物的機械性能堅硬，如果用其制作電解質片，較容易脆裂; (2)與正極活性材料的固-固接觸也不是太好，導致從面接觸變成點接觸，界面損耗過大。

       硫化物全(quan)固態

       硫化物接觸性好，所以整體的離子電導率性能非常好，是人類所發明的所有固態電池材料中唯一能超過液態電解液離子電導率水平的材料，也是全固態電池未來最可能的技術路線。產品成本價格非常高，空氣(qi)穩定性較差。硫化物化學活(huo)性很強，與(yu)(yu)空氣(qi)、有機溶劑、正負極活(huo)性材料反應都(dou)很強(尤其是與(yu)(yu)水(shui)接(jie)觸后(hou)直接(jie)產生(sheng)H2S，H2S有毒有臭味(wei))，因此界面穩定性很差，導致(zhi)生(sheng)產、運輸、加工(gong)等環節都(dou)十分困(kun)難，限制了它的廣泛應用。總(zong)體(ti)來(lai)說(shuo)，無論是哪一(yi)條技術線(xian)路，都存在技術瓶頸和成本高昂的問題。技術方面，目(mu)前的固態(tai)電(dian)(dian)解質(zhi)電(dian)(dian)阻太大，尚未找到既能兼顧高(gao)倍率又能快(kuai)充的物質(zhi)做電(dian)(dian)解質(zhi)，導(dao)電(dian)(dian)率、內(nei)(nei)阻界(jie)面阻抗及相容(rong)性也存在問題，這(zhe)導(dao)致(zhi)固態(tai)電(dian)(dian)池短時間內(nei)(nei)無法(fa)應用于市場。成(cheng)本方面，由于(yu)性(xing)能良好的材料(liao)非常昂貴(gui)，這(zhe)導致固態電(dian)池的成(cheng)本遠(yuan)高于(yu)三元鋰電(dian)池，家(jia)電(dian)巨頭戴(dai)森就(jiu)因為固態電(dian)池成(cheng)本太高而(er)決定及時(shi)止損不再造(zao)車(che)。

       什么時候才能(neng)真正實現量產？

       正是因為受技術和成本所掣肘，固態電池的大規模商業化落地非常困難，業界對實現這一目標時間節點的預測，如同全面實現L5級全自動駕駛應用一樣悲觀。那么，固(gu)態電池還要多(duo)久才能搭載在量(liang)產車(che)身上？從(cong)車(che)企和動力電池商的研發進展來看(kan)，一些先頭部隊可能在2021/2022年進入試制或投入市(shi)場階段(duan)，2025年左右實現量產。

       2020年年底，美國電池技術公司SolidPower、研發固態電池的初創公司QuantumScape以及豐田汽車紛紛宣布在固態電池領域取得新突破。與寶馬、福特合作(zuo)的SolidPower宣布已經(jing)生(sheng)產(chan)和(he)交付其第(di)一(yi)代2Ah全(quan)固態電(dian)池，能(neng)量密度達320Wh/kg，準(zhun)備(bei)2021年投放市場，2026年應用于汽車領域。大(da)眾汽車所(suo)控股的QuantumScape所(suo)研發的固態電池(chi)，能提供380至500wh/kg的能量(liang)(當前特斯(si)拉電池(chi)能量(liang)大(da)約是260wh/kg)，計劃2025年建立固態電池(chi)量(liang)產生產線(xian)。而豐田搭載固態電池(chi)的原型車(che)將在2022年才會推出(chu)，量(liang)產(chan)時間(jian)則要(yao)等到2025年前后(hou)。

       另(ling)外，現代汽(qi)車投資的(de)(de)美國初創(chuang)企業Ionic Materials，計劃在(zai)2025年實現應用固(gu)(gu)態電池電動車的(de)(de)量產。國內的(de)(de)長城汽(qi)車計劃在(zai)2025年量產能量密度達350～500Wh/kg的(de)(de)固(gu)(gu)態電池，北(bei)汽(qi)集團2025年前上市的(de)(de)新車有望搭(da)載400Wh/kg的(de)(de)固(gu)(gu)態電池。

       從這些企業的布局來看，2025年是一個重要節點，固態電池要到這一年前后才開始逐步進入商業化階段。但2025年(nian)只是剛剛開(kai)始量(liang)產，也就是說，這是個試水市場(chang)的初級階段，真正實(shi)現成熟的商業化(hua)應用還(huan)需更長(chang)時間。在1月份(fen)的中國(guo)電動(dong)車百(bai)人會論壇(tan)上公開懟“1000km續航”的中國(guo)科學(xue)院院士、中國(guo)電動(dong)汽車百(bai)人會副(fu)理事長歐陽(yang)明高認為，以目前的技(ji)術進展(zhan)，全固態電池還需要十年(nian)以上的時(shi)間才能夠(gou)在技(ji)術和制造工藝上達到(dao)量(liang)產的條件。“當然(ran)，這是(shi)在沒有意料之外的巨大科學(xue)突破(po)的情況下。”在(zai)他看來，全固態(tai)電池預計(ji)要到2030年(nian)才有條件實(shi)現量(liang)產。雖然也(ye)有部分(fen)專家樂觀認(ren)(ren)為2025年(nian)能夠實現量產，比如(ru)合肥國軒高科(ke)工(gong)程研究總院常(chang)務副院長徐興(xing)認(ren)(ren)為“固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)真正(zheng)的(de)大(da)(da)規(gui)模應(ying)用預計要到(dao)2025年(nian)”，但(dan)是否屬于(yu)真正(zheng)的(de)全固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)(也(ye)可能是蔚來那樣的(de)半(ban)固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)或準固(gu)態(tai)電(dian)池(chi))，應(ying)用規(gui)模具體有多大(da)(da)，都要打個大(da)(da)問號。

       眼下可以(yi)確定的是，豐田(tian)即將推出的固(gu)態電(dian)池雖然推動(dong)行業(ye)技術向前邁進了一小步(bu)，但(dan)距離終極目標——大規劃商業(ye)化應用，還有很長的路(lu)要走。