2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落鋰電池領(lǐng)域，一時(shí)間，鋰離子電池這一驅(qū)動(dòng)信息化社會(huì)的基礎(chǔ)元件成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)?！颁囯娭浮惫诺霞{夫也成為媒體熱議的話題，時(shí)年97歲的他仍然奮斗在研發(fā)的一線，并在三年前開(kāi)發(fā)出了全球首個(gè)全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池。
這類(lèi)電池以固態(tài)電解質(zhì)取代了傳統(tǒng)鋰離子電池的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，能量密度達(dá)到了普通鋰電池的三倍，并擁有1200次的完整充放電循環(huán)。這一技術(shù)將有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上，徹底解決電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航焦慮。
事實(shí)上，自誕生之初，這一電池體系就以安全性、穩(wěn)定性著稱(chēng)。隨著2016年無(wú)機(jī)硫化物材料的發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池的離子電導(dǎo)率以及電化學(xué)窗口取得突破性的進(jìn)展，這一產(chǎn)品的應(yīng)用前景從精密傳感器等小眾市場(chǎng)一下子拓展到了電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子等大范圍的應(yīng)用領(lǐng)域。有學(xué)者認(rèn)為，固態(tài)電池是目前距離量產(chǎn)最近的下一代電池解決方案。
不過(guò)，關(guān)注固態(tài)電池的不僅僅只有古迪納夫等學(xué)界的大牛。在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，豐田、寶馬、本田、日產(chǎn)、現(xiàn)代、大眾等國(guó)際主流車(chē)企已經(jīng)紛紛開(kāi)始布局固態(tài)電池領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)城、比亞迪、天際汽車(chē)、蔚來(lái)汽車(chē)、愛(ài)馳汽車(chē)與眾多動(dòng)力電池供應(yīng)商也已入局，并亮出了固態(tài)電池的落地時(shí)間表。
目前，固態(tài)電池共有聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)硫化物電解質(zhì)三大技術(shù)路線，各有優(yōu)缺點(diǎn)。但總體來(lái)看，三條技術(shù)路線距離量產(chǎn)仍有距離，但其作為電池明日之星的地位十分穩(wěn)固， 一場(chǎng)爭(zhēng)奪電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)制高點(diǎn)的暗戰(zhàn)已然打響。
一、概念奠基于200年前 2017年技術(shù)突破迎高潮
固態(tài)電池，顧名思義就是以聚合物、無(wú)機(jī)氧化物或無(wú)機(jī)硫化物等固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)填充電池內(nèi)部的電池體系。
▲傳統(tǒng)電池（左）與固態(tài)電池（右）結(jié)構(gòu)原理圖對(duì)比
其工作原理就是在讓鋰離子通過(guò)固態(tài)電解質(zhì)中的離子通道移動(dòng)于正負(fù)極材料之間，與電極交換電荷，完成充放電過(guò)程。由于固態(tài)電解質(zhì)的理化性質(zhì)穩(wěn)定，現(xiàn)階段的固態(tài)電池技術(shù)，通常有著優(yōu)于傳統(tǒng)鋰電池的能量密度、安全性與穩(wěn)定性。
固態(tài)電池的三大技術(shù)特征分別是固態(tài)電解質(zhì)、兼容高能量的正負(fù)極以及輕量化的電池系統(tǒng)。
固態(tài)電解質(zhì)的概念非常好了解，傳統(tǒng)鋰電池以液態(tài)電解質(zhì)作為鋰離子遷移的介質(zhì)，固態(tài)電池則是將液態(tài)的電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)材料?？梢哉J(rèn)為，固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，而固態(tài)電解質(zhì)目前有分為聚合物、無(wú)機(jī)氧化物與無(wú)機(jī)硫化物三種類(lèi)型。
對(duì)比傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)高溫狀態(tài)下性質(zhì)穩(wěn)定，不易燃，且能夠有效防止大功率放電形成的鋰晶枝刺穿隔膜造成電極短路，可以說(shuō)是液態(tài)電解質(zhì)的理想替代品。
不僅如此，固態(tài)電池還擁有更高的電化學(xué)窗口，可以搭載高壓正負(fù)極材料而不用擔(dān)心電解質(zhì)會(huì)因?yàn)楦唠妷寒a(chǎn)生氧化（液態(tài)電解質(zhì)會(huì)有這樣的副作用）。
▲固態(tài)電池可采用先串聯(lián)后并聯(lián)的組裝方式
此外，由于固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體，可以實(shí)現(xiàn)先串聯(lián)后并聯(lián)組裝的方式，減輕了電池PACK的重量；固態(tài)電池性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，也可以省去動(dòng)力電池內(nèi)部的溫控元件，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的減重。
有一點(diǎn)需要注意的是，固態(tài)電池其實(shí)并非最新的技術(shù)體系，深究其概念奠基的起點(diǎn)，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于當(dāng)前主流電池——鋰離子電池的形成。
固態(tài)電池概念奠基的起點(diǎn)可以追溯到19世紀(jì)上半葉，當(dāng)時(shí)熱力學(xué)定律仍在摸索之中，沒(méi)有人知道晶體的周期性結(jié)構(gòu)，距離點(diǎn)無(wú)序、熵增熵減等概念的形成還有近一個(gè)世紀(jì)的路要走，當(dāng)時(shí)的主流科學(xué)界甚至不承認(rèn)原子與離子的存在。
就是在這樣的電學(xué)理論與大環(huán)境均不成熟的時(shí)代，被冠以“天才”之名的邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了液體與固體中離子的移動(dòng)現(xiàn)象，并通過(guò)這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了電荷通過(guò)電解質(zhì)的通道，以及電解過(guò)程中釋放的離子與電極交換電荷的能力。這一發(fā)現(xiàn)，為后來(lái)的電化學(xué)與固態(tài)離子學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
他曾對(duì)固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電的現(xiàn)象進(jìn)行記錄：“我曾發(fā)現(xiàn)硫化銀的離子電導(dǎo)率在加熱之后會(huì)迅速上升，在此之后，我又發(fā)現(xiàn)了一種具有相同屬性的物質(zhì)：氟化鉛。當(dāng)其冷卻時(shí)，這兩種物質(zhì)并不能起到電流的傳導(dǎo)作用，不過(guò)一旦溫度上升，它們就會(huì)變成電的良導(dǎo)體，甚至可以在固態(tài)的條件下將其點(diǎn)燃?！?
這樣的記錄極大地啟發(fā)了后世對(duì)于固態(tài)電池的研究，在20世紀(jì)50年代后固態(tài)電池迎來(lái)研發(fā)熱潮的時(shí)候，曾有研究人員指出：“這是迄今為止，有記錄的最早的有關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)從弱導(dǎo)電態(tài)過(guò)渡到導(dǎo)電態(tài)的觀察結(jié)果?！?
不過(guò)即便如此，固態(tài)電池的研發(fā)也沒(méi)有因?yàn)榈旎鶗r(shí)間早而一番風(fēng)順，早期固態(tài)電解質(zhì)的物理與化學(xué)性質(zhì)決定了其低能量密度、低電壓以及高電阻的特性。即使是在20世紀(jì)90年代對(duì)材料進(jìn)行改良之后，固態(tài)電池也依然只能打造成薄膜類(lèi)電池，應(yīng)用于精密傳感器等高端領(lǐng)域，難以真正實(shí)現(xiàn)普及。而固態(tài)電池的“后輩”們——鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池則開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域活躍。
直到2016年，日本科學(xué)家Yuki Kato與Ryoji Kanno發(fā)現(xiàn)了兩種具有高離子電導(dǎo)率與高穩(wěn)定性新型鋰基超離子導(dǎo)體材料，固態(tài)電池才重新成為學(xué)界與業(yè)界的研究焦點(diǎn)。
而后在2017年，“鋰電之父”古迪納夫所帶領(lǐng)的工程師團(tuán)隊(duì)發(fā)明了玻璃電解質(zhì)材料，研發(fā)出了全球首個(gè)全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池。填充玻璃電解質(zhì)解決了固態(tài)電池電解質(zhì)與電極界面高電阻、離子電導(dǎo)率低的問(wèn)題，甚至擁有比液態(tài)電解質(zhì)更好的離子電導(dǎo)率。
這一特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)階段鋰電池高三倍的能量密度，并擁有1200次的完整充放電循環(huán)。同時(shí)由于移除了有機(jī)液態(tài)電解液，該電池將不會(huì)有燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，安全性與穩(wěn)定性更勝傳統(tǒng)鋰離子電池一籌，這些優(yōu)勢(shì)使得固態(tài)電池具備了成為下一代電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的主流選擇。
不過(guò)需要指出的是，雖然現(xiàn)階段固態(tài)電池在技術(shù)指標(biāo)上領(lǐng)先于三元鋰電池，但這一技術(shù)路線目前仍然面臨著整體成本高、技術(shù)有待驗(yàn)證等問(wèn)題，可以認(rèn)為仍然處于產(chǎn)業(yè)早期的發(fā)展階段。
▲固態(tài)電池與三元鋰電池各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比情況
從行業(yè)應(yīng)用來(lái)看，目前真正進(jìn)入落地階段且具有商業(yè)價(jià)值的，只有應(yīng)用于精密傳感器領(lǐng)域的薄膜類(lèi)固態(tài)電池。此前，曾有行業(yè)分析師認(rèn)為，固態(tài)電池相對(duì)于大盤(pán)而言只是一個(gè)利基市場(chǎng)（相對(duì)小眾）。除非取得技術(shù)上的飛躍式進(jìn)展，否則到2025年，整個(gè)電池市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2000億美元的時(shí)候，固態(tài)電池的市場(chǎng)規(guī)模僅有70億美元。
不過(guò)，眾多押寶固態(tài)電池的車(chē)企顯然是相信固態(tài)電池技術(shù)將會(huì)迎來(lái)飛躍式突破的。自2012年豐田正式宣布在固態(tài)電池領(lǐng)域取得研究成果之后，寶馬、本田、日產(chǎn)、現(xiàn)代、大眾等國(guó)際車(chē)企以及國(guó)內(nèi)長(zhǎng)城、比亞迪、天際汽車(chē)、蔚來(lái)汽車(chē)、愛(ài)馳汽車(chē)等車(chē)企紛紛宣布自身的固態(tài)電池布局。
在車(chē)企規(guī)劃的時(shí)間表中，2020年開(kāi)始，固態(tài)電池將會(huì)初步投入使用。而到2025年，固態(tài)電池的能量密度將會(huì)攀升到一定程度，同時(shí)成本大幅下落，從高端產(chǎn)品向低端產(chǎn)品普及。從這一時(shí)間表來(lái)看，固態(tài)動(dòng)力電池的風(fēng)口將會(huì)很快到來(lái)。
二、豐田已暗中研發(fā)10年 現(xiàn)代寶馬福特全部入局
國(guó)際車(chē)企在固態(tài)電池上的研發(fā)起點(diǎn)相對(duì)較早，最早入局的豐田在2008年就與固態(tài)電池創(chuàng)企伊利卡（Ilika）展開(kāi)了合作，并于2012年公布了研發(fā)成果。而在2016年新型固態(tài)電解質(zhì)材料發(fā)現(xiàn)之后，寶馬、本田、日產(chǎn)、現(xiàn)代、大眾等車(chē)企巨頭紛紛宣布開(kāi)始固態(tài)電池研發(fā)，并將落地時(shí)間定在了2020年-2030年之間。
1、豐田2008年開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池 預(yù)計(jì)2020年初上車(chē)
在固態(tài)電池領(lǐng)域，豐田一直是這一路線的忠實(shí)支持者。
2008年，特斯拉首款“量產(chǎn)”車(chē)型Roadster剛剛下線，電動(dòng)化浪潮還未席卷全球之時(shí)，豐田就開(kāi)始了固態(tài)電池的研發(fā)。
2008年2月，豐田與南安普頓大學(xué)孵化出的初創(chuàng)公司伊利卡（Ilika）達(dá)成合作，共同進(jìn)行固態(tài)電池材料的研發(fā)。雙方的愿景，是使用導(dǎo)電陶瓷材料來(lái)替代鋰離子電池中的易燃液態(tài)電解質(zhì)。
六年之后，在2014年日本東京舉辦《汽車(chē)世界》期刊會(huì)議上，豐田汽車(chē)詳細(xì)介紹了其與伊利卡（Ilika）在固體電池合作上的進(jìn)展。
當(dāng)時(shí)，豐田汽車(chē)負(fù)責(zé)固態(tài)電池業(yè)務(wù)的高級(jí)執(zhí)行董事奧田平（Soichiro Okudaira）表示：“豐田已經(jīng)研發(fā)出了能量密度400Wh/L（“Wh/L”是電池能量密度的另一種單位，由于材料密度不同，難以與“Wh/kg”直接換算）的固態(tài)電池，比同時(shí)期的鋰離子電池能量密度高出約1/3?！?
與此同時(shí)，豐田的工程師表示，固態(tài)電池的潛力遠(yuǎn)不止于此。到2025年，豐田將會(huì)把固態(tài)電池的能量密度提升到600-700Wh/L，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)提供約1000公里的續(xù)航里程。
隨后，豐田又在2017年與“老朋友”松下展開(kāi)合作，共同研發(fā)下一代技術(shù)更加成熟的固態(tài)電池。據(jù)路透社報(bào)道，豐田預(yù)計(jì)在2020年初推出搭載固態(tài)電池的純電動(dòng)汽車(chē)。
2、本田日產(chǎn)聯(lián)手“老大哥”豐田 組建日本固態(tài)電池“國(guó)家隊(duì)”
豐田那邊如火如荼地研發(fā)固態(tài)動(dòng)力電池，本田日產(chǎn)也在2017年紛紛宣布自研動(dòng)力電池。但在動(dòng)力電池這樣高技術(shù)壁壘的行業(yè)，本田日產(chǎn)的起步已經(jīng)較為落后，他們要如何逆轉(zhuǎn)這樣的局面呢？
2018年，本田、日產(chǎn)聯(lián)手豐田、松下、湯淺以及日本三大化工集團(tuán)成立了”鋰電池技術(shù)與評(píng)估中心（Lithium Ion Battery Technology and Evaluation Center)”，簡(jiǎn)稱(chēng)”Libtec”，以聯(lián)盟的形式開(kāi)展固態(tài)電池的研發(fā)。
彼時(shí)日本動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)份額在全球范圍內(nèi)呈下滑態(tài)勢(shì)，日本政府也極力促成Libtec的成立，并為這一聯(lián)盟投資了16億日元。就這樣，本田與日產(chǎn)也搭上了豐田的大船。
據(jù)了解，Libtec的目標(biāo)是在短期內(nèi)推出支持550公里綜合續(xù)航電動(dòng)汽車(chē)的固態(tài)動(dòng)力電池，而到2030年，將會(huì)推出支持800公里綜合續(xù)航電動(dòng)汽車(chē)的固態(tài)電池。并且，由于固態(tài)電池支持大功率充放電，電動(dòng)汽車(chē)的充電速度也將得到大幅提升。
3、現(xiàn)代、寶馬、福特投資固態(tài)電池初創(chuàng)公司Solid Power
與日本汽車(chē)產(chǎn)業(yè)抱團(tuán)取暖的思路不同，寶馬、現(xiàn)代、福特三家車(chē)企看中了同一家固態(tài)電池初創(chuàng)公司——Solid Power。
三家車(chē)企分別在2017年、2018年、2019年宣布投資這家分離自科羅拉多大學(xué)博爾德分校的初創(chuàng)公司，不過(guò)他們并未透露向Solid Power投資的金額。其中，只有寶馬宣布會(huì)在2026年量產(chǎn)搭載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車(chē)。
據(jù)electrek報(bào)道，Solid Power在2018年完成了2000萬(wàn)美元的A輪融資，并在固態(tài)電池鋰離子陽(yáng)極技術(shù)上獲得了突破。該公司表示，目前其生產(chǎn)的樣品的能量密度要比普通的三元鋰電池能量密度高50%，并且支持目前行業(yè)通用的卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝。
4、大眾投資斯坦福大學(xué)背景創(chuàng)企QuantumScape
大眾也在2018年6月宣布投資斯坦福大學(xué)的固態(tài)動(dòng)力電池初創(chuàng)公司QuantumScape，投資金額為1億美元。交換條件是成為該公司的最大股東，并在董事會(huì)成員中占有席位，雙方合作開(kāi)發(fā)適用于大眾車(chē)型的固態(tài)電池。
據(jù)了解，QuantumScape成立于2010年，總部位于加利福尼亞州圣何塞，擁有約200項(xiàng)固態(tài)電池技術(shù)專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)，深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)正是大眾看中這家公司的原因。
大眾的官方新聞宣稱(chēng)，QuantumScape的固態(tài)電池能夠使e-golf的綜合續(xù)航里程從300公里提升到750公里，并且大眾已經(jīng)對(duì)QuantumScape的電池樣品進(jìn)行了測(cè)試，推測(cè)測(cè)試對(duì)象為此前搭載了固態(tài)電池的PB18 e-tron純電動(dòng)超跑。
雙方共同的目標(biāo)是使得固態(tài)電池真正能夠應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域，并預(yù)計(jì)在2025年建成一條為電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)固態(tài)電池的生產(chǎn)線。
5、雷諾日產(chǎn)三菱聯(lián)盟投資美國(guó)固態(tài)電池公司Ionic Materials
投資固態(tài)電池企業(yè)這件事當(dāng)然也少不了對(duì)新興技術(shù)充滿熱情的雷諾日產(chǎn)三菱聯(lián)盟，這一聯(lián)盟成立的初衷就不光是為了互相提振三家車(chē)企的銷(xiāo)量，而是通過(guò)交叉持股的方式形成強(qiáng)合作關(guān)系來(lái)提升整個(gè)聯(lián)盟的競(jìng)爭(zhēng)力。
2018年年初，雷諾日產(chǎn)三菱聯(lián)盟成立10億美元的產(chǎn)業(yè)基金“聯(lián)盟風(fēng)投”（Alliance Ventures），投資的第一個(gè)項(xiàng)目就是美國(guó)電池公司Ionic Materials，據(jù)了解，這家公司的主要研發(fā)方向?yàn)殚_(kāi)發(fā)可用于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)鈷固態(tài)電池。
據(jù)了解，目前雷諾日產(chǎn)三菱聯(lián)盟與Ionic Materials的合作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，今年年底，Ionic Materials的固態(tài)電池將會(huì)交予OEM進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在2025年投入量產(chǎn)。
除了豐田早早將固態(tài)電池作為自家電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池方向之外，國(guó)際車(chē)企大多選擇了在2017年左右涌入固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，這與固態(tài)電池的電解質(zhì)材料在2016年-2017年間取得突破性進(jìn)展脫不了關(guān)系。
在產(chǎn)業(yè)布局方面，日系車(chē)企與日本的動(dòng)力電池、化工企業(yè)形成了抱團(tuán)之勢(shì)，試圖搶占固態(tài)電池的落地先機(jī)。歐美韓系車(chē)企則主要采取投資初創(chuàng)公司的方式，來(lái)增強(qiáng)自身在固態(tài)電池領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備，不同的玩家形成了不同的打法。
三、北汽、比亞迪帶頭布局固態(tài)電池 蔚來(lái)、天際積極跟進(jìn)
國(guó)際車(chē)企扎堆布局固態(tài)電池，但國(guó)內(nèi)車(chē)企對(duì)于固態(tài)電池的布局卻顯得有些不急不緩。
根據(jù)公開(kāi)資料整理，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)車(chē)企僅有北汽集團(tuán)與比亞迪兩家布局固態(tài)電池；新造車(chē)公司對(duì)固態(tài)電池接受度更高，蔚來(lái)汽車(chē)、天際汽車(chē)、愛(ài)馳汽車(chē)分別與臺(tái)灣輝能科技達(dá)成合作，共同研發(fā)動(dòng)力電池；哪吒汽車(chē)也在此前宣布了與清陶能源的合作計(jì)劃，SERES也布局了固態(tài)電池領(lǐng)域。
1、傳統(tǒng)車(chē)企：北汽、比亞迪兩大新能源領(lǐng)頭羊?qū)?/strong>
在傳統(tǒng)車(chē)企的陣營(yíng)中，北汽與比亞迪是目前在新能源汽車(chē)領(lǐng)域布局較為深入，并且銷(xiāo)量最大的兩家車(chē)企。提前將電動(dòng)化的基因刻在品牌形象中，意味著這兩家車(chē)企在新能源汽車(chē)領(lǐng)域必須保有足夠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，這兩家車(chē)企也是國(guó)內(nèi)最先布局固態(tài)電池技術(shù)的傳統(tǒng)車(chē)企。
北汽集團(tuán)旗下北汽產(chǎn)投于2019年8月完成了對(duì)國(guó)內(nèi)固態(tài)電池創(chuàng)企清陶能源的投資，雙方將在固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化方面合作，但并未公布具體的量產(chǎn)落地時(shí)間。
據(jù)了解，清陶能源的創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)來(lái)自于清華大學(xué)，自2002年開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池。2018年11月，清陶能源的首條固態(tài)電池生產(chǎn)線投產(chǎn)，這也是國(guó)內(nèi)首條投產(chǎn)的固態(tài)電池生產(chǎn)線，該公司的固態(tài)電池的單體能量密度能夠達(dá)到400Wh/kg。
北汽產(chǎn)投此次與中銀投資共同主導(dǎo)的C輪投資并未對(duì)外透露金額，但顯而易見(jiàn)的是，這是北汽集團(tuán)部署固態(tài)電池的重要一步。
與北汽集團(tuán)靠“買(mǎi)買(mǎi)買(mǎi)”來(lái)獲取技術(shù)基礎(chǔ)不同，比亞迪走的是自研動(dòng)力電池的路線，這一前提是比亞迪在電池領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累。
2016年，比亞迪就確定將固態(tài)電池作為下一代動(dòng)力電池的發(fā)展路線，隨后，比亞迪申請(qǐng)了一種全固態(tài)鋰離子電池及其正極復(fù)合材料的發(fā)明專(zhuān)利。2018年，比亞迪再次確認(rèn)將固態(tài)電池作為發(fā)展重點(diǎn)，并著手推動(dòng)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。
據(jù)了解，比亞迪將會(huì)在未來(lái)5-10年內(nèi)推出固態(tài)動(dòng)力電池產(chǎn)品，并將其應(yīng)用在新能源汽車(chē)上。
2、新造車(chē)公司：蔚來(lái)、天際、愛(ài)馳、哪吒已入局
新造車(chē)公司也被固態(tài)電池技術(shù)吸引入局，目前，天際汽車(chē)、蔚來(lái)汽車(chē)與愛(ài)馳汽車(chē)已經(jīng)先后與臺(tái)灣電池公司輝能科技達(dá)成合作。哪吒汽車(chē)則選擇了與北汽集團(tuán)相同固態(tài)電池公司——清陶能源。
在今年4月的上海車(chē)展期間，天際汽車(chē)展出了搭載固態(tài)電池的天際ME7樣車(chē)，吸引了眾多好奇的目光。隨后不久，該公司便宣布了與輝能科技的合作事宜。據(jù)了解，該公司在2018年就量產(chǎn)了450Wh/L的固態(tài)電池。
不過(guò)需要指出的是，該公司所采用的方案是目前久違成熟的無(wú)機(jī)氧化物固態(tài)電解質(zhì)方案，雖然技術(shù)路線較為成熟，但這一路線固態(tài)電池的性能潛力較為有限。
不過(guò)作為國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的能夠量產(chǎn)固態(tài)電池的企業(yè)，輝能科技也吸引了另外兩家新造車(chē)公司——蔚來(lái)汽車(chē)與愛(ài)馳汽車(chē)。這兩家公司分別在9月底與輝能科技達(dá)成了合作，輝能科技將以自主研發(fā)的高電壓鋰陶瓷電池為基礎(chǔ)，分別與蔚來(lái)汽車(chē)、愛(ài)馳汽車(chē)展開(kāi)合作，開(kāi)發(fā)輝能MAB固態(tài)電池包。
另一家新造車(chē)公司，哪吒汽車(chē)則是在2019年10月與清陶能源達(dá)成了合作，選擇相信國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)領(lǐng)頭羊北汽的眼光。
綜合國(guó)內(nèi)整車(chē)廠的固態(tài)電池研發(fā)情況與落地時(shí)間表，我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)特點(diǎn)：
國(guó)內(nèi)固態(tài)動(dòng)力電池的研發(fā)落地被分為了三個(gè)階段：
第一階段，2016年-2020年，研發(fā)階段；
第二階段，2021年-2025年，初步投入應(yīng)用；
第三階段，2025年-2030年，大規(guī)模量產(chǎn)落地。
屆時(shí)，大規(guī)模量產(chǎn)落地的全固態(tài)電池將能夠滿足《中國(guó)制造2025》中，對(duì)于2030年國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池密度達(dá)到500Wh/kg的要求。
四、19家國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池公司研發(fā) 固態(tài)電池還未到量產(chǎn)階段
雖然國(guó)內(nèi)整車(chē)廠入局固態(tài)動(dòng)力電池市場(chǎng)的玩家較少，不過(guò)在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)，固態(tài)電池已經(jīng)成為了兵家必爭(zhēng)之地。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)包括寧德時(shí)代、比亞迪、贛鋒鋰業(yè)、萬(wàn)向123、輝能科技、力神電池、億緯鋰能在內(nèi)的19家動(dòng)力電池公司已開(kāi)始固態(tài)電池的研發(fā)。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的動(dòng)力電池供應(yīng)商們從過(guò)去動(dòng)力電池的市場(chǎng)份額爭(zhēng)奪戰(zhàn)中，領(lǐng)悟到了誰(shuí)先入局，誰(shuí)就可能成長(zhǎng)為獨(dú)角獸的定律。因此國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池供應(yīng)商對(duì)于固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)最為積極，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，共有19家動(dòng)力電池供應(yīng)商開(kāi)始布局固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)，寧德時(shí)代、輝能科技、萬(wàn)向123等公司的進(jìn)展目前較快。
其中，寧德時(shí)代所選擇的路線是目前開(kāi)發(fā)潛力最大、難度也最大的硫化物電解質(zhì)路線。2016年10月，寧德時(shí)代新能源研究院柳娜博世詳細(xì)介紹了寧德時(shí)代在硫化物固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)路徑：
寧德時(shí)代主要以硫化物電解質(zhì)為主要研發(fā)方向，采用正極包覆與熱壓的方式來(lái)解決界面電阻問(wèn)題；同時(shí)對(duì)硫化物進(jìn)行改性，增強(qiáng)其熱穩(wěn)定性。但基于理性分析，寧德時(shí)代表示，目前全固態(tài)電池距離商業(yè)化仍有一段較長(zhǎng)的距離。
輝能科技與清陶能源所走的都是無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)路線，以此來(lái)生產(chǎn)非薄膜型固態(tài)電池，這類(lèi)電池的離子電導(dǎo)率隨不如硫化物固態(tài)電池，但也遠(yuǎn)好于聚合物固態(tài)電池。
輝能科技于2013年就實(shí)現(xiàn)了此類(lèi)固態(tài)電池的量產(chǎn)，但主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橄M(fèi)電子領(lǐng)域，近兩年才轉(zhuǎn)向汽車(chē)動(dòng)力電池。由于動(dòng)力電池對(duì)于安全性、穩(wěn)定性以及能量密度的要求更高，因此輝能科技目前還處于與整車(chē)廠進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證的階段。
萬(wàn)向123的打法與前兩者稍有不同，該公司主要采取外部投資與內(nèi)部研發(fā)并舉的策略。在對(duì)外投資方面，該公司先后投資了固態(tài)電池公司Solid Power以及美國(guó)固態(tài)電池公司Ionic Materials。
萬(wàn)向一二三通過(guò)將Ionic Materials研發(fā)的導(dǎo)電離子聚合物與自家的三元 /石墨鋰離子材料相結(jié)合發(fā)出了一款具有高能量密度，高安全性的全固態(tài)電池，該公司表示，這一類(lèi)型的固態(tài)電池有望在2022年正式應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品。
五、博世、戴森、NGK|NTK跨界進(jìn)入固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)
事實(shí)上，除了上述被提及的整車(chē)廠、動(dòng)力電池供應(yīng)商之外，還有零部件供應(yīng)商以及其他領(lǐng)域的玩家跨界進(jìn)入了固態(tài)動(dòng)力電池領(lǐng)域。
其中最具代表性的就是博世、戴森以及日本火花塞制造商N(yùn)GK三家公司。
2017年固態(tài)電池的研發(fā)熱潮興起之時(shí)，博世曾經(jīng)收購(gòu)固態(tài)電池初創(chuàng)公司Seeo，并曾表示將會(huì)在2020年之前推出總體能量密度超過(guò)260Wh/kg的固態(tài)電池包。
2017年12月，該公司還曾考慮投資200億歐元，在2030年之前建立起年產(chǎn)能200GWh的動(dòng)力電池工廠，以此來(lái)與松下、LG、寧德時(shí)代等全球一線的動(dòng)力電池供應(yīng)商們競(jìng)爭(zhēng)。
不過(guò)很快，在2018年2月，博世就宣布放棄動(dòng)力電池以及固態(tài)電池的研發(fā)項(xiàng)目，并宣布解散博世旗下的動(dòng)力電池合資公司“Lithium Energy and Power GmbH＆Co. KG（LEAP）”，并出售其固態(tài)電池子公司Seeo。
與此同時(shí)，博世在一份聲明中給出了他們放棄固態(tài)電池與動(dòng)力電池技術(shù)開(kāi)發(fā)的原因，主要的理由是投資風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高，目前難以判斷是否能給博世集團(tuán)帶來(lái)回報(bào)。
另一家傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)零部件供應(yīng)商N(yùn)GK|NTK也宣布開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池技術(shù)，該公司主營(yíng)業(yè)務(wù)原本為發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞與氧傳感器，但其高級(jí)工程與研發(fā)總經(jīng)理Takio認(rèn)為：“（汽車(chē)）行業(yè)在某種程度上將不可避免地從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電池電動(dòng)汽車(chē)，最終導(dǎo)致我們的火花塞和氧傳感器業(yè)務(wù)過(guò)時(shí)?！?
▲火花塞制造商N(yùn)GK|NTK試生產(chǎn)的固態(tài)電池樣品
因此，NGK|NTK在2018年4月宣布將大力研發(fā)固態(tài)電池項(xiàng)目，該公司表示，他們過(guò)去在先進(jìn)陶瓷工藝方面的專(zhuān)業(yè)技術(shù)將為該公司的固態(tài)電池研發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。
戴森入局固態(tài)電池的動(dòng)機(jī)與博世和NGK不同，該公司并不想成為一家固態(tài)電池供應(yīng)商，而是想要自己打造電動(dòng)汽車(chē)。
2015年，戴森以9000萬(wàn)美元的價(jià)格收購(gòu)了美國(guó)固態(tài)電池初創(chuàng)公司Sakti3，并在第二年斥資14億美元建造了固態(tài)電池工廠。當(dāng)固態(tài)電池的研發(fā)步入正軌之后，戴森在2017年正式宣布了進(jìn)軍電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，致力于打造高端電動(dòng)汽車(chē)品牌。
在隨后的兩年里，電動(dòng)汽車(chē)的浪潮席卷全球，但戴森并沒(méi)有如人們預(yù)料地推出電動(dòng)汽車(chē)的樣品。時(shí)間來(lái)到了2019年10月10日（北京時(shí)間10月11日），當(dāng)天凌晨，戴森正式宣布放棄電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目，并聲稱(chēng)該公司已經(jīng)研發(fā)出了電動(dòng)汽車(chē)的原型車(chē)，但并沒(méi)有為找到該產(chǎn)品的目標(biāo)用戶。
不過(guò)，根據(jù)戴森公開(kāi)信中透露出的信息，戴森公司并沒(méi)有打算放棄已經(jīng)投入海量資源的固態(tài)電池項(xiàng)目，并將繼續(xù)推動(dòng)固態(tài)電池的量產(chǎn)與落地。
雖然跨界的玩家并不多，但從投入金額與部署力度來(lái)看，傳統(tǒng)汽車(chē)零部件供應(yīng)商與其他領(lǐng)域的玩家也非?？春霉虘B(tài)動(dòng)力電池的前景。
六、產(chǎn)業(yè)尚處于早期發(fā)展階段 三條技術(shù)路線并行
盡管眾多整車(chē)廠、Tier1、動(dòng)力電池供應(yīng)商已經(jīng)涌入固態(tài)電池領(lǐng)域，提前開(kāi)啟了卡位賽模式。但從第一部分對(duì)比過(guò)的成本與技術(shù)成熟度的角度上來(lái)看，固態(tài)電池仍處于產(chǎn)業(yè)的早期發(fā)展階段，距離真正的量產(chǎn)落地還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。
目前確定搭載固態(tài)電池并開(kāi)始量產(chǎn)的車(chē)型也僅有奧迪PB18 e-tron一款，第一批只生產(chǎn)50輛。據(jù)了解，這一車(chē)型的售價(jià)將會(huì)頗為昂貴。其中，恐怕有一大部分成本屬于車(chē)輛內(nèi)部的固態(tài)電池。
據(jù)了解，奧迪的這款純電超跑將會(huì)配置800V的高壓電氣架構(gòu)，在動(dòng)力方面，奧迪PB18 e-tron將會(huì)搭載三電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，與Quattro全時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)相配合，其輸出功率可達(dá)到500kW，如果通過(guò)增壓，這一功率可以在一段時(shí)間內(nèi)沖到570kW。而其高達(dá)830N/m的組合扭矩使其0-100km/h的加速時(shí)間縮短到了2秒以內(nèi)，這個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了目前勒芒賽車(chē)的水平。據(jù)外媒報(bào)道，這款車(chē)型的WLTP續(xù)航里程將可能超過(guò)500公里。
顯然，奧迪在固態(tài)電池上的投資是值得的，固態(tài)電池將擁有遠(yuǎn)超三元鋰電池的充放電功率、循環(huán)壽命以及輕量化的電池系統(tǒng)，這些條件將為PB18 e-tron這款電動(dòng)超跑帶來(lái)一般電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法媲美的性能。
1、技術(shù)難點(diǎn)：固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低、高界面阻抗
那么，既然固態(tài)電池能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)提供如此優(yōu)秀的性能，為何沒(méi)有盡快投入實(shí)用呢？
正如文章第一部分所提到的，固態(tài)電解質(zhì)材料雖然在安全性與部分電化學(xué)性能上優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)，但由于其固體的形態(tài)，也存在著先天的缺陷。
眾所周知，化學(xué)反應(yīng)所選擇的介質(zhì)通常會(huì)選擇液體，這是因?yàn)殡x子在液態(tài)的物質(zhì)中更容易移動(dòng)，也更容易發(fā)生反應(yīng)。
固態(tài)電解質(zhì)的第一大技術(shù)難點(diǎn)就是鋰離子的遷移效率，這直接影響了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。據(jù)了解，目前絕大多數(shù)的固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率在10^-7—10^-2 S/cm之間，而目前三元鋰電池所使用的液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率為10^-2 S/cm，絕大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低于液態(tài)電解質(zhì)，影響了固態(tài)電池的實(shí)用性能。
另一個(gè)問(wèn)題出在固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸上，液態(tài)電解質(zhì)可以最大限度地與電極保持接觸，而固態(tài)電解質(zhì)與電極之間很難做到完美貼合，如此一來(lái)，電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗就會(huì)上升，同樣影響固態(tài)電池的實(shí)用性能。
2、三大技術(shù)路線：聚合物、無(wú)機(jī)氧化物、無(wú)機(jī)硫化物
針對(duì)上述的技術(shù)難點(diǎn)，近十年內(nèi)，學(xué)界與業(yè)界不斷涌現(xiàn)出新的解決方案。目前，已經(jīng)有三條較為成熟的技術(shù)路線：聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)以及無(wú)機(jī)硫化物電解質(zhì)。
a.聚合物電解質(zhì)：
材料：聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等。
研究公司：寧德時(shí)代、Solid Power、Seeo、ionic materials、Bollore集團(tuán)子公司BatScap。
使用這一電解質(zhì)的固態(tài)電池率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，技術(shù)已經(jīng)較成熟，易于加工、電極界面阻抗可控。但其性能上限較低，高溫條件下才具備高離子電導(dǎo)率，室溫條件下離子電導(dǎo)率極低。這些條件限制了聚合物固態(tài)電池的能量密度上限，最終能量密度很難超過(guò)300Wh/kg。
法國(guó)博洛雷公司最先將這類(lèi)固態(tài)電池商業(yè)化，2011年12月，該公司將搭載30kWh固態(tài)聚合物電池+雙電層電容器動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)推向共享汽車(chē)市場(chǎng)，共計(jì)投入2900輛，設(shè)立900座服務(wù)站與近4500臺(tái)充電樁。服務(wù)用戶合計(jì)達(dá)到18萬(wàn)人以上，其中近4成的約7萬(wàn)人為活躍用戶，每天的利用次數(shù)約為1.8萬(wàn)次。
但早期的技術(shù)限制使得該項(xiàng)目并不具備大規(guī)模商業(yè)化的價(jià)值，該電池能量密度僅為110Wh/kg，并需要配備200W的加熱元件為其加溫。停車(chē)時(shí)，該加熱器也需要處于工作狀態(tài)，停車(chē)時(shí)必須連接充電器，電池功率密度低，使得需要為緊急起步、緊急加速等大功率放點(diǎn)場(chǎng)景配備雙電層電容器。如此一來(lái)，這類(lèi)聚合物固態(tài)電池的實(shí)用價(jià)值就大打折扣了。
b.無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)：
材料：薄膜型（LiPON）、非薄膜型（LLZO）。
研究公司：Sakti3、Quantum Scape、muRata、TDK、NGK|NTK。
無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)對(duì)比上述聚合物電解質(zhì)，在室溫下?lián)碛懈叩碾x子電導(dǎo)率，但界面阻抗也更高。但好在界面阻抗可以采用緩沖層填充等方法來(lái)進(jìn)行規(guī)避，因此這類(lèi)固態(tài)電池已經(jīng)具備實(shí)用價(jià)值，并且已有產(chǎn)品投入市場(chǎng)。
應(yīng)用無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)的固態(tài)電池又可以分為薄膜型固態(tài)電池與非薄膜型固態(tài)電池。
薄膜型固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)是性能優(yōu)異，能在50C的工作環(huán)境下，循環(huán)45000次后，仍然保持95%的電池容量。但缺點(diǎn)是擴(kuò)容困難，單體薄膜型固態(tài)電池的容量很小，不到mAh級(jí)別，對(duì)于動(dòng)力電池所需的Ah級(jí)別，需要串聯(lián)大量薄膜電池來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一過(guò)程會(huì)使得固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝難度增加，造價(jià)直線飆升。
對(duì)比之下，非薄膜型固態(tài)電池的實(shí)用性能要高得多，其離子電導(dǎo)率略低于薄膜型產(chǎn)品，但遠(yuǎn)高于聚合物體系，且可以生產(chǎn)成容量型電池而非薄膜型態(tài)，減少了生產(chǎn)成本，是當(dāng)下中國(guó)動(dòng)力電池企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，上文中提到的輝能科技與清陶能源都選擇了這條路線。
c.無(wú)機(jī)硫化物電解質(zhì)：
材料：Thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS。
研究公司：豐田、松下、寧德時(shí)代、三星SDI。
這條路線是目前三條主流路線中開(kāi)發(fā)難度最大、性能潛力也最大的一條路線。
開(kāi)發(fā)難度大主要是由于該電解質(zhì)材料還處于研發(fā)的早期階段，電池產(chǎn)品對(duì)環(huán)境十分敏感，也存在安全問(wèn)題。其內(nèi)部的硫化物電解質(zhì)對(duì)空氣敏感，容易氧化，遇水易產(chǎn)生 H2S 等有害氣體，生產(chǎn)過(guò)程需隔絕水分和氧氣。
而性能潛力大則是因?yàn)榱蚧镫娊赓|(zhì)離子電導(dǎo)率能與液態(tài)電解質(zhì)媲美；電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上，可滿足快充快放的需求；并且應(yīng)用前景廣泛，能夠用于電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
因此，匯聚在這一條路線上的幾乎都是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)最頂尖的玩家。據(jù)了解，豐田已經(jīng)研發(fā)出了Ah級(jí)別的動(dòng)力電池，并制成了較大的電池組樣品，寧德時(shí)代也已對(duì)硫化物固態(tài)電池進(jìn)行了前瞻布局，并設(shè)計(jì)好了工藝路線。
三條路線綜合來(lái)看，聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)氧化物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)硫化物電解質(zhì)的性能各有優(yōu)劣，且因?yàn)榧夹g(shù)的成熟程度不同，未來(lái)落地的時(shí)間表也有所不同。
不過(guò)從車(chē)企與動(dòng)力電池公司規(guī)劃的時(shí)間表來(lái)看，固態(tài)電池的落地節(jié)奏依然有跡可循。據(jù)了解，這一技術(shù)最早將會(huì)在明年小范圍地量產(chǎn)上車(chē)，早期將會(huì)集中配置在高端車(chē)型上。真正大規(guī)模實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)落地，在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)普及將會(huì)在2025年之后。因此，目前固態(tài)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)仍然只是車(chē)企與動(dòng)力電池供應(yīng)商的卡位賽，距離落地還有一段距離。
結(jié)語(yǔ)：固態(tài)動(dòng)力電池風(fēng)口即將到來(lái)
固態(tài)電池因其高能量密度、安全性、穩(wěn)定性，被學(xué)界與業(yè)界同時(shí)認(rèn)定為是下一代動(dòng)力電池的主流路線，豐田、寶馬、本田、日產(chǎn)、現(xiàn)代、大眾等國(guó)際車(chē)企與北汽、比亞迪等自主品牌紛紛擠進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，提前開(kāi)始了卡位賽。
雖然固態(tài)電池的落地在整車(chē)廠、動(dòng)力電池供應(yīng)商的時(shí)間表中大多還有3-6年的時(shí)間，但車(chē)企、供應(yīng)商的入局為這一產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了資金基礎(chǔ)，固態(tài)電池技術(shù)的成熟速度有望被加快。
尤其是三條清晰的技術(shù)路線為當(dāng)下產(chǎn)業(yè)內(nèi)的公司提供了明確的研發(fā)路徑的選擇，當(dāng)三元鋰電池再難滿足電動(dòng)汽車(chē)的需求時(shí)，外部環(huán)境將會(huì)促使固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)從發(fā)展期迅速過(guò)度到成熟期。
綜合入局玩家數(shù)量、資金基礎(chǔ)以及電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的需求三點(diǎn)來(lái)看，固態(tài)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口或許很快就會(huì)到來(lái)。
