外媒近日爆料，豐田(tian)將在今年推出一款全新(xin)的固態電(dian)池(chi)，續航里程500公里，可在10分(fen)鐘內從(cong)空電(dian)充(chong)至滿電(dian)，充(chong)電(dian)速度接近傳統(tong)燃油車(che)加(jia)油，并(bing)且安全隱患極小。

       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，蔚來NIO Day發布的(de)續(xu)航(hang)超1000公里(li)的(de)所(suo)謂“固態電池(chi)(chi)(chi)”在被權威專家打臉之后，后來被證(zheng)實(shi)是半(ban)固態電池(chi)(chi)(chi)，此時(shi)豐田被曝(pu)今年也要推出固態電池(chi)(chi)(chi)，難免(mian)被人用放大鏡辨真(zhen)偽(wei)。按照豐田的(de)計劃(hua)，搭(da)載這(zhe)(zhe)款固態電池的(de)原型車2022年(nian)(nian)才會推出，量(liang)產時(shi)間要到2025年(nian)(nian)前(qian)后，這(zhe)(zhe)比專家(jia)所提出的(de)量(liang)產時(shi)間節點(dian)——2030年(nian)(nian)，早了整(zheng)整(zheng)5年(nian)(nian)，是扯(che)淡，還是大(da)實(shi)話？

       這又回歸(gui)到本源問題(ti):到底是什么阻礙了被稱為下一(yi)代動力電(dian)(dian)池解決方案的(de)固態電(dian)(dian)池的(de)發展？固態電(dian)(dian)池要到什么時(shi)候才能真(zhen)正實現商(shang)業化應用？

       豐田的固態電(dian)池終于要來了

       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(ri)本最大公立研究組織——新能源產業技術綜(zong)合開(kai)發(fa)(fa)機(ji)構(NEDO)，在2008年發(fa)(fa)布的電池(chi)(chi)研發(fa)(fa)路線圖(tu)中就明確指出，要將固態電池(chi)(chi)作為(wei)未來新一代(dai)電池(chi)(chi)的發(fa)(fa)展方向。工(gong)信部(bu)等(deng)四部(bu)委2017年(nian)2月聯合發(fa)布(bu)的《促進(jin)汽車動(dong)力(li)(li)(li)電(dian)池(chi)產業發(fa)展行動(dong)方案》，首次(ci)提出(chu)要重點推動(dong)固(gu)態電(dian)池(chi)等(deng)新體(ti)系動(dong)力(li)(li)(li)電(dian)池(chi)的應(ying)用，力(li)(li)(li)爭使單體(ti)電(dian)池(chi)能量密度在2020年(nian)和2025年(nian)分別達到(dao)400Wh/kg以上及(ji)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2019年，固(gu)態電(dian)(dian)池(chi)(chi)將替代鋰電(dian)(dian)池(chi)(chi)成(cheng)為(wei)(wei)(wei)下一代動力(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)解決方案(an)的相關話題曾經成(cheng)為(wei)(wei)(wei)行業熱點，但在魔幻的2020年，因為(wei)(wei)(wei)發(fa)生了太(tai)多匪夷所(suo)思的事情(qing)，固(gu)態電(dian)(dian)池(chi)(chi)的話題一度(du)冷了下去(qu)。直到2021年開(kai)年不久，蔚來(lai)在(zai)NIO Day上推出了(le)150千瓦時的固態電(dian)池(chi)包，并聲稱搭載該(gai)電(dian)池(chi)的首款(kuan)車型(xing)續航(hang)里程(cheng)可達到1000km，預計2022年第(di)一季度(du)開(kai)始交付，固態電(dian)池(chi)又重新進入(ru)大(da)眾視野(ye)。

       豐田、寶馬、大眾等傳統車企巨頭以及松(song)下、三星(xing)等有著(zhu)豐富技術儲備(bei)的(de)動力電池(chi)制造(zao)商(shang)都未能交出(chu)答(da)卷的(de)固態電池(chi)，反而被(bei)蔚來這(zhe)個(ge)只有數(shu)年造(zao)車史的(de)新企業先做出(chu)來了？

       很快就有專家站出來指責蔚來撒謊。國聯汽車動力電池(chi)研究院董事長熊柏(bo)青說，“全固態電池(chi)現(xian)在距(ju)商業(ye)化還(huan)很遠，現(xian)在甚至(zhi)做(zuo)個演示都(dou)還(huan)很困難。10年內(nei)完全攻克全固態難度挺大，反正至(zhi)少這(zhe)5年都(dou)沒戲(xi)。”

       蔚來(lai)創始(shi)人李(li)斌也很(hen)實誠，很(hen)快就(jiu)公開回應稱他(ta)們采(cai)用的并非全固態電池，電池內(nei)部還是帶(dai)有部分液體的。也就(jiu)是說，蔚來(lai)所謂(wei)的“固態電池”，其(qi)實是半固態電池。

       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(gong)開(kai)的(de)信(xin)息來看，應該不是(shi)噱頭。因(yin)為(wei)豐田的(de)這款固態電(dian)(dian)(dian)池(chi)，不像蔚來張(zhang)開(kai)就是(shi)續航(hang)1000公(gong)里(li)，而(er)是(shi)只有(you)500公(gong)里(li)續航(hang)，但充(chong)電(dian)(dian)(dian)速度很(hen)快，可在10分(fen)鐘內(nei)將電(dian)(dian)(dian)量從空電(dian)(dian)(dian)充(chong)至(zhi)滿電(dian)(dian)(dian)，而(er)且具有(you)極小的(de)安全(quan)隱患(huan)。除(chu)了續航(hang)不夠“駭人”，充(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)間和(he)安全(quan)性都是(shi)固態電(dian)(dian)(dian)池(chi)該有(you)的(de)樣子。事實上(shang)，豐田(tian)的固態電池并(bing)不像蔚來那樣突(tu)然出現，而是(shi)早有預告。日本車(che)企(qi)對固態電池(chi)(chi)的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)規劃(hua)及(ji)應(ying)用(yong)進(jin)度是(shi)最快(kuai)的(de)(de)(de)，而豐田又是(shi)日本車(che)企(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)急先鋒，早就已(yi)經(jing)對外(wai)展示(shi)了(le)處于試制階(jie)段的(de)(de)(de)固態電池(chi)(chi)樣品，原計劃(hua)是(shi)在2020年(nian)東京奧運會期間向公眾展示(shi)搭載(zai)硫化(hua)物(wu)固態電池(chi)(chi)的(de)(de)(de)電動車(che)。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如此困難？

       如(ru)上所(suo)述，固態(tai)(tai)(tai)電池(chi)是新一代動力電池(chi)的(de)發展(zhan)方向，許(xu)多企業早(zao)已展(zhan)開對固態(tai)(tai)(tai)電池(chi)的(de)研(yan)究，為什么專家們對固態(tai)(tai)(tai)電池(chi)的(de)量產應(ying)用(yong)時間(jian)抱著這么悲觀的(de)態(tai)(tai)(tai)度——“5年內(nei)都沒戲(xi)，10年內(nei)完全攻克的(de)難度也很大”？

       固態電池的技(ji)術難(nan)度到底難(nan)在哪里？

       首先，我們要認識一(yi)下什么(me)是(shi)固態電(dian)(dian)池(chi)，以(yi)及了解(jie)清楚固態電(dian)(dian)池(chi)為什么(me)被(bei)認為是(shi)下一(yi)代(dai)動力電(dian)(dian)池(chi)解(jie)決方案(an)。

       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。三元鋰電池(chi)雖(sui)然能(neng)量密度比較(jiao)高(gao)(gao)，輸出(chu)功率較(jiao)大(da)，續航(hang)里(li)程(cheng)長，但安全性差，三元材(cai)料會在(zai)200℃時發(fa)(fa)生(sheng)分解，在(zai)高(gao)(gao)溫作用下(xia)極易發(fa)(fa)生(sheng)燃(ran)燒或爆炸的現(xian)象。過去(qu)幾年里(li)，國(guo)內就發(fa)(fa)生(sheng)許(xu)多起電動車自燃(ran)爆炸事故(gu)，引(yin)發(fa)(fa)許(xu)多消(xiao)費者對電動車安全性的擔憂。磷酸鐵鋰雖然安全性高(gao)，壽命長(chang)，但能量密度遠(yuan)遠(yuan)比不(bu)上三(san)元鋰電池，無(wu)法滿足消(xiao)費者對續航里程要(yao)求(qiu)越(yue)來越(yue)高(gao)的需(xu)求(qiu)。與此同時，由于這兩種電池都采(cai)用液態電解質，都需要很長的充(chong)電時間(jian)，遠(yuan)(yuan)遠(yuan)(yuan)無法(fa)比擬(ni)燃油車(che)。

       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。固態(tai)電(dian)池的(de)(de)技術路(lu)線(xian)有三(san)條，包括聚合物電(dian)解(jie)(jie)質、氧化物電(dian)解(jie)(jie)質以及硫化物電(dian)解(jie)(jie)質，代表性(xing)企業分(fen)別是法(fa)國(guo)公(gong)(gong)司(si)博洛雷(大型工業集團(tuan))、英(ying)國(guo)公(gong)(gong)司(si)Ilika(全球為數不多的(de)(de)從事固態(tai)電(dian)池設計和制造的(de)(de)獨(du)立專業公(gong)(gong)司(si)之一)、豐田(tian)。這三(san)條線路(lu)各(ge)有(you)優(you)缺點，在電(dian)導率(lv)、能量密(mi)(mi)度(du)、成(cheng)本(ben)價格(ge)和安(an)全性能上的表(biao)現，各(ge)有(you)千秋。其(qi)中，硫化(hua)物的電(dian)導率(lv)和能量密(mi)(mi)度(du)最(zui)強(qiang)，但(dan)(dan)成(cheng)本(ben)最(zui)高、安(an)全性最(zui)差;聚合物的成(cheng)本(ben)最(zui)低，但(dan)(dan)電(dian)導率(lv)和能量密(mi)(mi)度(du)最(zui)低;氧化(hua)物的安(an)全性最(zui)高，但(dan)(dan)電(dian)導率(lv)、能量密(mi)(mi)度(du)、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

       聚合物(wu)全固態

       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。

       氧化物全固態

       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(hua)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，空氣穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)較(jiao)差。硫化(hua)物化(hua)學(xue)活性(xing)很強，與空氣、有機(ji)溶(rong)劑、正(zheng)負極活性(xing)材料反應都很強(尤(you)其是(shi)與水(shui)接觸后(hou)直接產生H2S，H2S有毒有臭味(wei))，因此(ci)界面(mian)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)很差，導致生產、運輸、加工等環節都十分困難，限制了它的廣泛(fan)應用。總體來說，無(wu)論是哪一條(tiao)技術線路，都(dou)存在技術瓶頸和(he)成本高(gao)昂的問題。技術(shu)方面(mian)，目前的固態電(dian)解(jie)質電(dian)阻(zu)太大(da)，尚未找到既能兼顧高(gao)倍率(lv)又能快(kuai)充的物質做電(dian)解(jie)質，導電(dian)率(lv)、內阻(zu)界(jie)面(mian)阻(zu)抗及(ji)相(xiang)容性也(ye)存在(zai)問題(ti)，這導致(zhi)固態電(dian)池短時間內無法(fa)應用于(yu)市場。成本(ben)方面，由于性(xing)能(neng)良好的材料(liao)非常昂貴，這導致固態(tai)電(dian)池的成本(ben)遠高于三元鋰電(dian)池，家電(dian)巨頭戴森就因(yin)為固態(tai)電(dian)池成本(ben)太高而決定及(ji)時止損(sun)不(bu)再造車。

       什么(me)時候才能真(zhen)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，固態(tai)電池還要(yao)多久(jiu)才(cai)能搭(da)載在量產車身上(shang)？從車企(qi)和動力電池商的研發進展來看(kan)，一些先頭部(bu)隊(dui)可能在2021/2022年(nian)進入試制或投入市場階段，2025年(nian)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(fu)特合(he)作(zuo)的SolidPower宣(xuan)布已經生(sheng)產和交付其第一代(dai)2Ah全固態電池，能量密(mi)度達(da)320Wh/kg，準備2021年(nian)投(tou)放市場，2026年(nian)應用于汽車領域。大眾汽車所控股(gu)的(de)QuantumScape所研(yan)發的(de)固(gu)態電池，能提供(gong)380至500wh/kg的(de)能量(liang)(當前特(te)斯拉電池能量(liang)大約是260wh/kg)，計劃2025年建(jian)立固(gu)態電池量(liang)產生產線。而豐(feng)田搭載固態電(dian)池的(de)原型車將在2022年(nian)才會(hui)推出，量產時間則要等(deng)到(dao)2025年(nian)前后。

       另外(wai)，現(xian)代汽車(che)(che)投資的(de)美國初創企業Ionic Materials，計劃在2025年實現(xian)應用固態電(dian)池(chi)電(dian)動(dong)車(che)(che)的(de)量產(chan)。國內的(de)長城汽車(che)(che)計劃在2025年量產(chan)能量密度達350～500Wh/kg的(de)固態電(dian)池(chi)，北(bei)汽集團2025年前上市(shi)的(de)新(xin)車(che)(che)有望(wang)搭載400Wh/kg的(de)固態電(dian)池(chi)。

       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年只是剛剛開(kai)始(shi)量產，也(ye)就是說，這是個試(shi)水市場(chang)的(de)初級階(jie)段，真(zhen)正(zheng)實現成熟(shu)的(de)商業(ye)化應用還需更長時間。在1月份的(de)(de)中(zhong)(zhong)國(guo)電(dian)動車百人會(hui)論(lun)壇(tan)上公開懟“1000km續航”的(de)(de)中(zhong)(zhong)國(guo)科學(xue)院(yuan)院(yuan)士(shi)、中(zhong)(zhong)國(guo)電(dian)動汽車百人會(hui)副理事長歐陽明(ming)高認為，以目前的(de)(de)技術進展(zhan)，全固(gu)態電(dian)池(chi)還需要十年以上的(de)(de)時間(jian)才能夠在技術和制造工(gong)藝上達到量(liang)產的(de)(de)條件。“當然，這是在沒有意料(liao)之(zhi)外的(de)(de)巨(ju)大科學(xue)突破的(de)(de)情(qing)況下。”在他(ta)看來，全固態(tai)電池預計要到2030年才有條(tiao)件實現量產(chan)。雖然也有部(bu)分專家樂觀認(ren)為2025年能(neng)夠實(shi)現量產，比如合肥國軒高科工程研(yan)究總院常務副院長徐(xu)興(xing)認(ren)為“固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)真(zhen)(zhen)正的(de)大(da)(da)(da)規(gui)模應(ying)用預計要到2025年”，但是否屬于(yu)真(zhen)(zhen)正的(de)全固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)(也可能(neng)是蔚來那(nei)樣(yang)的(de)半(ban)固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)或準固態(tai)(tai)電(dian)池(chi))，應(ying)用規(gui)模具體有多大(da)(da)(da)，都(dou)要打(da)個大(da)(da)(da)問號。

       眼下可以(yi)確定的(de)是，豐(feng)田即(ji)將推出的(de)固態電池雖然推動行業技術(shu)向前邁進(jin)了(le)一小步，但距離終極目標——大規劃商業化(hua)應(ying)用，還有很(hen)長的(de)路要走。