近日，隨著福特和寶馬宣布對固態電池技術的公司Solid Power進行了1.3億美元的投資，他們都發布了一些關于固態電池的規劃，包括這兩家車企都將從明年開始搭載Solid Power全尺寸100安時（Ah）固態電池。而目前，Solid Power已在中試生產線上生產20 Ah固態電池。
在投資消息發布前，寶馬集團就已宣布，將在2025年發布應用固態電池的原型車，并在2030年為量產車型配備固態電池。而福特除了投資Solid Power，也將斥資1.85億美元建設合作性學習實驗室，該實驗室將開發和制造鋰離子和固態車載動力電池單體和陣列。
另一方面，大眾在與QuantumScape合作9年后，宣布2025年開始生產固態電池，一次充電可以達到500英里（約804公里）的行駛里程。4月，大眾汽車在QuantumScape測試新一代固態電池時，又對后者追加了1億美元投資。
一時間，固態電池的應用變得愈發現實，似乎從實驗室到市場應用指日可待。不過，每項革新技術在應用前，都將遭受質疑，更何況是仍面臨種種技術攻關的固態電池。Guidehouse Research的分析師Sam Abuelsamid曾表示，固態電池的供電要比鋰離子電池的供電難得多，但是這項技術擁有廣闊的前景，無論哪家公司首先實現技術突破，都可以贏得競爭優勢。
（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、本田以及保時捷在內的多家車企就已經發布了自家對于固態電池的研究計劃。
除了「SolidPower」和「QuantumScape」那兩大陣營，蔚來在今年1月也宣布將在2022年年底應用能量密度360Wh/kg，容量150kWh的固態電池；本田聲明要在2040年實現在售車型全電動，并將會使用固態電池與氫燃料電池；而寧德時代與比亞迪早在2019年就已申請了固態電池的技術專利；同時，國內還有清陶能源這樣的企業自2018年底開始已經正式投產固態電池，但是目前量產的固態電池尚不能用于新能源汽車，主要應用領域是特種安全領域。
從多家企業及研究機構發布的數據來看，固態電池相較于傳統鋰電池具有壓倒性優勢：能量密度較高，由于不需要使用隔膜和電解液，體積也會更加輕薄；使用固態電解質的電池會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衰減，相比于傳統鋰電池安全性更高。目前，企業對固態電池規模化使用的預計時間普遍都在5-15年間，且技術路線中的電解質會經歷液態，半固態，固液混合最終達到全固態。
盡管看起來前景非常美好，但一位資深電池專家還是對Auto Byte表示，在沒有拿出具體解決方案的前提下，想在10年內普及固態電池還是顯得不太現實。「在給出時間點的同時，也應當提供具體技術方案和路線，以及研發者對于固態電池的自身定義。不然，單純從固態電池技術角度看，在規劃時間內不可能實現量產。如果某些企業自稱能夠快速量產固態電池，那應當明確他們對于所生產的『固態電池』的定義。」
今年一月，蔚來在微信公眾號發表了一篇名為《蔚來發布150kWh固態電池》的文章，然而文中對電解質的描述是「安全，高效的固液電解質」，這與固態電池的定義「使用固體電極和固體電解質的電池存在出入」。事后蔚來創始人李斌也公開承認，所謂的固態電池其實是固液混合電池，雖然較原有鋰電池技術有突破，但也并不是革命性的突破。
（蔚來文章截圖）
對此，中國汽車流通協會常務理事賈新光曾表示：「固態電池應當就是全固態，不然就只是偽概念。」「固態電池現在在國際上也沒有突破的進展，但有一種過渡方案，就是加一點液體電解質，但是一點是多少呢？」其實，直到目前還有一些學者認為，企業及媒體對固態電池的炒作，與對納米、石墨烯的炒作是一樣的，都過于高估其可行性了。
而蘇州大學能源學院的黃程教授則在之前的采訪中表示，使用固液電解質的電池可以看作是廣義上的固態電池，「只要液體不流動，就可以叫做固態。固液混合的電解質也可以，這不稀奇的。」黃程教授也說現在手機和平板所使用的凝膠電池也是類似與固液混合電池的。
央廣網報道稱「這是固態電池到來前的一個過渡方案，也就是同時使用固態電解質和電解液，但是兩者混合的比例和安全性目前在國際上還沒有定論。」
（固態鋰電池與傳統鋰電池對比）
技術難點：電解質、性能、工藝
早在2017年12月，豐田就曾表示將在2020年初開始生產固態電池，但是在2019年，豐田研發部負責人寺重茂樹（Shigeki Terashi）表示，豐田只會在東京奧運會技術展中推出一款使用固態電池供電的電動汽車，且在2030年之前不會銷售使用固態電池的車輛。他說：「我們將生產配備固態電池的汽車，并在2020年展示該產品，但批量生產固態電池的時間將稍晚一些。」然而隨著東京奧運會的推遲，改款原型車至今仍未得到展示。
目前來看，固態鋰電池所面臨的技術難點，首先是固態電解質材料中的鋰離子電導率偏低——固態電解質有三種：聚合物電解質需要加熱到60℃才可以獲得足夠的導電率；氧化物電解質中鋰離子的電導率比液態要低很多；硫化物電解質中的鋰離子導電率跟液態相近但是易氧化產生有毒氣體。
而且，相關電池專家也對Auto Byte表示， 固態電池面臨的難點不光是電解質的問題，還包括循環性能差、固固界面的反應機理及機制問題，以及鋰負極的可充性等等。例如，固體電極與固體電解質界面的接觸性和穩定性差，固體/固體界面接觸無潤滑性，會導致內阻加大，循環性能變差。最后，固態電解質中的鋰反復充放電的循環性和安全性還需要繼續研究。再加上固體電解質成本較高，全固態電解質鋰電池制作工藝復雜，也使得固體電池成本高昂。
即便如此，「5-10年實現普及」仍舊是多家車企和研發機構發布的目標。例如除了車企之外，國軒高科工程研究院常務副院長徐興無也表示，固態電池實現規模化商用預計要到2025年；國內動力電池的龍頭企業寧德時代也表示預計固態電池上市需要等到2030年等等。這也為什么，像Solid Power和QuantumScape這樣的固態電池創新型企業會受到資本市場的熱捧。
神速量產，依靠什么解決方案？
技術解決方案以及企業對固態電池的定義，無疑將成為企業吸引投資以及量產可行性的參考要素。
首先，從固態電池定義來看，Solid Power 和QuantumScape都是只研發生產全固態電池，而且研發進度比較超前，明年就能初步裝車應用。其實，早在2018年，大眾集團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電池的電動汽車。當時，大眾也早已開始對QuantumScape投資。
（大眾集團在德國薩爾茨吉特的電池研發工廠）
既然前提是「只生產全固態電池」，那么，在技術上如何實現，在雙方提出的解決方案上也可窺出一二。只是，關鍵信息仍處于保密階段。
QuantumScape在固態電池研發領域最領先的技術優勢是 他們使用特種陶瓷制成的正負極隔膜。該公司對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致電池內短路，并且在實驗室中對4層電池循環充電超過800次后，仍保持80%以上的電池容量。同時，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。在電池結構中，QuantumScape取消了傳統電池中的人造陽極設計，充電時鋰金屬會從陰極上分離，通過陶瓷隔膜沉積在隔膜另一側，形成鋰金屬陽極。
但是電動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汽車上進行商用的。目前QuantumScape所進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。密歇根大學的材料學教授杰夫·坂本（Jeff Sakamoto）與QuantumScape同樣在進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，「當電池開始形成枝晶時，他們可以阻止，讓電流逆轉。如果小心控制，就能繞開枝晶問題。」他認為該公司只是找到了一種巧妙的電池操縱方法，并不是在材料學上做出突破。而QuantumScape的競爭對手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電池ASSB將于今年投入量產，該公司稱ASSB不含任何液體或是凝膠物質，是真正意義上的固態電池。ASSB在生產技術方面并沒有看出太多的革新，正如Solid Power官網中寫到的一樣，「簡單地把最先進的陰極與鋰金屬陽極組合在一起」。ASSB的制作使用常規加工工藝以及設備，生產方式也為常見的卷對卷制程，與現在的鋰離子電池生產線高度兼容， 其主要優勢在于高容量的復合陰極，可以提供相當于市面上最先進的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）
不過ASSB在追求與現有制造設備兼容性的同時，難免會犧牲一部分性能。Solid Power在去年歐洲先進汽車電池會議（AABC）中提供的數據顯示，22層的ASSB經過30次循環充電容量就會下降到80%以下，電池能量密度較低，充電速度相比于QuantumScape的產品也較慢。
對于電解質，目前在市場上，包括寧德時代、三星和LG Chem在內的多數大型電池生產商的重點都放在硫化物電解質上。「硫化物具有可擴展性，我們可以在室溫下對其進行處理，并且可將其結構塑造得更適合商用。」加州大學圣地亞哥分校（UCSD）納米工程系的科學家達倫·譚（Darren Tan）說，氧化物更易碎，并且需要更高的燒結溫度，而聚合物在室溫下的導電性表現一直不太理想。
像UCSD一樣，Solid Power也專注于硫化物電解質的研發。「我們認為硫化物具有最全面的特性，」布特納-加勒特說，「目前，大多數OEM和汽車制造商都將重點放在硫化物電解質上。許多人將聚合物視為進入固態電解質的第一步，而當今大多數氧化物電解質僅限于學術界。」
總體來看，各家研發機構、廠商對于固態電池的研發規劃有些大同小異。UCSD的達倫表示：「現在固態電池發展的大多數阻礙都是在工程技術上，而不是在固態電池的理論科學之中。」如今，固態電池已不再是一項遙不可及的技術，可它的商業化應用還有待長期的測試和驗證。在全面開始制造之前，固態電池還需要經過大量的原型設計與中試生產，因為 不光是其性能表現需要符合人們的預期，其成本也需要逐步下降至可接受范疇。或許就如達倫所推測的，固態電池要是想有更深的市場滲透率，還是要依靠經濟環境與政府的扶持策略。
(責任編輯：子蕊)
微信公眾號