汽車行業(yè)隨著各地區(qū)因法規(guī)與市場(chǎng)轉(zhuǎn)向的壓力，目前許多相關(guān)公司都在開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)車的固態(tài)鋰電池。固態(tài)電池有望實(shí)現(xiàn)快速充放電、更長(zhǎng)的生命周期、更高的能量密度、更低的成本，并提供更高的安全性。除了性能提高外，安全性是促使OEM考慮固態(tài)技術(shù)的主要因素。固態(tài)電池在充放電循環(huán)中攜帶鋰離子的電荷的易燃液態(tài)電解質(zhì)被固體電解質(zhì)代替。據(jù)ABI Research稱，這些電池技術(shù)的不斷改進(jìn)可以到2028年滿足1億輛電動(dòng)車的電池需求。實(shí)際上，ABI的首席分析師James Hodgson說(shuō)：“鋰硅和固態(tài)是面向未來(lái)的動(dòng)力電池技術(shù)，它們將提高性能、能量密度、降低成本，提高續(xù)航。在未來(lái)七年中，僅硅材料的添加就將使電動(dòng)車從2019年的800萬(wàn)輛增加到2025年的4000萬(wàn)輛，因?yàn)橄M(fèi)者的里程焦慮逐漸在減輕。”

在過(guò)去幾年中，固態(tài)電池的一些玩家展示了原型產(chǎn)品并宣布了商業(yè)化日期，只是大部分都修改了他們的原計(jì)劃，推遲了量產(chǎn)時(shí)間。YoleDéveloppement的功率電子和電池的首席分析師Milan Rosina博士表示：“盡管經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，但許多技術(shù)挑戰(zhàn)仍未解決。”Yole最新的固態(tài)電池報(bào)告指出，大規(guī)模生產(chǎn)將在2022年開(kāi)始，到2025年會(huì)占傳統(tǒng)鋰電池市場(chǎng)的不到1％。但當(dāng)大型固態(tài)電池制造商進(jìn)入時(shí)，情況將會(huì)改變。實(shí)際上，根據(jù)Rosina所說(shuō)：“為了使固態(tài)電池商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)鏈中四種不同的技術(shù)參與者正在共同分享知識(shí)并克服挑戰(zhàn)”。這四種公司分別是固態(tài)電解質(zhì)、設(shè)備、電池和整車領(lǐng)域的公司。但由于工作仍在推進(jìn)中，因此目前還沒(méi)有可以商用的批量生產(chǎn)的固態(tài)電池。

Yole認(rèn)為，需要開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域包括電解質(zhì)材料篩選、離子電導(dǎo)率增強(qiáng)、電解質(zhì)/電極界面穩(wěn)定性、鋰金屬負(fù)極、電池和電池組制造方法、電池管理系統(tǒng)以及電池包設(shè)計(jì)。Yole的分析師確定目前有100多家公司和研發(fā)小組正在參與固態(tài)電池開(kāi)發(fā)。

固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)者
豐田、大眾、寶馬、戴姆勒和現(xiàn)代等主要OEM，以及新進(jìn)的戴森和菲斯克都加入了固態(tài)電池開(kāi)發(fā)的行列，計(jì)劃開(kāi)發(fā)比傳統(tǒng)電動(dòng)車更安全、更輕便、更耐久的EV/HEV。結(jié)果，開(kāi)發(fā)固態(tài)電池的公司和財(cái)團(tuán)的數(shù)量增加了。一個(gè)例子是日本的鋰電池技術(shù)和評(píng)估中心（LIBTEC），該聯(lián)盟由30家公司組成，包括重量級(jí)的豐田、日產(chǎn)、本田和松下。Rosina斷言：“分享四個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)對(duì)于固態(tài)電池的商業(yè)化至關(guān)重要。”

在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展組織的支持下，LIBTEC希望開(kāi)發(fā)一種固態(tài)電池，到2030年可以將電動(dòng)車的續(xù)駛里程從400㎞（249mile）增加到800㎞（497mile）。目前，目標(biāo)是到2025年實(shí)現(xiàn)550㎞（342mile）續(xù)航。這項(xiàng)工作由2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Akira Yoshino博士領(lǐng)導(dǎo)，他是旭化成公司的名譽(yù)研究員，日本名古屋名城大學(xué)的教授。他與德州奧斯汀分校的John B. Goodenough和紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校的M. Stanley Whittingham共同獲得了2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

LIBTEC是第一個(gè)由汽車、電池和材料企業(yè)構(gòu)成的組織，致力于開(kāi)發(fā)容量為800Wh/L的標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)鋰電池。通過(guò)設(shè)定固態(tài)電池的標(biāo)準(zhǔn)，日本公司希望重新奪回其全球主導(dǎo)地位。在過(guò)去的幾年中，日本的動(dòng)力電池供應(yīng)商被中韓供應(yīng)商搶去了大量市場(chǎng)份額。

更多的投資者
為了加快固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)，電池供應(yīng)商、汽車OEM已開(kāi)始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行投資。盡管取得了令人鼓舞的進(jìn)步，但在固態(tài)電池正式應(yīng)用于汽車領(lǐng)域之前，仍有許多障礙需要跨越。例如，大眾對(duì)QuantumScape進(jìn)行了$1億的投資，QuantumScape是一家從斯坦福大學(xué)分拆出來(lái)的固態(tài)電池初創(chuàng)公司。QuantumScape的CEO Jagdeep Singh在一份聲明中說(shuō)：“我們認(rèn)為，更長(zhǎng)續(xù)航、更快充電時(shí)間以及固態(tài)技術(shù)的固有安全性將成為下一代電動(dòng)化動(dòng)力總成的關(guān)鍵推動(dòng)力。”

同樣，福特向固態(tài)電池公司Solid Power投資了$2,000萬(wàn)。Solid Power的全自動(dòng)卷對(duì)卷生產(chǎn)設(shè)施去年已投入使用。Solid Power的戰(zhàn)略業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)主管Dean Frankel說(shuō)：“從最初的2Ah電池，到Q1末，Solid Power的自動(dòng)化試生產(chǎn)線已能夠生產(chǎn)用于更大電池組的20Ah電池了。”他補(bǔ)充說(shuō)，公司希望在未來(lái)5-9年內(nèi)將該技術(shù)商業(yè)化，計(jì)劃在2027年為汽車應(yīng)用提供大型電池。實(shí)際上，根據(jù)Frankel的說(shuō)法，他們希望在2022年之前展示商用的固態(tài)動(dòng)力電池。根據(jù)Solid Power的說(shuō)法，“通過(guò)將最先進(jìn)的正極與金屬鋰負(fù)極相結(jié)合，固態(tài)電池與當(dāng)前的鋰電池相比，能量密度可以增加50％。更先進(jìn)的正極技術(shù)也可以使能量密度得到很大改善，這是Solid Power的另一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。”他們最初的技術(shù)是從科羅拉多大學(xué)Boulder分校獲得許可的。除了福特，寶馬和現(xiàn)代，還有A123 Systems也是Solid Power的投資方。

A123還在與一家先進(jìn)材料公司Ionic Materials合作開(kāi)發(fā)固態(tài)電池。通過(guò)將Ionic Materials先進(jìn)的離子導(dǎo)電聚合物固態(tài)電解質(zhì)與石墨負(fù)極和金屬氧化物正極相結(jié)合，他們計(jì)劃通過(guò)使用大容量的鋰離子生產(chǎn)設(shè)備來(lái)制造全尺寸的固態(tài)電池，可以大幅降低成本，并使電動(dòng)車更安全、輕便，系統(tǒng)復(fù)雜性也會(huì)降低。他們表示：“這種獨(dú)特的方法有望使固態(tài)技術(shù)最早在2022年進(jìn)入市場(chǎng)。通過(guò)不使用鋰金屬等稀有電極，含固態(tài)聚合物電解質(zhì)的固態(tài)電池可以被更快地推向市場(chǎng)。”Ionic Materials的CEO Mike Zimmerman在一次新聞發(fā)布會(huì)中說(shuō)：“我們兩家公司之間合作產(chǎn)生了協(xié)同作用，這是在不斷發(fā)展的電池領(lǐng)域取得成功所必需的。我們期待在這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化方面會(huì)繼續(xù)取得成功。”

今年早些時(shí)候，戴姆勒牽頭對(duì)Sila Nanotechnologies進(jìn)行了$1.7億的E輪融資。Sila開(kāi)發(fā)了一種硅負(fù)極（而非石墨）提高了鋰電池的效率。豐田也正在為自己的電動(dòng)化計(jì)劃開(kāi)發(fā)固態(tài)電池，并且最近與松下進(jìn)行合作。

在政府方面，美國(guó)能源部已授予通用$200萬(wàn)用于研發(fā)固態(tài)電池。這筆錢將精確地分為兩部分。雖然將有$100萬(wàn)美元用于對(duì)固態(tài)電池界面現(xiàn)象的基本了解，但另外$100萬(wàn)將用于研究用硫化物玻璃電解質(zhì)對(duì)所有增強(qiáng)型固態(tài)電池進(jìn)行熱壓的方法。在2014年的一項(xiàng)研究表明，所有帶有硫化玻璃電解質(zhì)的塊狀固態(tài)電池在室溫下均具有出色的循環(huán)性能。因此，它可以在將固態(tài)電池推向市場(chǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

歐洲和亞洲
在2019年6月的歐洲電動(dòng)車電池峰會(huì)期間，imec宣布已將其固態(tài)鋰金屬電池的能量密度提高了一倍，并正在比利時(shí)Genk的試生產(chǎn)線擴(kuò)大生產(chǎn)。為了在0.5C（2h）下達(dá)到400Wh/L的能量密度，研究人員將固態(tài)納米復(fù)合電解質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鋰鐵正極和鋰金屬負(fù)極結(jié)合使用。imec的目標(biāo)是到2024年在2–3C（不到半小時(shí)）達(dá)到1,000 Wh/L的能量密度。據(jù)imec稱，固態(tài)納米復(fù)合電解質(zhì)具有高達(dá)10mS/㎝的超高電導(dǎo)率，甚至有可能達(dá)到更高的水平。新材料的一個(gè)顯著特征是它通過(guò)濕化學(xué)涂層以液態(tài)形式應(yīng)用，并在電極中轉(zhuǎn)化為固態(tài)。因此，imec表示，這種材料非常適合澆鑄到密度大的電極中，在其中填充所有的腔體并確保最大程度的接觸，就像液態(tài)電解質(zhì)一樣。

根據(jù)imec的描述，可以通過(guò)稍微改良現(xiàn)有的鋰電池生產(chǎn)線來(lái)完成電池的組裝。因此，該技術(shù)不需要昂貴的投資就可以從濕電池轉(zhuǎn)換到固態(tài)電池。該試生產(chǎn)線位于比利時(shí)Genk的imec EnergyVille園區(qū)，是與比利時(shí)哈瑟爾特大學(xué)合作建立的，能夠制造5Ah的軟包電池原型。imec的科學(xué)總監(jiān)在一份聲明中說(shuō)：“試生產(chǎn)線使我們可以采取下一步行動(dòng)，并使用類似于濕電池的制造工藝，在與工業(yè)相關(guān)的工藝和形式上取得更大的突破。”

imec表示，將新興的固態(tài)電池技術(shù)推向市場(chǎng)將需要全球主要材料和電池供應(yīng)商之間的彼此合作與承諾。因此，它的電池研究和開(kāi)發(fā)是一個(gè)開(kāi)放的合作項(xiàng)目，與所有相關(guān)方都可以合作。在中國(guó)，由清華大學(xué)派生出來(lái)的清陶能源已在昆山部署了固態(tài)電池的生產(chǎn)線。天際與輝能達(dá)成了固態(tài)電池合作協(xié)議，輝能稱其產(chǎn)品的能量密度可達(dá)400Wh/㎏。根據(jù)該協(xié)議，天際將在其最新的ME-S高端運(yùn)動(dòng)轎車中使用輝能的固態(tài)鋰陶瓷電池（LCB）技術(shù)。固態(tài)LCB有望提供750Wh/L的能量密度。根據(jù)輝能的說(shuō)法，與傳統(tǒng)鋰電池不同，其固態(tài)LCB技術(shù)不需要任何保護(hù)電路，本質(zhì)上是安全的，沒(méi)有泄漏。

同時(shí)，豐田還與松下合作，根據(jù)其電動(dòng)化計(jì)劃開(kāi)發(fā)固態(tài)電池。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，豐田表示將在今年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)上首次推出配備固態(tài)電池的原型電動(dòng)車，但量產(chǎn)要到2025年左右才能實(shí)現(xiàn)。

與其他公司不同，特斯拉繼續(xù)推進(jìn)著傳統(tǒng)的濕式鋰離子技術(shù)，并與加拿大Dalhousie大學(xué)合作開(kāi)發(fā)新的化學(xué)配方。根據(jù)特斯拉的新聞稿，這項(xiàng)新技術(shù)可提供與固態(tài)電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，同時(shí)保持與當(dāng)今鋰電池相同的形式。

[參考文章]
Electric Vehicle Batteries Eye Solid-State Technology — Ashok Bindra