电动车都在等待的固态电池技术

汽车行业随着各地区因法规与市场转向的压力，目前许多相关公司都在开发用于电动车的固态锂电池。固态电池有望实现快速充放电、更长的生命周期、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考虑固态技术的主要因素。固态电池在充放电循环中携带锂离子的电荷的易燃液态电解质被固体电解质代替。据ABI Research称，这些电池技术的不断改进可以到2028年满足1亿辆电动车的电池需求。实际上，ABI的首席分析师James Hodgson说：“锂硅和固态是面向未来的动力电池技术，它们将提高性能、能量密度、降低成本，提高续航。在未来七年中，仅硅材料的添加就将使电动车从2019年的800万辆增加到2025年的4000万辆，因为消费者的里程焦虑逐渐在减轻。”

在过去几年中，固态电池的一些玩家展示了原型产品并宣布了商业化日期，只是大部分都修改了他们的原计划，推迟了量产时间。YoleDéveloppement的功率电子和电池的首席分析师Milan Rosina博士表示：“尽管经历了几十年的发展，但许多技术挑战仍未解决。”Yole最新的固态电池报告指出，大规模生产将在2022年开始，到2025年会占传统锂电池市场的不到1％。但当大型固态电池制造商进入时，情况将会改变。实际上，根据Rosina所说：“为了使固态电池商业化，产业链中四种不同的技术参与者正在共同分享知识并克服挑战”。这四种公司分别是固态电解质、设备、电池和整车领域的公司。但由于工作仍在推进中，因此目前还没有可以商用的批量生产的固态电池。

Yole认为，需要开发的关键技术领域包括电解质材料筛选、离子电导率增强、电解质/电极界面稳定性、锂金属负极、电池和电池组制造方法、电池管理系统以及电池包设计。Yole的分析师确定目前有100多家公司和研发小组正在参与固态电池开发。

固态电池的开发者
丰田、大众、宝马、戴姆勒和现代等主要OEM，以及新进的戴森和菲斯克都加入了固态电池开发的行列，计划开发比传统电动车更安全、更轻便、更耐久的EV/HEV。结果，开发固态电池的公司和财团的数量增加了。一个例子是日本的锂电池技术和评估中心（LIBTEC），该联盟由30家公司组成，包括重量级的丰田、日产、本田和松下。Rosina断言：“分享四个主要技术领域的技术知识对于固态电池的商业化至关重要。”

在日本经济产业省和新能源与产业技术发展组织的支持下，LIBTEC希望开发一种固态电池，到2030年可以将电动车的续驶里程从400㎞（249mile）增加到800㎞（497mile）。目前，目标是到2025年实现550㎞（342mile）续航。这项工作由2019年诺贝尔化学奖得主Akira Yoshino博士领导，他是旭化成公司的名誉研究员，日本名古屋名城大学的教授。他与德州奥斯汀分校的John B. Goodenough和纽约州立大学宾汉姆顿分校的M. Stanley Whittingham共同获得了2019诺贝尔化学奖。

LIBTEC是第一个由汽车、电池和材料企业构成的组织，致力于开发容量为800Wh/L的标准固态锂电池。通过设定固态电池的标准，日本公司希望重新夺回其全球主导地位。在过去的几年中，日本的动力电池供应商被中韩供应商抢去了大量市场份额。

更多的投资者
为了加快固态电池的开发，电池供应商、汽车OEM已开始对该技术进行投资。尽管取得了令人鼓舞的进步，但在固态电池正式应用于汽车领域之前，仍有许多障碍需要跨越。例如，大众对QuantumScape进行了$1亿的投资，QuantumScape是一家从斯坦福大学分拆出来的固态电池初创公司。QuantumScape的CEO Jagdeep Singh在一份声明中说：“我们认为，更长续航、更快充电时间以及固态技术的固有安全性将成为下一代电动化动力总成的关键推动力。”

同样，福特向固态电池公司Solid Power投资了$2,000万。Solid Power的全自动卷对卷生产设施去年已投入使用。Solid Power的战略业务开发主管Dean Frankel说：“从最初的2Ah电池，到Q1末，Solid Power的自动化试生产线已能够生产用于更大电池组的20Ah电池了。”他补充说，公司希望在未来5-9年内将该技术商业化，计划在2027年为汽车应用提供大型电池。实际上，根据Frankel的说法，他们希望在2022年之前展示商用的固态动力电池。根据Solid Power的说法，“通过将最先进的正极与金属锂负极相结合，固态电池与当前的锂电池相比，能量密度可以增加50％。更先进的正极技术也可以使能量密度得到很大改善，这是Solid Power的另一个发展领域。”他们最初的技术是从科罗拉多大学Boulder分校获得许可的。除了福特，宝马和现代，还有A123 Systems也是Solid Power的投资方。

A123还在与一家先进材料公司Ionic Materials合作开发固态电池。通过将Ionic Materials先进的离子导电聚合物固态电解质与石墨负极和金属氧化物正极相结合，他们计划通过使用大容量的锂离子生产设备来制造全尺寸的固态电池，可以大幅降低成本，并使电动车更安全、轻便，系统复杂性也会降低。他们表示：“这种独特的方法有望使固态技术最早在2022年进入市场。通过不使用锂金属等稀有电极，含固态聚合物电解质的固态电池可以被更快地推向市场。”Ionic Materials的CEO Mike Zimmerman在一次新闻发布会中说：“我们两家公司之间合作产生了协同作用，这是在不断发展的电池领域取得成功所必需的。我们期待在这项技术的商业化方面会继续取得成功。”

今年早些时候，戴姆勒牵头对Sila Nanotechnologies进行了$1.7亿的E轮融资。Sila开发了一种硅负极（而非石墨）提高了锂电池的效率。丰田也正在为自己的电动化计划开发固态电池，并且最近与松下进行合作。

在政府方面，美国能源部已授予通用$200万用于研发固态电池。这笔钱将精确地分为两部分。虽然将有$100万美元用于对固态电池界面现象的基本了解，但另外$100万将用于研究用硫化物玻璃电解质对所有增强型固态电池进行热压的方法。在2014年的一项研究表明，所有带有硫化玻璃电解质的块状固态电池在室温下均具有出色的循环性能。因此，它可以在将固态电池推向市场中发挥关键作用。

欧洲和亚洲
在2019年6月的欧洲电动车电池峰会期间，imec宣布已将其固态锂金属电池的能量密度提高了一倍，并正在比利时Genk的试生产线扩大生产。为了在0.5C（2h）下达到400Wh/L的能量密度，研究人员将固态纳米复合电解质与标准的磷酸锂铁正极和锂金属负极结合使用。imec的目标是到2024年在2–3C（不到半小时）达到1,000 Wh/L的能量密度。据imec称，固态纳米复合电解质具有高达10mS/㎝的超高电导率，甚至有可能达到更高的水平。新材料的一个显着特征是它通过湿化学涂层以液态形式应用，并在电极中转化为固态。因此，imec表示，这种材料非常适合浇铸到密度大的电极中，在其中填充所有的腔体并确保最大程度的接触，就像液态电解质一样。

根据imec的描述，可以通过稍微改良现有的锂电池生产线来完成电池的组装。因此，该技术不需要昂贵的投资就可以从湿电池转换到固态电池。该试生产线位于比利时Genk的imec EnergyVille园区，是与比利时哈瑟尔特大学合作建立的，能够制造5Ah的软包电池原型。imec的科学总监在一份声明中说：“试生产线使我们可以采取下一步行动，并使用类似于湿电池的制造工艺，在与工业相关的工艺和形式上取得更大的突破。”

imec表示，将新兴的固态电池技术推向市场将需要全球主要材料和电池供应商之间的彼此合作与承诺。因此，它的电池研究和开发是一个开放的合作项目，与所有相关方都可以合作。在中国，由清华大学派生出来的清陶能源已在昆山部署了固态电池的生产线。天际与辉能达成了固态电池合作协议，辉能称其产品的能量密度可达400Wh/㎏。根据该协议，天际将在其最新的ME-S高端运动轿车中使用辉能的固态锂陶瓷电池（LCB）技术。固态LCB有望提供750Wh/L的能量密度。根据辉能的说法，与传统锂电池不同，其固态LCB技术不需要任何保护电路，本质上是安全的，没有泄漏。

同时，丰田还与松下合作，根据其电动化计划开发固态电池。为了实现这一目标，丰田表示将在今年东京奥运会上首次推出配备固态电池的原型电动车，但量产要到2025年左右才能实现。

与其他公司不同，特斯拉继续推进着传统的湿式锂离子技术，并与加拿大Dalhousie大学合作开发新的化学配方。根据特斯拉的新闻稿，这项新技术可提供与固态电池相当的能量密度，同时保持与当今锂电池相同的形式。

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