外媒(mei)近(jin)日爆料，豐田將在今年推出一(yi)款全新的固態(tai)電(dian)(dian)池，續(xu)航(hang)里程(cheng)500公里，可在10分鐘內從空電(dian)(dian)充(chong)至滿電(dian)(dian)，充(chong)電(dian)(dian)速(su)度(du)接近(jin)傳統燃油車加油，并且安全隱患極小。

       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)續航(hang)超1000公(gong)里的(de)所謂“固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)”在被(bei)權(quan)威專家打臉(lian)之后，后來被(bei)證實是半固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)，此時豐田被(bei)曝今年也要推出固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)，難免(mian)被(bei)人用(yong)放大鏡辨(bian)真(zhen)偽。按照(zhao)豐田的(de)(de)計劃(hua)，搭載這款固(gu)態電池的(de)(de)原型車2022年(nian)(nian)才(cai)會推出，量(liang)產時(shi)間(jian)要到(dao)2025年(nian)(nian)前后，這比專家所提出的(de)(de)量(liang)產時(shi)間(jian)節(jie)點——2030年(nian)(nian)，早了(le)整(zheng)整(zheng)5年(nian)(nian)，是(shi)扯淡(dan)，還是(shi)大實(shi)話？

       這又回歸到本源問(wen)題:到底是(shi)什么阻礙了被稱為(wei)下一(yi)代(dai)動(dong)力電(dian)池(chi)解(jie)決方案的固態電(dian)池(chi)的發展？固態電(dian)池(chi)要到什么時候才能真正實(shi)現商(shang)業化應(ying)用？

       豐(feng)田的固態電池終(zhong)于要來了(le)

       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(zhi)——新能源產(chan)業技術(shu)綜合開發(fa)機構(NEDO)，在2008年(nian)發(fa)布(bu)的電(dian)池研發(fa)路(lu)線圖中就明確指出，要將固(gu)態電(dian)池作(zuo)為未來新一代(dai)電(dian)池的發(fa)展方向。工信部等四部委2017年(nian)(nian)2月(yue)聯合發(fa)布的《促進汽車動力電(dian)(dian)池(chi)產業發(fa)展行動方案》，首次提(ti)出(chu)要重點推動固態電(dian)(dian)池(chi)等新體系動力電(dian)(dian)池(chi)的應用，力爭使單體電(dian)(dian)池(chi)能量密度在(zai)2020年(nian)(nian)和2025年(nian)(nian)分別達到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，固態(tai)電池(chi)將替代鋰電池(chi)成為下(xia)一代動力電池(chi)解決方案的相關話題曾經(jing)成為行業熱點，但在魔(mo)幻的2020年，因為發生了太多匪夷所思的事情(qing)，固態(tai)電池(chi)的話題一度冷了下(xia)去(qu)。直到(dao)2021年(nian)開年(nian)不(bu)久，蔚來(lai)在(zai)NIO Day上推出(chu)了150千瓦時(shi)的固(gu)態電池包，并聲稱(cheng)搭載該電池的首款車型續航里程可達(da)到(dao)1000km，預計2022年(nian)第(di)一(yi)季(ji)度開始交付，固(gu)態電池又重新進入大眾視野。

       豐田(tian)、寶馬(ma)、大眾等傳統車企巨頭以(yi)及(ji)松下、三星等有(you)著豐富技術(shu)儲備的(de)動力(li)電池制造商都未能交出答卷的(de)固(gu)態電池，反而被蔚來(lai)這(zhe)個只有(you)數年造車史的(de)新(xin)企業先做出來(lai)了？

       很快就有專家站出來指責蔚來撒謊。國聯汽(qi)車(che)動力電池研究院董(dong)事長熊(xiong)柏青說，“全固態電池現在距商業化(hua)還(huan)很遠(yuan)，現在甚至(zhi)做個(ge)演(yan)示都(dou)還(huan)很困難。10年(nian)內完全攻克(ke)全固態難度挺(ting)大(da)，反正至(zhi)少這5年(nian)都(dou)沒戲。”

       蔚(yu)(yu)來創(chuang)始人李(li)斌(bin)也很(hen)實(shi)誠，很(hen)快就公開(kai)回應稱他們采用(yong)的(de)并非全固(gu)態(tai)電池(chi)(chi)(chi)，電池(chi)(chi)(chi)內部還是帶有部分液體的(de)。也就是說，蔚(yu)(yu)來所謂的(de)“固(gu)態(tai)電池(chi)(chi)(chi)”，其(qi)實(shi)是半固(gu)態(tai)電池(chi)(chi)(chi)。

       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)目(mu)前公開(kai)的信息來看，應該不(bu)是(shi)噱頭。因為豐田(tian)的這(zhe)款固態(tai)電(dian)池，不(bu)像蔚(yu)來張開(kai)就是(shi)續航(hang)1000公里(li)，而(er)是(shi)只(zhi)有500公里(li)續航(hang)，但充電(dian)速(su)度很快，可(ke)在10分鐘內將電(dian)量從(cong)空電(dian)充至滿電(dian)，而(er)且具有極小的安全隱患。除了續航(hang)不(bu)夠(gou)“駭人”，充電(dian)時間和安全性都是(shi)固態(tai)電(dian)池該有的樣子。事實上，豐田的固態電(dian)池并(bing)不像蔚來那(nei)樣突然出現(xian)，而是早有預(yu)告。日本車(che)企(qi)對(dui)(dui)固(gu)態(tai)電(dian)池的(de)技(ji)術規劃及應用進(jin)度是最(zui)快的(de)，而豐(feng)田(tian)又是日本車(che)企(qi)中的(de)急先鋒，早就(jiu)已經對(dui)(dui)外(wai)展(zhan)示了(le)處于(yu)試制階段的(de)固(gu)態(tai)電(dian)池樣品，原計(ji)劃是在2020年東京奧運會期間向(xiang)公眾展(zhan)示搭載硫(liu)化(hua)物固(gu)態(tai)電(dian)池的(de)電(dian)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(tai)電池(chi)商(shang)業化為何(he)如此(ci)困(kun)難？

       如上所(suo)述，固態電池(chi)(chi)是新一代動力電池(chi)(chi)的發(fa)展方向，許多企業早已展開對固態電池(chi)(chi)的研究(jiu)，為什么專家(jia)們對固態電池(chi)(chi)的量產應用時間(jian)抱著(zhu)這(zhe)么悲(bei)觀(guan)的態度——“5年內(nei)都沒(mei)戲，10年內(nei)完全(quan)攻克的難度也很大”？

       固態電(dian)池(chi)的(de)技術難度到(dao)底難在哪里？

       首先(xian)，我們要認(ren)識一下什(shen)么(me)是(shi)(shi)固態電(dian)池，以及了解清楚(chu)固態電(dian)池為什(shen)么(me)被認(ren)為是(shi)(shi)下一代動力電(dian)池解決方案。

       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)元鋰(li)電池雖然能量密度(du)比較(jiao)高(gao)，輸出(chu)功率(lv)較(jiao)大(da)，續(xu)航里(li)程(cheng)長，但安全性(xing)差，三(san)元材料會在200℃時(shi)發(fa)生(sheng)分解，在高(gao)溫作用下極易發(fa)生(sheng)燃(ran)燒或爆炸(zha)的現(xian)象。過去幾年里(li)，國內(nei)就發(fa)生(sheng)許多(duo)起電動車自燃(ran)爆炸(zha)事(shi)故，引(yin)發(fa)許多(duo)消費者(zhe)對(dui)電動車安全性(xing)的擔憂。磷酸(suan)鐵(tie)鋰雖然安全性高(gao)(gao)，壽命(ming)長(chang)，但(dan)能量密度遠遠比不(bu)上三元(yuan)鋰電(dian)池(chi)，無法滿(man)足(zu)消費者對續航里程要求(qiu)越來越高(gao)(gao)的需(xu)求(qiu)。與此(ci)同時，由(you)于這兩種電(dian)池都采用(yong)液態電(dian)解質，都需要很(hen)長的充電(dian)時間(jian)，遠(yuan)遠(yuan)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(dian)池(chi)的技術路(lu)線(xian)有三條，包括聚合物電(dian)解質(zhi)、氧化物電(dian)解質(zhi)以(yi)及硫化物電(dian)解質(zhi)，代表性企業分別是法國(guo)公司博(bo)洛雷(lei)(大型(xing)工(gong)業集團)、英國(guo)公司Ilika(全球為(wei)數不(bu)多的從事固(gu)態電(dian)池(chi)設計和(he)制造的獨立專(zhuan)業公司之一(yi))、豐田。這三條(tiao)線路各(ge)有(you)優缺點，在電導(dao)(dao)率、能量(liang)密度(du)、成本價格和(he)安(an)(an)全(quan)性(xing)能上(shang)的(de)表現(xian)，各(ge)有(you)千秋。其中，硫化(hua)物的(de)電導(dao)(dao)率和(he)能量(liang)密度(du)最強，但(dan)(dan)成本最高、安(an)(an)全(quan)性(xing)最差;聚(ju)合物的(de)成本最低，但(dan)(dan)電導(dao)(dao)率和(he)能量(liang)密度(du)最低;氧化(hua)物的(de)安(an)(an)全(quan)性(xing)最高，但(dan)(dan)電導(dao)(dao)率、能量(liang)密度(du)、成本表現(xian)都(dou)一般。

       固態電池的三種技術路線及優缺點

       聚合物全固態(tai)

       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(yang)化物(wu)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(fei)常高，空氣穩定性較差(cha)。硫(liu)化物化學活(huo)性很(hen)強(qiang)(qiang)，與(yu)空氣、有(you)機溶劑、正負(fu)極活(huo)性材(cai)料反(fan)應(ying)都(dou)很(hen)強(qiang)(qiang)(尤其(qi)是(shi)與(yu)水接觸后直(zhi)接產生H2S，H2S有(you)毒有(you)臭味)，因此界(jie)面穩定性很(hen)差(cha)，導致生產、運輸、加工(gong)等環節都(dou)十分困難(nan)，限(xian)制(zhi)了它的廣泛應(ying)用。總體來說，無論是哪一條(tiao)技術線路(lu)，都存在技術瓶(ping)頸(jing)和成本高昂的(de)問題。技術方面，目前的固(gu)態電解(jie)質(zhi)電阻(zu)(zu)太大(da)，尚(shang)未找(zhao)到既能兼顧(gu)高倍率又能快充的物質(zhi)做(zuo)電解(jie)質(zhi)，導(dao)電率、內阻(zu)(zu)界(jie)面阻(zu)(zu)抗及相容性(xing)也存在問題，這(zhe)導(dao)致固(gu)態電池(chi)短時(shi)間內無法應用于市場。成本(ben)(ben)方面，由于(yu)性能良好(hao)的材料非常昂(ang)貴，這導致固態電(dian)池(chi)的成本(ben)(ben)遠高于(yu)三元鋰電(dian)池(chi)，家電(dian)巨頭戴森就因為固態電(dian)池(chi)成本(ben)(ben)太高而決定及時止損不再(zai)造車。

       什么時(shi)候才能真正實現量(liang)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)態電池還要多久(jiu)才能搭載在(zai)量產車身上(shang)？從車企和動力電(dian)池商(shang)的研(yan)發進(jin)展來看(kan)，一些先頭部隊(dui)可能(neng)在(zai)2021/2022年進(jin)入(ru)試制或投(tou)入(ru)市(shi)場階段，2025年左(zuo)右實(shi)現量產(chan)。

       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、福特合作的SolidPower宣布(bu)已(yi)經(jing)生產和交付其(qi)第一代(dai)2Ah全(quan)固態(tai)電(dian)池，能量(liang)密度達320Wh/kg，準(zhun)備2021年(nian)投(tou)放市場，2026年(nian)應用(yong)于汽車領域。大眾汽車所(suo)控(kong)股(gu)的(de)QuantumScape所(suo)研發(fa)的(de)固(gu)態電(dian)池，能(neng)提供380至500wh/kg的(de)能(neng)量(liang)(當(dang)前特斯拉電(dian)池能(neng)量(liang)大約是260wh/kg)，計(ji)劃2025年(nian)建(jian)立固(gu)態電(dian)池量(liang)產生產線。而豐(feng)田(tian)搭載(zai)固態電池的(de)原型車(che)將在2022年才會(hui)推出，量(liang)產時間則要等到2025年前后(hou)。

       另外(wai)，現代汽(qi)車(che)(che)投資的(de)美國(guo)初創企業Ionic Materials，計(ji)劃在2025年實現應(ying)用固態電池電動(dong)車(che)(che)的(de)量產。國(guo)內的(de)長城(cheng)汽(qi)車(che)(che)計(ji)劃在2025年量產能量密度達(da)350～500Wh/kg的(de)固態電池，北汽(qi)集團2025年前(qian)上(shang)市的(de)新車(che)(che)有望搭載400Wh/kg的(de)固態電池。

       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年只是(shi)剛(gang)剛(gang)開始量(liang)產，也就是(shi)說(shuo)，這是(shi)個試(shi)水市場的初(chu)級階段，真正實現成熟(shu)的商業(ye)化應用還需更長時間。在1月份的(de)中(zhong)國(guo)電動(dong)車百人(ren)會(hui)論壇上(shang)公開懟“1000km續航”的(de)中(zhong)國(guo)科學院(yuan)院(yuan)士(shi)、中(zhong)國(guo)電動(dong)汽車百人(ren)會(hui)副理事長歐陽明高認(ren)為，以(yi)目前(qian)的(de)技術進展，全固態電池還(huan)需要十年以(yi)上(shang)的(de)時間才能夠在技術和制造工藝上(shang)達(da)到(dao)量產(chan)的(de)條件。“當然，這是(shi)在沒有意料之外的(de)巨大科學突(tu)破的(de)情況(kuang)下(xia)。”在(zai)他看來(lai)，全固態電池預(yu)計(ji)要到2030年(nian)才有條件實現量(liang)產。雖然也有(you)部分專家樂觀(guan)認(ren)為2025年能(neng)夠(gou)實現量產，比如合肥(fei)國軒高科(ke)工程(cheng)研究總院常務(wu)副院長徐(xu)興認(ren)為“固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)真正的大規(gui)模(mo)應用預計要到2025年”，但(dan)是(shi)否屬于真正的全固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)(也可(ke)能(neng)是(shi)蔚來(lai)那樣(yang)的半固態(tai)(tai)電(dian)池(chi)或準固態(tai)(tai)電(dian)池(chi))，應用規(gui)模(mo)具(ju)體有(you)多大，都(dou)要打個大問號。

       眼下可(ke)以確(que)定的是，豐田(tian)即將推(tui)出(chu)的固(gu)態(tai)電池雖然(ran)推(tui)動(dong)行業技術向前邁進了一(yi)小步(bu)，但距離終極目標——大規(gui)劃商業化(hua)應用，還有(you)很(hen)長的路要走。