編者按：為了提供更便宜、更安全且能夠一次充電行駛800公里的電動(dòng)汽車，汽車行業(yè)需要在電池技術(shù)方面取得突破。使用固體材料代替易燃液體來實(shí)現(xiàn)充電和放電，固態(tài)電池技術(shù)可以降低電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，減薄電芯，允許在汽車座椅下安裝體積更小的電池PACK。該技術(shù)有望對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池組進(jìn)行重大改進(jìn)。
汽車的演變歷史從某種層面來看其實(shí)是電池演變的一面鏡子。如果動(dòng)力電池技術(shù)一直停滯不前，電動(dòng)汽車可能將被繼續(xù)埋在塵埃中。固態(tài)電池被視為電動(dòng)汽車加速取代內(nèi)燃機(jī)車的希望。
為了提供更便宜、更安全且能夠一次充電行駛800公里的電動(dòng)汽車，汽車行業(yè)需要在電池技術(shù)方面取得突破。
但是，說起來容易做起來難。
日本、中國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家正在努力破解如何顯著提高電池存儲(chǔ)能力，并使EV的行駛里程與汽油車相近的密碼。
不少人將希望放在固態(tài)電池技術(shù)身上。這是電池內(nèi)部架構(gòu)的徹底改造，使用固體材料代替易燃液體來實(shí)現(xiàn)充電和放電。該技術(shù)有望對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池組進(jìn)行重大改進(jìn)?，F(xiàn)有鋰電池的存儲(chǔ)能力正接近瓶頸，并且可能永遠(yuǎn)無法為長(zhǎng)距離續(xù)航的車型提供足夠的電。
如果能夠掌握，固態(tài)電池技術(shù)將加速內(nèi)燃機(jī)汽車的滅亡，并可將電動(dòng)汽車的充電時(shí)間從多達(dá)幾個(gè)小時(shí)削減至10分鐘左右。
“除了固態(tài)電池技術(shù)，我們看不到其他實(shí)現(xiàn)的方式，”福特汽車能源存儲(chǔ)戰(zhàn)略及研究總部負(fù)責(zé)人Ted Miller：“我現(xiàn)在無法預(yù)測(cè)的是，誰將把它商業(yè)化。”
固態(tài)電池多久可以商業(yè)化？
商業(yè)化的賭注是巨大的，也足夠誘人。
隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)用，鋰離子電池呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。BloombergNEF的最新報(bào)告發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)公交車和乘用車在2017年的鋰離子電池需求量為44千兆瓦時(shí)，到2030年，預(yù)計(jì)需求量將超過每年1,500千兆瓦時(shí)。根據(jù)瑞銀集團(tuán)（UBS Group AG）的數(shù)據(jù)，任何具有超過現(xiàn)有鋰離子技術(shù)的固態(tài)電池都可在電動(dòng)車電池的市場(chǎng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。到2025年車載鋰電池市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約840億美元，而現(xiàn)在約為230億美元。
當(dāng)前，性能最佳的固態(tài)電池僅足以支撐一座汽車橫穿富士山附近的豐田汽車停車場(chǎng)。
不少企業(yè)、高校已參與到固態(tài)電池的研發(fā)中，如戴姆勒、菲斯科、中國(guó)鋰電巨頭、法國(guó)石油公司道達(dá)爾以及麻省理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)的衍生企業(yè)。菲斯科最早可能會(huì)在今年進(jìn)行車輛測(cè)試，而豐田和戴姆勒的時(shí)間表可延伸至2020年。
鋰離子電池技術(shù)在運(yùn)用于電動(dòng)汽車和能源儲(chǔ)存之前，已在移動(dòng)電話和個(gè)人電子產(chǎn)品上被使用了數(shù)十年。它使用液體電解質(zhì)供離子在陽極和陰極之間來回穿梭，以對(duì)電池充電或放電。顧名思義，固態(tài)電池用固體材料，如陶瓷、玻璃或聚合物，代替這種液體。
固態(tài)電池技術(shù)可以降低電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，減薄電芯，允許在汽車座椅下安裝體積更小的電池PACK。研究人員還希望將固體電解質(zhì)與鋰金屬陽極配對(duì)，以提高能量密度，使電動(dòng)汽車能夠長(zhǎng)距離行駛。這可能有助于消除消費(fèi)者對(duì)中途電量耗盡的擔(dān)憂，從而提振電動(dòng)汽車的銷量。
要實(shí)現(xiàn)這一切，需要解決一系列難題。當(dāng)前的固態(tài)原型電池壽命對(duì)于車輛而言還太短，并且導(dǎo)電性差，成本不具競(jìng)爭(zhēng)性，以及在充電或放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)劇烈膨脹和材料收縮的情況。日本鋰離子電池技術(shù)與評(píng)估中心聯(lián)盟（LIBTEC）常務(wù)董事Yasuo Ishiguro直言，當(dāng)科學(xué)家解決一個(gè)問題時(shí)，通常會(huì)加劇另一個(gè)問題的產(chǎn)生。但問題并沒有阻止企業(yè)的研發(fā)。包括豐田、松下、日產(chǎn)在內(nèi)的25家企業(yè)聯(lián)合起來，在政府9,000萬美元的資助下，正加快研發(fā)固態(tài)電池的進(jìn)度。三星SDI、SKI、現(xiàn)代汽車也正在研究這項(xiàng)技術(shù)。
國(guó)內(nèi)，青島能源研究所將在兩年內(nèi)把固態(tài)電池裝車，進(jìn)行測(cè)試，并在2025年之前考慮商用產(chǎn)品。最大的電池生產(chǎn)商寧德時(shí)代面向新電池的研究中包括固態(tài)電池。
“乘用車領(lǐng)域，我們應(yīng)該在21世紀(jì)20年代初期看到固態(tài)電池原型，”戴姆勒電池研究主管Andreas Hintennach認(rèn)為。這家汽車制造商上個(gè)月剛訂購(gòu)了一批到2030年前價(jià)值230億美元的鋰離子電池。
大眾汽車公司計(jì)劃最快在2022年與合作伙伴QuantumScape開始試生產(chǎn)固態(tài)電池。
然而，考慮到固態(tài)電池應(yīng)用的難度，這些時(shí)間表可能都太樂觀了。“這是一個(gè)殘酷的戰(zhàn)場(chǎng)，至今無人靠近，” Cairn Energy Research Advisors總經(jīng)理Sam Jaffe。
BNEF分析師James Frith表示，大概到20年代末固態(tài)電池才會(huì)被商業(yè)化。即使到那時(shí)，它們?nèi)匀环浅０嘿F。
特斯拉表示，它經(jīng)常與開發(fā)人員交談，并審查固態(tài)電池原型，但尚未看到一種比現(xiàn)有鋰離子電池更好的技術(shù)。 “我們已經(jīng)很努力了，”首席技術(shù)官JB Straubel在6月份的年度會(huì)議上指出：“但我們還沒有發(fā)現(xiàn)更佳選擇。”
特斯拉供應(yīng)商松下表示，它將繼續(xù)研究固態(tài)技術(shù)，盡管在商業(yè)化成為可能之前還存在“許多障礙”。
突破希望在豐田？
根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、學(xué)界和專利數(shù)據(jù)，固態(tài)電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的最大希望在豐田身上。
根據(jù)彭博社的Tommy Shen分析，豐田至少擁有233項(xiàng)關(guān)于固態(tài)電池的專利或申請(qǐng)，幾乎是其直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?jǐn)?shù)量的三倍。該公司計(jì)劃在其電池業(yè)務(wù)上投資1.5萬億日元（約合139億美元）。而且，根據(jù)其去年10月份發(fā)布的年度報(bào)告，它計(jì)劃在21世紀(jì)20年代初將固態(tài)技術(shù)商業(yè)化。
在過去十年中，豐田在東富士研究中心部署多達(dá)200名員工，開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。該公司已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，例如在數(shù)字鐘表、兩輪摩托車和傳送帶中使用固態(tài)電池提供動(dòng)力。隨后豐田將在其單座低速汽車COMS的改裝版本中測(cè)試了該技術(shù)。
福特Miller表示，隨著許多電動(dòng)車電池制造商專注于提升產(chǎn)量和降低成本，豐田的主要挑戰(zhàn)反而是來自于美國(guó)的新創(chuàng)公司。這也是大眾汽車去年投資1億美元來增持QuantumScape股份的原因之一。雙方合作目標(biāo)是使QuantumScape正在開發(fā)中的全固態(tài)電池在2025年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。
雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟則資助了位于馬塞諸州的Ionic Materials Inc.。寶馬在2017年12月份與總部位于科羅拉多州的電池公司Solid Power建立了合作伙伴關(guān)系。后者首席執(zhí)行官Doug Campbell表示，他相信固態(tài)技術(shù)在汽車領(lǐng)域具有商業(yè)可行性。只不過還需要再過5到10年。
從某種意義上講，汽車的演變歷史就是電池的進(jìn)化過程。若論起源，電動(dòng)汽車也已經(jīng)有了180多年的歷史，出現(xiàn)時(shí)間與燃油車不相上下?？摄U酸電池、鎳氫電池均未使電動(dòng)汽車的地位有所突破。直至磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池的升級(jí)才使得部分消費(fèi)者逐步接受電動(dòng)汽車。
若固態(tài)電池商用化，電動(dòng)汽車將加速取代內(nèi)燃機(jī)車的步伐。誰率先掌握這項(xiàng)技術(shù)，也將在未來競(jìng)爭(zhēng)格局中握有更大的話語權(quán)。
原標(biāo)題：固態(tài)電池突破的希望在哪里？
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