突破能量密度极限， 全固态电池将成为未来电动车的希望？

作为未来电动汽车和可再生能源领域的理想能源储存技术，全固态电池被认为是下一代电动汽车真正意义上的动力电池。区别于其它类型的电池，全固态电池没有液态电解液，而是采用聚合物、氧化物或硫化物作为固态电解质，能够提供比传统锂离子电池高2.5倍的能量密度，使设备长时间工作而不用频繁充电。

此外，其充电时间更短，充电速度比目前的电池快4~6倍，且续航里程更长——充电不到10分钟便可驱动汽车持续行驶1200公里，续航里程是现有电动汽车的2.4倍。另外，由于采用不含任何易燃成分的固体电解质，全固态电池完全没有起火风险，因此更加安全，寿命也更长。它还具备出色的热稳定性，能够承受较低或较高的温度，在低温环境中储电能力强，在寒冷的冬日或长途旅行中独具优势。

在不少业内人士看来，目前的锂离子电池不仅能量密度已经到了理论极限，此外还存在安全性和温度范围有限等固有缺陷。例如，锂离子电池在低温环境中，液态电解质黏度会变大，离子迁移速度变慢，充放电能量急剧衰减。高温状态下，电池正负极界面隔膜不稳定，导致材料结构破坏，产生易爆气体。

图 1. 锂离子电池与全固态电池

作为未来电动汽车电池的重要技术路线之一，全固态电池在全球范围内获得了主流车企的青睐，不少嗅觉敏锐的汽车厂商已经开始布局全固态电池，全球电动汽车市场的格局或将被重塑。日本富士经济研究公司的数据显示，全固态电池的市场规模将在2040年达到约264亿美元。挪威科技大学材料科学与工程系教授丹尼尔·瑞滕沃德认为，全固态电池将成为未来电动汽车的动力电池。

全固态电池的量产面临巨大挑战

然而，固态电池的研究和开发也面临一些挑战。例如，它的界面阻抗较大，这会影响其电化学性能。再如，其所使用的固态电解质大多需要使用极其昂贵的原材料进行制备，因此高昂的成本成为制约全固态电池商业化的主要瓶颈。加上固态电解质大多对空气中的潮气极度敏感，规模化生产后要维持低湿度就会提高生产成本。日本科学技术振兴机构的估算结果显示，硫化物固态电池的生产成本为每千瓦420美元~2450美元，比目前使用的锂电池高出4~25倍。

《日本经济新闻》指出，如何进一步优化固态电池的设计和制造工艺，提高其性能和降低成本，是需要面对的重大问题。不久前，由日本东京工业大学特聘教授菅野了次等人组成的研究团队，成功提高了全固态电池的快速充电性能和容量。该研究通过新开发基础材料和重新研究制造工艺等方式得以实现，相关文章发表在世界权威的学术期刊《科学》杂志上。研究团队利用高熵材料设计开发了一种高离子导电性的固体电解质，通过增加已知锂快离子导体的成分复杂性，使得影响快速充电性能的指标最高可提升3.8倍，从而缩短电池充电时间。而正极容量按单位电极面积计算则提高了1.8倍。迄今为止，这两项指标均达到了世界最高水平。

此外，研究团队改良了制造工艺，新开发了一种全固态电池基础材料的固态电解质，可以在25℃的室温下提取约90%的理论能量值的正极，从而使得每平方厘米电极的电池容量超过25毫安，这也是目前已知的最高水平。电池容量是衡量电池性能的重要性能指标之一，电池的容量越大，其能量密度也越高。研究团队认为，这项成果将为下一代储能设备提供新的指导方针，并将成为电动汽车和智能电网技术迭代的关键。

此外，据媒体报道，中国科学技术大学马骋教授研究设计并合成了一种新型固态电解质——氧氯化锆锂，其综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相当，但成本不到后者的4%，适合进行产业化应用。该研究于今年6月发表在国际著名学术期刊《自然·通讯》上。

氧氯化锆锂具有很强的成本优势，远低于目前最具成本优势的固态电解质氯化锆锂（每公斤10.78美元），并且不到硫化物和稀土基、铟基氯化物固态电解质成本的4%。实验证明，由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态锂电池展示了极为优异的性能：在12分钟快速充电的条件下，该电池仍能成功地在室温稳定循环2000圈以上。

日本车企加速布局全固态电池技术

在固态锂电池产业化道路上，日企较为激进。丰田目前是固态电池行业的领导者，2020年制造了一辆搭载固态电池的原型车。今年6月初，丰田高调披露其动力电池相关技术，其中在固态电池方面的布局尤为值得关注。其计划在2026年推出新一代产品，充电时间为20分钟，行驶里程约为1000公里，是现有丰田纯电动汽车bZ4X的两倍。值得一提的是，丰田曾在2021年时表示，“全固态电池的导入将从HEV车型开始”。而根据最新规划，丰田全固态电池将搭载到BEV车型上，并于2027年投入实际应用。

今年7月，丰田公司宣布，全固态电池的研发取得了重大突破，其开发出了提高电池耐久性的方法，可以制造出续航里程为1200公里的固态电池，充电时间为10分钟或者更短。尽管目前丰田的电动汽车销量较低，2022年全年仅销售了2万辆，但其希望通过全固态电池的实际应用加速电动汽车的发展，在2026年之前实现年销量达150万辆，并在2030年之前达到年销量350万辆，实现全固态电池在电动汽车上的商业化应用。丰田公司碳中和研发中心的总裁海田敬二表示：“无论是液态电池还是固态电池，我们的目标是彻底改变目前电池过大、过重、过贵的局面。”

除了全固态电池，丰田还公布了两款有望被搭载到下一代BEV产品上的锂离子电池，分别为性能版电池与普及版电池。据了解，性能版电池提高了电池能量密度，配合车辆的空气动力学改善，可将续航里程提升到目前的2倍，达到1000公里，同时成本降低20%，实现快充不到20分钟的目标。普及版电池则是将已经应用于HEV镍氢电池上的双极结构通用到BEV电池上，续航里程比目前增加20%，快充同样可以达到30分钟以内。由于零件数量可控制在1/4到1/5之间，成本可降低40%左右。

除丰田外，日本其他车企也已公布全固态电池技术布局。其中，日产计划2024年在日本建设一条用于量产全固态电池的生产线，并在2028年将配备自主研发全固态电池的电动汽车推向市场。本田于2020年宣布，公司开发出一种高能量密度的全固态电池原型，并计划于2024年春季投产全固态电池生产线，2025年后在新车型上使用全固态电池。

图2. 丰田全固态电池将搭载到BEV车型上，并于2027年投入实际应用

丰田、日产和本田全部加入了一个叫做“锂离子电池材料评估研究中心”的日本协会组织，该组织的目标是在2025年前开发出能量密度为500Wh/kg的固态电池，参与方包括日本的多个材料、汽车和电池企业。日本政府于2018年为该组织提供了16亿日元援助。近期，日本经济产业省发布公告称，将向丰田及其集团公司提供1178亿日元的补贴，以促进全固态电池的开发和生产。

图3. 宝马、福特等公司对Solid Power投资约1.35亿美元

在很多电池供应商看来，全固态电池是一项极具技术挑战的发展项目，要实现产业化并对电动汽车市场等格局产生重要影响仍需较长时间，很有可能在10年以上。丰田2017年曾表示将在东京奥运会上展示固态电池技术，但因技术挑战，被迫推迟到2025年量产；时至2021年又表示量产计划推迟至2027年。

宝马联手Solid Power迈入量产

不止日本车企在发力全固态电池，欧美企业也在加快这一领域的步伐。近日，宝马集团在公司公告中表示，将与美国Solid Power电池公司启动下一阶段全固态电池的联合研发，并在其自己的电池制造中心（CMCC）采用美国Solid Power的全固态电池中试生产线，进而朝着长远目标——全固态电池的量产迈进。根据两家公司扩充的联合开发协议，宝马集团获得了Solid Power公司的技术许可，能够在其位于慕尼黑帕尔斯多夫附近的电池制造中心复制Solid Power的中试线。

据悉，2017年，宝马便与Solid Power开始了在全固态电池上的合作，以推进这种电池在高性能纯电动汽车上的应用。2021年，宝马和福特等公司对Solid Power投资约1.35亿美元，并推动Solid Power于当年12月在美国纳斯达克上市。宝马表示，扩大后的合作关系将为两家公司带来重大利益。

据了解，Solid Power公司2011年在美国科罗拉多大学博尔德分校及美国国防高级研究计划局的资助下成立，2015年11月与美国橡树岭国家实验室签署了一项协议，获得了橡树岭国家实验室锂硫电池技术的特别授权。该公司的全固态电池采用硫化物固体电解质，替代一般锂离子电池中使用的电解液和凝胶电解质，具备不可燃的特性，降低电动汽车自燃的风险。其相较于锂离子电池能量密度提升50%，使用的金属锂阳极是石墨阳极的10倍。

Solid Power对其研制的2Ah高容量硅全固态电池进行了三种极端条件下的测试：一是在室温下用导电针刺穿充满电的电池，以模拟电池壁意外刺透。结果表明该损坏的电池不会产生起火或泄气等危险，电池温度在测试过程中仅略有升高，最高为27℃；二是将充满电的电池在室温下以1C（指1小时充满电池）的速率连续充电至高于典型电压上限，电池在压缩和未压缩的情况下进行测试。实验结果发现充电达200%时，电池不会发生起火、泄气或材料损失等危险。电池受压时的最高温度为35℃，未受压时的最高温度为69℃；三是对充满电的电池进行短路测试，整个过程中没有产生起火、泄气或材料损失等危险。

据Solid Power介绍，其高含量硅电池技术具备高能量，达到350Wh/kg的堆栈级比能量，同时还能实现750次循环，容量保持率为80%；循环寿命长，在45°C和室温下均实现了1000多次循环，容量保持率超过80%；能快速充电，已记录了650次循环，在接近室温的条件下，每五个循环进行一次2C（指2小时充满电池）的速率快速充电。

目前，Solid Power主要有两条产品线：硫化物固态电解质和软包全固态电池。全固态电池产品分为三类，其中采用“锂金属负极+固态电解质+下一代正极”的电池重量能量密度能够达到560Wh/kg，超过目前能量密度最高的锂离子电池两倍，循环寿命超过1000次，能够30分钟充电至电池容量的90%。去年6月，Solid Power宣布已完成了全固态电池中试生产线的安装，这条中试线目前生产的是“50%硅负极+固态电解质+三元正极”的电池电芯，周产量可达约300个，年产量约达1.5万个。

根据时间表，Solid Power将在2023年向宝马交付全尺寸的汽车电池用于测试，第一辆采用全固态电池的宝马原型车计划在2025年之前推出，2030年之前将实现全固态电池的量产。宝马开发总监弗兰克·韦伯表示：“宝马致力于追求全固态电池，我们认为该技术在未来具有巨大潜力，在宝马集团的中试生产线建造之前，宝马集团的工作人员将与Solid Power合作，优化电池制造工艺。”

图4. 宝马2030年之前将实现全固态电池的量产

值得一提的是，与Solid Power的合作只是宝马恢弘的电动化蓝图中的一部分。根据宝马的目标，到2025年底，其在道路上行驶的纯电动汽车将超过200万辆。到2030年之前，宝马在全球范围内50%的销量将来自纯电动汽车。到21世纪30年代初，MINI品牌将拥有独家的纯电动系列，而劳斯莱斯也将从2030年起成为全电动品牌。不过不少业内人士认为，考虑到成本因素，全固态电池未来或将首先少量应用于宝马新的纯电车型。
（编译www.titech.ac.jp; abcnews.go.com; thedriven.io）

编译：李忠东

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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