近日，隨著福特和寶馬宣布對(duì)固態(tài)電池技術(shù)的公司Solid Power進(jìn)行了1.3億美元的投資，他們都發(fā)布了一些關(guān)于固態(tài)電池的規(guī)劃，包括這兩家車企都將從明年開始搭載Solid Power全尺寸100安時(shí)（Ah）固態(tài)電池。而目前，Solid Power已在中試生產(chǎn)線上生產(chǎn)20 Ah固態(tài)電池。
在投資消息發(fā)布前，寶馬集團(tuán)就已宣布，將在2025年發(fā)布應(yīng)用固態(tài)電池的原型車，并在2030年為量產(chǎn)車型配備固態(tài)電池。而福特除了投資Solid Power，也將斥資1.85億美元建設(shè)合作性學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室將開發(fā)和制造鋰離子和固態(tài)車載動(dòng)力電池單體和陣列。
另一方面，大眾在與QuantumScape合作9年后，宣布2025年開始生產(chǎn)固態(tài)電池，一次充電可以達(dá)到500英里（約804公里）的行駛里程。4月，大眾汽車在QuantumScape測(cè)試新一代固態(tài)電池時(shí)，又對(duì)后者追加了1億美元投資。
一時(shí)間，固態(tài)電池的應(yīng)用變得愈發(fā)現(xiàn)實(shí)，似乎從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)應(yīng)用指日可待。不過，每項(xiàng)革新技術(shù)在應(yīng)用前，都將遭受質(zhì)疑，更何況是仍面臨種種技術(shù)攻關(guān)的固態(tài)電池。Guidehouse Research的分析師Sam Abuelsamid曾表示，固態(tài)電池的供電要比鋰離子電池的供電難得多，但是這項(xiàng)技術(shù)擁有廣闊的前景，無論哪家公司首先實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，都可以贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
（BMW iX）
是變革，還是忽悠？
2021年還未過半，包括大眾、寶馬、福特、蔚來、本田以及保時(shí)捷在內(nèi)的多家車企就已經(jīng)發(fā)布了自家對(duì)于固態(tài)電池的研究計(jì)劃。
除了「SolidPower」和「QuantumScape」那兩大陣營(yíng)，蔚來在今年1月也宣布將在2022年年底應(yīng)用能量密度360Wh/kg，容量150kWh的固態(tài)電池；本田聲明要在2040年實(shí)現(xiàn)在售車型全電動(dòng)，并將會(huì)使用固態(tài)電池與氫燃料電池；而寧德時(shí)代與比亞迪早在2019年就已申請(qǐng)了固態(tài)電池的技術(shù)專利；同時(shí)，國(guó)內(nèi)還有清陶能源這樣的企業(yè)自2018年底開始已經(jīng)正式投產(chǎn)固態(tài)電池，但是目前量產(chǎn)的固態(tài)電池尚不能用于新能源汽車，主要應(yīng)用領(lǐng)域是特種安全領(lǐng)域。
從多家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，固態(tài)電池相較于傳統(tǒng)鋰電池具有壓倒性優(yōu)勢(shì)：能量密度較高，由于不需要使用隔膜和電解液，體積也會(huì)更加輕�。皇褂霉虘B(tài)電解質(zhì)的電池會(huì)有較高的柔性化前景，即承受成百上千次的彎曲而性能基本不會(huì)衰減，相比于傳統(tǒng)鋰電池安全性更高。目前，企業(yè)對(duì)固態(tài)電池規(guī)�；褂玫念A(yù)計(jì)時(shí)間普遍都在5-15年間，且技術(shù)路線中的電解質(zhì)會(huì)經(jīng)歷液態(tài)，半固態(tài)，固液混合最終達(dá)到全固態(tài)。
盡管看起來前景非常美好，但一位資深電池專家還是對(duì)Auto Byte表示，在沒有拿出具體解決方案的前提下，想在10年內(nèi)普及固態(tài)電池還是顯得不太現(xiàn)實(shí)。「在給出時(shí)間點(diǎn)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)提供具體技術(shù)方案和路線，以及研發(fā)者對(duì)于固態(tài)電池的自身定義。不然，單純從固態(tài)電池技術(shù)角度看，在規(guī)劃時(shí)間內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。如果某些企業(yè)自稱能夠快速量產(chǎn)固態(tài)電池，那應(yīng)當(dāng)明確他們對(duì)于所生產(chǎn)的『固態(tài)電池』的定義�！�
今年一月，蔚來在微信公眾號(hào)發(fā)表了一篇名為《蔚來發(fā)布150kWh固態(tài)電池》的文章，然而文中對(duì)電解質(zhì)的描述是「安全，高效的固液電解質(zhì)」，這與固態(tài)電池的定義「使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池存在出入」。事后蔚來創(chuàng)始人李斌也公開承認(rèn)，所謂的固態(tài)電池其實(shí)是固液混合電池，雖然較原有鋰電池技術(shù)有突破，但也并不是革命性的突破。
（蔚來文章截圖）
對(duì)此，中國(guó)汽車流通協(xié)會(huì)常務(wù)理事賈新光曾表示：「固態(tài)電池應(yīng)當(dāng)就是全固態(tài)，不然就只是偽概念。」「固態(tài)電池現(xiàn)在在國(guó)際上也沒有突破的進(jìn)展，但有一種過渡方案，就是加一點(diǎn)液體電解質(zhì)，但是一點(diǎn)是多少呢？」其實(shí)，直到目前還有一些學(xué)者認(rèn)為，企業(yè)及媒體對(duì)固態(tài)電池的炒作，與對(duì)納米、石墨烯的炒作是一樣的，都過于高估其可行性了。
而蘇州大學(xué)能源學(xué)院的黃程教授則在之前的采訪中表示，使用固液電解質(zhì)的電池可以看作是廣義上的固態(tài)電池，「只要液體不流動(dòng)，就可以叫做固態(tài)。固液混合的電解質(zhì)也可以，這不稀奇的。」黃程教授也說現(xiàn)在手機(jī)和平板所使用的凝膠電池也是類似與固液混合電池的。
央廣網(wǎng)報(bào)道稱「這是固態(tài)電池到來前的一個(gè)過渡方案，也就是同時(shí)使用固態(tài)電解質(zhì)和電解液，但是兩者混合的比例和安全性目前在國(guó)際上還沒有定論�！�
（固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池對(duì)比）
技術(shù)難點(diǎn)：電解質(zhì)、性能、工藝
早在2017年12月，豐田就曾表示將在2020年初開始生產(chǎn)固態(tài)電池，但是在2019年，豐田研發(fā)部負(fù)責(zé)人寺重茂樹（Shigeki Terashi）表示，豐田只會(huì)在東京奧運(yùn)會(huì)技術(shù)展中推出一款使用固態(tài)電池供電的電動(dòng)汽車，且在2030年之前不會(huì)銷售使用固態(tài)電池的車輛。他說：「我們將生產(chǎn)配備固態(tài)電池的汽車，并在2020年展示該產(chǎn)品，但批量生產(chǎn)固態(tài)電池的時(shí)間將稍晚一些�！谷欢S著東京奧運(yùn)會(huì)的推遲，改款原型車至今仍未得到展示。
目前來看，固態(tài)鋰電池所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，首先是固態(tài)電解質(zhì)材料中的鋰離子電導(dǎo)率偏低——固態(tài)電解質(zhì)有三種：聚合物電解質(zhì)需要加熱到60℃才可以獲得足夠的導(dǎo)電率；氧化物電解質(zhì)中鋰離子的電導(dǎo)率比液態(tài)要低很多；硫化物電解質(zhì)中的鋰離子導(dǎo)電率跟液態(tài)相近但是易氧化產(chǎn)生有毒氣體。
而且，相關(guān)電池專家也對(duì)Auto Byte表示， 固態(tài)電池面臨的難點(diǎn)不光是電解質(zhì)的問題，還包括循環(huán)性能差、固固界面的反應(yīng)機(jī)理及機(jī)制問題，以及鋰負(fù)極的可充性等等。例如，固體電極與固體電解質(zhì)界面的接觸性和穩(wěn)定性差，固體/固體界面接觸無潤(rùn)滑性，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻加大，循環(huán)性能變差。最后，固態(tài)電解質(zhì)中的鋰反復(fù)充放電的循環(huán)性和安全性還需要繼續(xù)研究。再加上固體電解質(zhì)成本較高，全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池制作工藝復(fù)雜，也使得固體電池成本高昂。
即便如此，「5-10年實(shí)現(xiàn)普及」仍舊是多家車企和研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)布的目標(biāo)。例如除了車企之外，國(guó)軒高科工程研究院常務(wù)副院長(zhǎng)徐興無也表示，固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)規(guī)�；逃妙A(yù)計(jì)要到2025年；國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池的龍頭企業(yè)寧德時(shí)代也表示預(yù)計(jì)固態(tài)電池上市需要等到2030年等等。這也為什么，像Solid Power和QuantumScape這樣的固態(tài)電池創(chuàng)新型企業(yè)會(huì)受到資本市場(chǎng)的熱捧。
神速量產(chǎn)，依靠什么解決方案？
技術(shù)解決方案以及企業(yè)對(duì)固態(tài)電池的定義，無疑將成為企業(yè)吸引投資以及量產(chǎn)可行性的參考要素。
首先，從固態(tài)電池定義來看，Solid Power 和QuantumScape都是只研發(fā)生產(chǎn)全固態(tài)電池，而且研發(fā)進(jìn)度比較超前，明年就能初步裝車應(yīng)用。其實(shí)，早在2018年，大眾集團(tuán)的子公司奧迪就曾在蒙特利汽車周上展出PE18 E-tron概念車，這是世界上第一款裝備了固態(tài)電池的電動(dòng)汽車。當(dāng)時(shí)，大眾也早已開始對(duì)QuantumScape投資。
（大眾集團(tuán)在德國(guó)薩爾茨吉特的電池研發(fā)工廠）
既然前提是「只生產(chǎn)全固態(tài)電池」，那么，在技術(shù)上如何實(shí)現(xiàn)，在雙方提出的解決方案上也可窺出一二。只是，關(guān)鍵信息仍處于保密階段。
QuantumScape在固態(tài)電池研發(fā)領(lǐng)域最領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是 他們使用特種陶瓷制成的正負(fù)極隔膜。該公司對(duì)這種陶瓷的制作方法保密，他們稱這種材料可以有效防止鋰金屬枝晶導(dǎo)致電池內(nèi)短路，并且在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)4層電池循環(huán)充電超過800次后，仍保持80%以上的電池容量。同時(shí)，使用這種材料可以取消放置于隔膜和陰極之間的鋰金屬層。在電池結(jié)構(gòu)中，QuantumScape取消了傳統(tǒng)電池中的人造陽極設(shè)計(jì)，充電時(shí)鋰金屬會(huì)從陰極上分離，通過陶瓷隔膜沉積在隔膜另一側(cè)，形成鋰金屬陽極。
但是電動(dòng)汽車所使用的電池是多層電池，僅有四層的電池是無法在電動(dòng)汽車上進(jìn)行商用的。目前QuantumScape所進(jìn)行的研究都是基于單層電池，并且他們并未公開所使用的技術(shù)。密歇根大學(xué)的材料學(xué)教授杰夫·坂本（Jeff Sakamoto）與QuantumScape同樣在進(jìn)行鋰電池枝晶方面的研究，他在查看過該公司的專利文件后表示，「當(dāng)電池開始形成枝晶時(shí)，他們可以阻止，讓電流逆轉(zhuǎn)。如果小心控制，就能繞開枝晶問題�！顾J(rèn)為該公司只是找到了一種巧妙的電池操縱方法，并不是在材料學(xué)上做出突破。而QuantumScape的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Solid Power的CTO賈許·布特納-加勒特（Josh Buettner-Garrett）曾表示，制造單層電池是一回事，制造多層電池并保持同樣的性能又是另一回事。
至于Solid Power，在去年年底該公司宣布原型固態(tài)電池ASSB將于今年投入量產(chǎn)，該公司稱ASSB不含任何液體或是凝膠物質(zhì)，是真正意義上的固態(tài)電池。ASSB在生產(chǎn)技術(shù)方面并沒有看出太多的革新，正如Solid Power官網(wǎng)中寫到的一樣，「簡(jiǎn)單地把最先進(jìn)的陰極與鋰金屬陽極組合在一起」。ASSB的制作使用常規(guī)加工工藝以及設(shè)備，生產(chǎn)方式也為常見的卷對(duì)卷制程，與現(xiàn)在的鋰離子電池生產(chǎn)線高度兼容， 其主要優(yōu)勢(shì)在于高容量的復(fù)合陰極，可以提供相當(dāng)于市面上最先進(jìn)的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2為陰極，石墨為陽極的電池三倍的容量。
（圖片來源：寶馬悅報(bào)）
不過ASSB在追求與現(xiàn)有制造設(shè)備兼容性的同時(shí)，難免會(huì)犧牲一部分性能。Solid Power在去年歐洲先進(jìn)汽車電池會(huì)議（AABC）中提供的數(shù)據(jù)顯示，22層的ASSB經(jīng)過30次循環(huán)充電容量就會(huì)下降到80%以下，電池能量密度較低，充電速度相比于QuantumScape的產(chǎn)品也較慢。
對(duì)于電解質(zhì)，目前在市場(chǎng)上，包括寧德時(shí)代、三星和LG Chem在內(nèi)的多數(shù)大型電池生產(chǎn)商的重點(diǎn)都放在硫化物電解質(zhì)上。「硫化物具有可擴(kuò)展性，我們可以在室溫下對(duì)其進(jìn)行處理，并且可將其結(jié)構(gòu)塑造得更適合商用�！辜又荽髮W(xué)圣地亞哥分校（UCSD）納米工程系的科學(xué)家達(dá)倫·譚（Darren Tan）說，氧化物更易碎，并且需要更高的燒結(jié)溫度，而聚合物在室溫下的導(dǎo)電性表現(xiàn)一直不太理想。
像UCSD一樣，Solid Power也專注于硫化物電解質(zhì)的研發(fā)。「我們認(rèn)為硫化物具有最全面的特性，」布特納-加勒特說，「目前，大多數(shù)OEM和汽車制造商都將重點(diǎn)放在硫化物電解質(zhì)上。許多人將聚合物視為進(jìn)入固態(tài)電解質(zhì)的第一步，而當(dāng)今大多數(shù)氧化物電解質(zhì)僅限于學(xué)術(shù)界�！�
總體來看，各家研發(fā)機(jī)構(gòu)、廠商對(duì)于固態(tài)電池的研發(fā)規(guī)劃有些大同小異。UCSD的達(dá)倫表示：「現(xiàn)在固態(tài)電池發(fā)展的大多數(shù)阻礙都是在工程技術(shù)上，而不是在固態(tài)電池的理論科學(xué)之中。」如今，固態(tài)電池已不再是一項(xiàng)遙不可及的技術(shù)，可它的商業(yè)化應(yīng)用還有待長(zhǎng)期的測(cè)試和驗(yàn)證。在全面開始制造之前，固態(tài)電池還需要經(jīng)過大量的原型設(shè)計(jì)與中試生產(chǎn)，因?yàn)?nbsp;不光是其性能表現(xiàn)需要符合人們的預(yù)期，其成本也需要逐步下降至可接受范疇。或許就如達(dá)倫所推測(cè)的，固態(tài)電池要是想有更深的市場(chǎng)滲透率，還是要依靠經(jīng)濟(jì)環(huán)境與政府的扶持策略。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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