外(wai)媒近日爆料(liao)，豐田(tian)將在今年推出一款(kuan)全新的固態(tai)電池(chi)，續(xu)航里程(cheng)500公里，可在10分鐘內從空電充至滿電，充電速度接(jie)近傳統(tong)燃油車(che)加油，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(wei)，蔚來(lai)NIO Day發布的續(xu)航超1000公里的所謂“固態電(dian)(dian)池”在被(bei)權威專家(jia)打臉之后(hou)，后(hou)來(lai)被(bei)證實(shi)是半(ban)固態電(dian)(dian)池，此(ci)時豐田被(bei)曝今年也(ye)要(yao)推(tui)出固態電(dian)(dian)池，難免被(bei)人(ren)用放(fang)大鏡辨真偽。按照豐田的計劃，搭載這(zhe)款固態電池的原(yuan)型車2022年(nian)才會(hui)推出，量產時(shi)間(jian)要(yao)到(dao)2025年(nian)前后，這(zhe)比專家所(suo)提出的量產時(shi)間(jian)節(jie)點——2030年(nian)，早了整整5年(nian)，是扯淡，還是大實話？

       這又回歸到本源問題:到底是什么阻礙了被稱為下一代動(dong)力(li)電池(chi)解(jie)決方案(an)的固(gu)態電池(chi)的發展？固(gu)態電池(chi)要到什么時候才能(neng)真(zhen)正(zheng)實現商業(ye)化應用(yong)？

       豐田的固態電池終于(yu)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(zui)大公(gong)立研(yan)究組織——新(xin)能源產(chan)業技術綜合開發(fa)機構(NEDO)，在(zai)2008年發(fa)布的電(dian)池研(yan)發(fa)路(lu)線圖(tu)中就明(ming)確指出，要將固態電(dian)池作為(wei)未來新(xin)一代電(dian)池的發(fa)展方向(xiang)。工信部(bu)等(deng)四(si)部(bu)委2017年2月(yue)聯合發(fa)布的《促進汽(qi)車動力電池(chi)產業發(fa)展行動方案》，首次提(ti)出要重點(dian)推動固態電池(chi)等(deng)新(xin)體(ti)(ti)系動力電池(chi)的應用(yong)，力爭(zheng)使單體(ti)(ti)電池(chi)能量密度在2020年和2025年分(fen)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2019年(nian)，固態(tai)電池(chi)將替代鋰電池(chi)成(cheng)為下(xia)(xia)一代動力電池(chi)解決方案(an)的(de)相關話(hua)題曾經(jing)成(cheng)為行業熱點，但在魔幻(huan)的(de)2020年(nian)，因為發生了(le)(le)太多匪夷所思的(de)事情，固態(tai)電池(chi)的(de)話(hua)題一度(du)冷(leng)了(le)(le)下(xia)(xia)去(qu)。直到(dao)2021年(nian)(nian)開年(nian)(nian)不久(jiu)，蔚(yu)來在NIO Day上推出了150千(qian)瓦時的固態電池(chi)包，并聲(sheng)稱(cheng)搭載該電池(chi)的首款車(che)型續航里程可達到(dao)1000km，預(yu)計2022年(nian)(nian)第一(yi)季度開始交付(fu)，固態電池(chi)又重新進入大眾視(shi)野。

       豐田(tian)、寶(bao)馬、大眾等傳(chuan)統(tong)車(che)企巨頭(tou)以及松下、三星等有著豐富技(ji)術儲備(bei)的(de)(de)動(dong)力電(dian)(dian)池制造商(shang)都未(wei)能交(jiao)出答(da)卷的(de)(de)固態電(dian)(dian)池，反而(er)被(bei)蔚來這個只有數年(nian)造車(che)史的(de)(de)新企業先做出來了(le)？

       很快就有專家站出來指責蔚來撒謊。國聯汽車動力電池研究院(yuan)董事(shi)長(chang)熊柏青(qing)說，“全(quan)固(gu)態(tai)電池現(xian)(xian)在(zai)距(ju)商業化還(huan)很遠，現(xian)(xian)在(zai)甚至(zhi)做個演示都(dou)還(huan)很困難。10年(nian)內完全(quan)攻(gong)克全(quan)固(gu)態(tai)難度挺(ting)大，反正至(zhi)少這5年(nian)都(dou)沒戲。”

       蔚(yu)來(lai)創始人李斌(bin)也很實(shi)誠，很快就(jiu)公開回應稱他們采用的并(bing)非(fei)全固態電(dian)池，電(dian)池內(nei)部還是帶有部分液體的。也就(jiu)是說，蔚(yu)來(lai)所謂的“固態電(dian)池”，其實(shi)是半固態電(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(cong)(cong)目前公(gong)(gong)開(kai)的(de)信息(xi)來看，應該(gai)不是(shi)噱頭。因為豐田的(de)這款固態電(dian)(dian)池(chi)，不像(xiang)蔚(yu)來張開(kai)就是(shi)續(xu)航(hang)(hang)1000公(gong)(gong)里，而是(shi)只有(you)500公(gong)(gong)里續(xu)航(hang)(hang)，但充電(dian)(dian)速度(du)很快，可在10分鐘(zhong)內將電(dian)(dian)量(liang)從(cong)(cong)空電(dian)(dian)充至滿電(dian)(dian)，而且具(ju)有(you)極小的(de)安全(quan)(quan)隱患。除(chu)了續(xu)航(hang)(hang)不夠(gou)“駭人”，充電(dian)(dian)時間和安全(quan)(quan)性都是(shi)固態電(dian)(dian)池(chi)該(gai)有(you)的(de)樣(yang)子。事實上，豐田的固態電池并(bing)不像蔚(yu)來那樣突然出(chu)現(xian)，而是(shi)早有預(yu)告。日本車(che)企(qi)對(dui)固(gu)態電池(chi)的技術(shu)規劃(hua)及(ji)應用進度(du)是(shi)最快的，而(er)豐田又(you)是(shi)日本車(che)企(qi)中(zhong)的急(ji)先(xian)鋒，早就已經對(dui)外展示了處于試制階段(duan)的固(gu)態電池(chi)樣品，原計劃(hua)是(shi)在2020年東京奧(ao)運(yun)會(hui)期間向公眾展示搭載硫(liu)化物(wu)固(gu)態電池(chi)的電動(dong)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(chi)商(shang)業(ye)化(hua)為(wei)何(he)如(ru)此困難？

       如上(shang)所述，固態電池是新(xin)一代動力電池的發展(zhan)(zhan)方(fang)向，許多企業早已展(zhan)(zhan)開對固態電池的研(yan)究，為(wei)什么專家們對固態電池的量產應用時間抱著這么悲觀的態度(du)——“5年(nian)內(nei)都沒戲，10年(nian)內(nei)完全攻克的難度(du)也很大(da)”？

       固態電池(chi)的(de)技術難度(du)到底難在哪里(li)？

       首先(xian)，我們要認識一下什(shen)么是固(gu)(gu)態電(dian)(dian)池(chi)，以及了解清(qing)楚固(gu)(gu)態電(dian)(dian)池(chi)為(wei)什(shen)么被認為(wei)是下一代動力電(dian)(dian)池(chi)解決方案(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(san)元鋰電(dian)池雖然能量(liang)密(mi)度比較(jiao)高，輸出功率(lv)較(jiao)大(da)，續(xu)航(hang)里(li)程長，但安(an)全(quan)性差(cha)，三(san)元材(cai)料會在200℃時發(fa)生分解，在高溫作用下極易發(fa)生燃燒或爆炸的現(xian)象(xiang)。過去幾年里(li)，國(guo)內(nei)就發(fa)生許(xu)多(duo)起電(dian)動車自燃爆炸事故，引發(fa)許(xu)多(duo)消費(fei)者對電(dian)動車安(an)全(quan)性的擔憂。磷酸鐵鋰(li)雖然安全性(xing)高，壽命長，但能(neng)量密度遠遠比不上(shang)三元(yuan)鋰(li)電池，無法(fa)滿足消(xiao)費(fei)者(zhe)對續航(hang)里程要求(qiu)越來越高的(de)需求(qiu)。與(yu)此同時(shi)，由于這兩種電池都(dou)采用液態電解(jie)質，都(dou)需要很長的充電時(shi)間，遠遠無法比擬(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(gu)態(tai)電(dian)池的(de)(de)技術路線有(you)三條，包括聚合物電(dian)解質、氧(yang)化物電(dian)解質以及硫化物電(dian)解質，代表性企業(ye)分別是法國公司(si)博(bo)洛雷(大型工業(ye)集團(tuan))、英國公司(si)Ilika(全球為數不(bu)多的(de)(de)從事固(gu)態(tai)電(dian)池設(she)計和(he)制造(zao)的(de)(de)獨立專業(ye)公司(si)之一)、豐田(tian)。這三條線路各有優缺點，在(zai)電(dian)導率、能量密度、成本(ben)價格和(he)安全(quan)性(xing)能上的表現(xian)，各有千秋(qiu)。其中，硫化物(wu)的電(dian)導率和(he)能量密度最(zui)(zui)強(qiang)，但(dan)成本(ben)最(zui)(zui)高、安全(quan)性(xing)最(zui)(zui)差;聚(ju)合物(wu)的成本(ben)最(zui)(zui)低(di)，但(dan)電(dian)導率和(he)能量密度最(zui)(zui)低(di);氧化物(wu)的安全(quan)性(xing)最(zui)(zui)高，但(dan)電(dian)導率、能量密度、成本(ben)表現(xian)都一般(ban)。

       固態電池的三種技術路線及優缺點

       聚合物全固態

       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。

       硫化物全(quan)固態(tai)

       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(chan)(chan)品成本價(jia)格非(fei)常(chang)高，空氣(qi)穩定性(xing)較(jiao)差(cha)。硫化(hua)物化(hua)學活性(xing)很強(qiang)，與空氣(qi)、有(you)機溶劑、正負(fu)極活性(xing)材料反應(ying)(ying)都(dou)很強(qiang)(尤其是與水接觸后直接產(chan)(chan)生H2S，H2S有(you)毒有(you)臭(chou)味)，因(yin)此界面穩定性(xing)很差(cha)，導致(zhi)生產(chan)(chan)、運輸、加工等(deng)環節都(dou)十分(fen)困難，限(xian)制了它的(de)廣泛應(ying)(ying)用。總體(ti)來說(shuo)，無論是(shi)哪(na)一條技術線(xian)路，都存在技術瓶頸和成本(ben)高(gao)昂的問題。技(ji)術方面，目前的(de)固態(tai)電(dian)解(jie)質電(dian)阻太大(da)，尚未找到既(ji)能兼顧高倍率又能快充的(de)物質做電(dian)解(jie)質，導電(dian)率、內阻界面阻抗(kang)及相容(rong)性也存在問題，這導致固態(tai)電(dian)池(chi)短時間內無法應(ying)用于(yu)市場。成本(ben)方面，由于性能良好的材料非(fei)常(chang)昂貴，這(zhe)導致固(gu)態電池的成本(ben)遠高于三(san)元鋰電池，家電巨頭戴森(sen)就因為固(gu)態電池成本(ben)太高而決定及時止損不再(zai)造(zao)車(che)。

       什(shen)么時候才能真正實現量產？

       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，固態電池還要(yao)多(duo)久才(cai)能(neng)搭(da)載在量產車(che)身上(shang)？從(cong)車企和動力電池商的研發(fa)進(jin)展來(lai)看，一些先頭部隊(dui)可(ke)能在2021/2022年(nian)進(jin)入(ru)試制或投入(ru)市場階段，2025年(nian)左右實現(xian)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(yu)寶(bao)馬(ma)、福特(te)合(he)作的SolidPower宣布已經生產和(he)交付(fu)其第一代2Ah全固態電池，能量密度達320Wh/kg，準(zhun)備(bei)2021年投放市場，2026年應用(yong)于(yu)汽車領域。大眾汽(qi)車(che)所(suo)控股的QuantumScape所(suo)研發(fa)的固態電池(chi)，能提供380至500wh/kg的能量(當前(qian)特斯拉(la)電池(chi)能量大約(yue)是(shi)260wh/kg)，計劃2025年建立固態電池(chi)量產(chan)生產(chan)線。而豐田搭(da)載固態電池的(de)原(yuan)型車將在2022年才會推(tui)出，量產時間則要等到(dao)2025年前后。

       另外(wai)，現代汽車(che)(che)投資的美國(guo)初創企業Ionic Materials，計劃(hua)(hua)在2025年(nian)(nian)實現應(ying)用(yong)固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)(chi)(chi)電動車(che)(che)的量產(chan)。國(guo)內的長城汽車(che)(che)計劃(hua)(hua)在2025年(nian)(nian)量產(chan)能量密度(du)達(da)350～500Wh/kg的固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)(chi)(chi)，北汽集團(tuan)2025年(nian)(nian)前上市(shi)的新車(che)(che)有望(wang)搭載400Wh/kg的固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)(chi)(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(zhi)是剛剛開始量(liang)產(chan)，也就是說，這是個試(shi)水(shui)市場的初級階(jie)段，真正實現成熟的商業化(hua)應用還需更長(chang)時(shi)間(jian)。在(zai)1月份的(de)(de)中國電動車百人會(hui)論壇上公(gong)開懟“1000km續航(hang)”的(de)(de)中國科學(xue)院(yuan)院(yuan)士、中國電動汽車百人會(hui)副(fu)理事長歐(ou)陽明高(gao)認為(wei)，以目(mu)前的(de)(de)技(ji)術進展，全固(gu)態(tai)電池還需要(yao)十(shi)年以上的(de)(de)時間才能夠在(zai)技(ji)術和(he)制造工藝上達到(dao)量產的(de)(de)條件(jian)。“當然，這(zhe)是在(zai)沒有意料之外的(de)(de)巨大科學(xue)突破的(de)(de)情(qing)況下(xia)。”在他看(kan)來(lai)，全固態電池預計要(yao)到2030年(nian)才有條件實現量產(chan)。雖然也有部(bu)分專家(jia)樂(le)觀認為2025年能夠實現量(liang)產(chan)，比(bi)如合肥國軒高科工程研究總院常務副院長(chang)徐興認為“固(gu)態(tai)(tai)電池真正(zheng)的(de)大規(gui)模應用預(yu)計要(yao)到2025年”，但是否屬于真正(zheng)的(de)全(quan)固(gu)態(tai)(tai)電池(也可能是蔚來(lai)那樣的(de)半固(gu)態(tai)(tai)電池或準固(gu)態(tai)(tai)電池)，應用規(gui)模具(ju)體有多大，都要(yao)打個大問號。

       眼下可以確定的是(shi)，豐田即將推出的固(gu)態(tai)電池雖(sui)然推動行業(ye)技(ji)術向前邁進了(le)一小(xiao)步，但距離終極目標——大(da)規劃商業(ye)化(hua)應用，還有很(hen)長的路(lu)要走(zou)。