固态电池将取代锂电池？

每一次电池性能的显著提升，本质上都是电池材料体系的重大变革，因为每一类电池材料体系都有其能量密度的上限。下一代动力电池选用何种电池体系，对于实现2025年左右电动车普及的目标至关重要。要达到2025年单体电池能量密度400Wh/kg和2030年500Wh/kg的水平，意味着电动汽车的续航里程相比现在将翻一番。新兴电池技术的研发及产业化迫在眉睫，目前被行业普遍视为下一代最安全的电池是固态电池。有机构预测，到2030年，全球固态电池需求预计达500GWh（千兆瓦时），市场规模在3000亿元以上。

固态电池：能量密度800-900Wh/kg

目前，全球范围正不断收紧二氧化碳排放量，迫使汽车制造商们竞相投身电动车领域。充电速度和电池的续航里程对智能电动汽车至关重要，而影响这些因素的重要部件就是汽车电池。从第一代的镍氢电池和锰酸锂电池，第二代的磷酸铁锂电池，到目前广为采用的第三代三元电池，能量密度和成本分别呈现出阶梯式上升和下降的明显趋势。目前的磷酸铁锂电池，单体能量密度大致在120-140Wh/kg，规模化的三元电池单体能量密度可以达到130-220Wh/kg，实验室里的三元电池则可以达到300Wh/kg。

锂离子电池受制于现有体系架构，使用液态/胶状电解质，电化学窗口有限，难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料，使能量密度上升存在瓶颈，基本上很难突破300Wh/kg，无法满足未来动力电池的需求。另外，这样的架构还会造成短路引燃、离子浓度差增大电池内阻、电极材料持续消耗等问题。在这样的背景下，固态电池进入人们的视野，以其安全性和能量密度上的优势描绘出未来锂电池发展的蓝图。

固态电池的原理与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池相同，不同的是其使用固体电极和固体电解质。固态电池的技术路径是“液态/凝胶态（只含有液体电解质）-半固态（液体电解质质量百分比<10%）-准固态/类固态（液体电解质质量百分比<5%）-全固态（不含有任何液体电解质）”，目前，业内将半固态、准固态/类固态和全固态电池一并统称为固态电池。

固态电池之所以能脱颖而出，在于其具有高的离子电导率和机械强度、宽的工作温度区间，能够实现高能量密度、高功率密度和高安全。固态电解质比有机电解液具有更宽的电化学窗口，利于进一步拓宽电池的电压范围，并且因为不存在浓差极化而可以工作在大电流条件，从而提升电池能量密度。研究表明，固态锂离子电池的能量密度能够达到800-900Wh/kg。更高的稳定性意味着固态电池可以比锂离子电池多容纳50%的能量，加上充放电次数高、充电时间短等特性，大大提高了电动汽车的续航里程。

固态电解质改变了锂离子电池的适用材料体系，不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接将金属锂用作负极，明显减轻负极材料的用量。由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，而且有效减轻重量。

传统锂离子电池需要使用隔膜和电解液，两者加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。用固态电解质取代（主要包括有机和无机陶瓷材料两个体系）后，正负极之间的距离（传统上由隔膜电解液填充，现由固态电解质填充）可以缩短到十几个微米以内，大大降低了电池的厚度。这意味着更少量的电池能容纳更多的电量，是电池小型化、薄膜化的必经之路。材料在厚度薄到毫米级以下后会变得有柔性，即使是脆性的陶瓷材料也可以弯曲。通过使用适当的封装材料，制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。
随着新能源汽车市场渗透率逐步提升，动力电池安全问题日益受到重视，消除电池火灾一直是困扰汽车制造商的难题。近几年来，新能源车事故频发，特斯拉发生过数次电池起火。其中大多数是由于碰撞后起火燃烧，这和目前三元锂电池的液态电解质稳定性有关。据业内人士分析，电池起火的原因在于传统锂电池在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路。另外，电解液为有机液体，在高温下会加剧发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向。

而固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本上解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题、无需隔膜隔开正负极、阻止锂枝晶的生长，从根本上避免了电池的短路现象，能够应用更多的负极材料。即使对固态电池进行针刺、剪切、挤压、重物冲击等各种物理破坏，均不会出现冒烟、起火、爆炸等事故，能够满足特殊应用场景的高安全需求。因此固态电池对安全性来说意义重大。

目前固态电池迟迟难以量产，尚存一些关键问题亟待攻克。一是固态电解质的离子电导率较低；二是固态电解质与电极间的界面阻抗较大，锂离子传输阻力大，影响电池容量的正常释放；三是固态电池的工艺比较复杂，现在还没有达到量产水平，一些工艺仍处于实验室的水平，也有一些工艺处于调试阶段；四是材料体系不成熟、成本高，是液态锂离子电池的8倍。所以尽管实现效果将改变电池行业，目前仍处实验室阶段。

不过，业内绝大多数人仍然将固态电池视为取代锂离子电池的最佳选择，成为巨头的必争高地。电池是纯电动汽车的核心零部件，重要性就如同发动机之于燃油车。在新能源汽车发展路线上，宝马、福特、大众汽车和丰田等都将目光锁定固态电池，将2025年视作最终准备好部署固态电池的关键时间点，以提升在新能源赛道上的作战实力。

聚焦新赛道，头部企业齐力瞄准固态电池

在固态电池的技术投入上，宝马早在2017年就开始与福特携手共同投资Solid Power——一家在美国科罗拉多大学博尔德分校及国防高级研究计划局的资助下，于2012年成立的业内领先的固态电池技术初创公司。日前，Solid Power官方宣布，已经研制出第一代全固态电池（ASSB）原型产品，计划2026年应用于汽车。ASSB采用10层袋式结构，通过常规工业加工工艺和设备生产。尽管是原型产品，但与18650NMC电池相比，可以提供320 Wh/kg的能量密度，而重量则减轻了30%。

可扩展性是固态电池面临的最大挑战之一，Solid Power在制造过程中采用的卷绕式工艺，能够显著降低其合作伙伴对现有生产设施进行改造的需求，后者是一项既费钱又费时的工作。自2019年以来，Solid Power的生产工厂一直在试点运营中，年产量为6.5MWh。新固态电池目前的产量为每周100个，计划在MWh规模的卷绕试生产线中扩产至每月数千个，证明拥有多条生产线的工厂可以达到较高的生产规模。此外，他们正在美国科罗拉多州建设第二家工厂，预计在2022年初开始试生产固态电池。福特和宝马或将在2022年初开始在实际中搭载并测试这些固态电池。

Solid Power坚持生产的每个电池都不含任何液体或凝胶物质，在较宽的温度范围内具有固有的稳定性，是真正意义上的固态电池，能量密度达到了320Wh/kg。目前正在努力降低电池的工作温度，以使其与锂离子电池相匹配。Solid Power希望成为固态电解质的领导者，以取代当今大多数锂离子电池中使用的半液态糊状物。

为了在未来新能源汽车领域继续保持领先地位，大众集团在电池方面的战略布局也可谓动作频繁。今年3月，集团在首届“Power Day（电池日）”上对外宣布了到2030年的电池和充电技术路线规划——在2023年开始搭载“标准电芯”，还将在全球范围内建设6个电池超级工厂，总产能达240GWh/年。大众集团首席执行官Herbert Diess在公开讲话中透露，将整合各个子品牌间关于电池、电芯的研发进度，以集团为中心推出标准化的智能电芯，这样未来大众汽车旗下车型将使用统一的电池规格，有助于未来电池的调配与部署。集团已经开始统筹开展统一标准电池的研发工作，计划2023年全面铺开，到2030年将覆盖集团旗下80%的电动车型。
集团未来将着力发展固态电池技术，使其拥有更高的性能和更低的成本。固态电池隔膜未来将从多孔隙隔膜变为陶瓷隔膜，不使用电解液，负极从石墨变为锂金属，正极从三元材料变为正极金属材料，集团还希望能够在2025年形成完整的固态电池销售模式，向市场供应固态电池。

大众集团近日投资7000万欧元，在德国萨尔茨吉特的未来电池工厂内建立了一个全新的研发实验室，计划大规模生产电动汽车电池。据了解，正处于研究中的电池样品，其续航里程比液体电池多约30%，并可在12分钟内充电至80%的容量，这比目前最快的可实用的液态锂电池快了一倍，成为降低成本和大规模普及的关键。
自2018年以来，大众集团便与美国斯坦福大学的创业公司QuantumScape在合资企业中进行合作，旨在量产工业级固态电池，2025年形成完整的固态电池销售模式，向市场供应固态电池。QuantumScape拥有约200项固态电池技术专利，一直以来致力于电动汽车和其他应用的固态锂金属电池的开发和商业化，被业界视为固态电池领域的领导力量。该企业在2012年和今年分别获得了大众集团总计3亿美元的投资。

固态电池被公认为下一代最有前途的电池技术，在具有与当前电池组大小相同的情况下，实现常规能源车型级别的续航，大大缩短充电时间。QuantumScape固态电池有两层，包括阴极和固态陶瓷隔板，没有制造阳极。而是通过充电过程中，锂离子从阴极移出，扩散通过固态分离器，在阳极电流片上形成纯金属锂阳极。QuantumScape预计将在2022年将交付原型推进到数十层的商业化推广模式，并在2024年至2025年之间进入商业生产。

9月8日，丰田汽车宣布在2030年前投资1.5万亿日元用于开发动力电池及其电池供应链，以期在未来10年的关键汽车技术领域取得领先地位，并在电动车和混动车的价格方面持续保持竞争力。其中约有1万亿日元主要用于扩大电池产能，将生产线增至70条或更多。除此之外，这笔资金的投资计划中包含有固态电池和下一代锂离子电池的开发。根据丰田方面的规划，到2030年销售800万台电动汽车和混合动力汽车，其中包括200万台纯电动汽车和燃料电池汽车。按地区划分，纯电动汽车或燃料电池汽车将占欧洲销售额的40%、北美的15%以及日本的10%。

对于汽车制造商来说，固态电池将成为取得未来市场成功的关键技术。丰田是固态电池大规模生产的领跑者，搭载固态电池的丰田电动车去年8月已取得牌照，并开始行驶实验。该车充电时间仅需10分钟，续航里程达到500公里。这意味着丰田将很可能改变电动汽车游戏规则，并位居行业的前列。丰田的固态电池研发始于2017年，原本计划在2020年东京奥运会期间发布首款采用固态电池的电动汽车，并提供12辆半自动驾驶汽车。因新冠肺炎疫情导致东京奥运会延期，也使得丰田推迟了这一计划。

丰田方面透露，今年发布的双极性镍氢电池未来将搭载在更多车型上，而用于混动车和纯电动车的锂离子电池则将更注重降低成本和提升耐久性能。与此同时，丰田正在思考开发大功率、续航里程长、充电时间短的固态电池电池。该公司已经申请的与固态电池相关的专利超过了1000项，就像当年霸占混合动力市场一样。2025年前，丰田的固态电池将实现小规模量产，首先搭载在混动车型上；到2030年前，丰田的固态电池要实现持续的、稳定量的生产。

根据丰田的测算，每辆混动车的二氧化碳减排效果相当于1辆纯电动车。现在混动车相对更便宜，对于即将普及可再生能源的地区来说，充分利用混动车的电气化，能够有效减少碳排放。对于已经拥有丰富可再生能源的地区来说，加快普及纯电动车、燃料电动车等零排放车辆则十分重要。“在开发过程中，我们了解到固态电池里的离子会在电池中高速运动，进而实现高功率输出，我们希望这个特性能够用于混动车型上，发挥固态电池的优势。”丰田方面表示,“而对于钠离子电池、铁-空气电池等新型电池，其先行研发都在做，但还没有商业化的考虑，目前重点是把镍氢电池和锂离子电池做好。”

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》


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