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2019年，起火、自燃意外成為了電動汽車的又一個“看點”。僅國內(nèi)，兩個月的時間就有7起自燃事件被爆出，這無疑將動力電池帶來的安全問題推到了風(fēng)口浪尖。
可對于電動汽車而言，追求更高的電池能量密度和更長的行駛里程又是剛需。即便“動力電池不可能完全消除安全隱患”已經(jīng)變成公認(rèn)的事實，一批又一批的高密度高續(xù)航產(chǎn)品仍然不可避免地紛至沓來。
在本屆法蘭克福車展上，高續(xù)航純電動車型再次不出意外地成為了人們關(guān)注的焦點。在這之中，大眾品牌對于電動汽車的“解讀方式”無疑是最大的亮點之一。續(xù)航 330-550km的全新ID.3表現(xiàn)不俗，但在大眾看來，這僅僅是個開始。擁有質(zhì)變級飛躍的固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)在大眾的電動化戰(zhàn)略表中明確體現(xiàn)，只是完全實現(xiàn)商業(yè)化尚需時日。
這種說法讓我們似曾相識，因為在此之前，日本汽車制造商豐田也曾發(fā)表過類似的觀點，將固態(tài)電池視為未來的主攻方向。由此我們不禁發(fā)問，這是否意味著，固態(tài)電池已經(jīng)代表了電動汽車的未來？在安全性上，它的本質(zhì)是天使還是魔鬼？它的到來，將為新能源汽車行業(yè)帶來光明還是陰霾？
什么是固態(tài)電池？
想要弄清這些問題，就要從動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀切入分析。按照電池的物理結(jié)構(gòu)進行分析，目前技術(shù)涵蓋的電池形態(tài)主要分為四種：
液態(tài)／凝膠態(tài)電池是指只含有液體電解質(zhì)，半固態(tài)（Half solid）液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比＜10％，準(zhǔn)固態(tài)／類固態(tài)（Nearly solid）液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比＜5％，全固態(tài)（All Solid）不含有任何液體電解質(zhì)。
按照技術(shù)進展來判定，目前，市場中售賣的純電動車采用的鋰離子或鋰聚合物電池，絕大多數(shù)均屬于液態(tài)／凝膠態(tài)電池，只是由于正極材料的不同，又分為了NCA、NCM等不同的電池種類。而這些元素的不同特性，又會決定不同種類電池之間的能量密度有所差異。
隨著技術(shù)水平的不斷提升，進入2019年以來，越來越多的車型開始配備能量密度更高的NCM811電池。
811的含義是什么？這三個數(shù)字指代的是三元鋰電池正極材料中鎳鈷錳或鎳鈷鋁的配比為8：1：1，因此811電池即三元鋰電池中的一個細(xì)分類型。
需要解釋的是，這三種元素中，鎳的比重越高電池能量密度就越高，但鎳也是金屬活性高的元素，因此它的比重越大電池的安全性也就越低。而鈷元素在三元鋰電池中也起到至關(guān)重要的作用，鈷元素可以提高電池的穩(wěn)定性，同時增加電池的循環(huán)壽命。
綜合以上信息可以看出，目前最先進的811電池?fù)碛械头€(wěn)定性，高能量密度的“雙重人格”，雖然暫時能夠滿足汽車廠商對于車輛續(xù)航里程的需求，但安全性注定是個極大的隱患。且在此之后，除了參照特斯拉NCA（A為鋁元素）三種元素9:0.5:0.5的配比進行升級外，這種傳統(tǒng)意義上的三元鋰電池也很難再有更多的上升空間。權(quán)衡利弊之后，發(fā)展全新形態(tài)的電池技術(shù)，也理所當(dāng)然成為了技術(shù)專家主攻的方向。
那么，既然電池種類成百上千，為什么大家偏偏會選中全固態(tài)電池？
查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，相比于現(xiàn)階段的液態(tài)電池，全固態(tài)電池的優(yōu)勢極其明顯，尤其是在安全層面上，液態(tài)鋰電池于過度快充時會產(chǎn)生“枝晶”，刺穿內(nèi)部隔膜引發(fā)電池短路而起火爆炸的危險。而理論上，固態(tài)鋰電池則可避免此危險發(fā)生。
而在工作原理上，其固態(tài)的電解質(zhì)具有的密度以及結(jié)構(gòu)，可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進而提升電池容量和能量密度。
除此之外，固態(tài)電池的優(yōu)勢可總結(jié)為：
1）循環(huán)壽命長
2）工作溫度范圍寬
3）薄膜柔性化
4）回收方便
5）可快速充電
6）與電極材料相容性好
7）耐潮濕環(huán)境
而相對應(yīng)的，全固態(tài)電池的缺點只有成本高、產(chǎn)能低這些自身屬性之外的因素而已。
豐田、寧德時代領(lǐng)銜，固態(tài)電池研發(fā)進行時
雖然全固態(tài)電池的產(chǎn)品優(yōu)勢頗多，但至今還沒有任何一家企業(yè)能將這項技術(shù)真正用于實踐，由此可見其研發(fā)環(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)。而一個更鮮明的例證就是，雖然全球范圍內(nèi)開展固態(tài)電池研究的機構(gòu)很多，但彼此之間的研發(fā)進展還存在著較大差異。
根據(jù)不完全統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)約有 50 多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高?？蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)。其中，中國院校發(fā)表的相關(guān)SCI 文章居世界首位，而在國際發(fā)明專利方面，日本則占據(jù)了全球范圍內(nèi)的一半以上，豐田更是以26項專利占據(jù)了單一機構(gòu)中的首位。除此之外，在歐美地區(qū)，專攻這一領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司數(shù)量也開始逐漸增多。
如果按照地區(qū)劃分，固態(tài)電池的海外發(fā)展大致集中在法國Bolloré、美國 Sakit3、日本豐田這“三巨頭”身上。他們之中，法國的Bollore的資歷又是最老。
早在2011年10月，Bolloré就開始利用自主開發(fā)的電動汽車“Bluecar”和電動巴士“Bluebus”，在法國巴黎及其郊外提供汽車共享服務(wù)“Autolib”，幾年來已累計投入了 3000 輛搭載 30 kWh的由 BatScap 制造的固態(tài)電池，但尚且沒有在乘用車領(lǐng)域展開攻勢。
美國Sakti3致力于電池技術(shù)的研究已有 20 年，并且擁有 70 余項專利。2015 年 10 月，被真空吸塵器創(chuàng)新者戴森以 9000 萬美金的價格全資收購，以解決應(yīng)用在其產(chǎn)品中的可充電鋰離子電池續(xù)航時間不夠長、安全性有限的問題。
Sakti3 目前存在的最大問題是其采用薄膜沉淀工藝的制造技術(shù)，這就造成其成本居高不下，且在未來降低成本的可能性也不算太大。因此在現(xiàn)階段，其產(chǎn)品只能應(yīng)用于小型家電之中。
與歐美不同，日本則采取 38 家機構(gòu)聯(lián)合的方式研發(fā)全固態(tài)鋰電池，豐田是其中的龍頭。2018年4月啟動的該項目預(yù)計總投資 100 億日元，聯(lián)合機構(gòu)包括了豐田、本田、日產(chǎn)、松下等 23 家汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等 15 家學(xué)術(shù)機構(gòu)將共同參與研究，計劃到2022 年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，這家規(guī)模最大的聯(lián)合機構(gòu)普遍最被看好。
回到國內(nèi)，由寧德時代領(lǐng)銜的“五小龍”（寧德時代、江蘇清陶、珈偉股份、贛鋒鋰業(yè)、北京衛(wèi)藍）也早已對全固態(tài)電池展開深入研究，但發(fā)展路徑卻存在很大差異。
CATL 以硫化物電解質(zhì)為主要研發(fā)方向。目前，容量為 325 mAh能量密度為 300 Wh／kg 的聚合物鋰金屬固態(tài)電池 300 周循環(huán)以上剩余 82％，但也由此可見，距離真正投入商業(yè)化尚有一定的差距。
中場逼近，固態(tài)電池路在何方？
既然每家企業(yè)都無法做到獨當(dāng)一面，那么固態(tài)電池大規(guī)模應(yīng)用于量產(chǎn)電動車究竟有多遙遠(yuǎn)？在這個問題上，不同主機廠給出的答案，是不一樣的。
“保守派”如大眾汽車。大眾汽車集團管理董事會主席迪斯在接受汽車頭條APP采訪時明確表示，關(guān)于全固態(tài)電池量產(chǎn)或工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)劃將在2023年至2024年間實施，雖然還有幾年時間，但與大眾汽車集團的整體發(fā)展步調(diào)保持一致。
而在技術(shù)領(lǐng)域上，大眾汽車品牌電池卓越中心負(fù)責(zé)人Frank Blome的態(tài)度則更加保守。他向在場媒體坦言，堅信有朝一日固態(tài)電池會投放市場，但至今，大眾還沒有在電解質(zhì)材料上做出最終的決定。因此，固態(tài)電池產(chǎn)品化或投入到整車之中，最早也要到2025年。
“激進派”如豐田。在豐田電動化戰(zhàn)略，也就是到2025年豐田旗下所有車型，包括雷克薩斯車型全部都要完成新能源化的目標(biāo)下，豐田汽車執(zhí)行副總裁，研發(fā)主管寺師茂樹曾公開表示，研發(fā)新型固態(tài)電池的節(jié)奏要逐步加快，并預(yù)計將于2020年的夏季奧運會到來之前正式推出市場。
這一方案，比大眾至少提前了3年。但能否如愿實現(xiàn)，目前看來尚無定論。
的確，相比歐美等新創(chuàng)企業(yè)而言，豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域的探索要早得多，同時投入的精力也更多。在堅定地側(cè)重于硫化物固態(tài)電池研發(fā)工作多年后豐田通過基礎(chǔ)技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了將全固態(tài)電池的體積功率密度提高到約2.5 kW / L。與此同時，體積能量密度成功地提高到了高達約400wh/ L，相當(dāng)于2010年左右的鋰離子電池（LIB）大約2倍的水平。
但實驗數(shù)據(jù)畢竟無法與商業(yè)化直接劃等號。今年6月，豐田汽車公司宣布與中國電池制造商寧德時代合作，以加快向電動汽車的轉(zhuǎn)變。而在合作項目上，固態(tài)電池位列其中，這一點似乎更加耐人尋味。
據(jù)知情人士透露，這很有可能是豐田固態(tài)電池研發(fā)進展不如預(yù)期，甚至可能不理想，至少短期內(nèi)無法實現(xiàn)量產(chǎn)。但與寧德時代直接掛鉤，以為著中國團隊科研力量的加盟。競爭優(yōu)勢提升之后，豐田如愿完成2020年的技術(shù)落地也并非無法完成。
兵馬未動糧草先行，相比之下，大眾在固態(tài)電池的發(fā)展進度上看似落后，實則更早地在商業(yè)模式上展開了探索。
為擺脫亞洲電池制造商的依賴，同時在電池領(lǐng)域取得領(lǐng)先技術(shù)，今年6月份，大眾集團宣布向美國加州科技公司QuantumScape公司投資1億美元，共同建立一家合資公司用來研究固態(tài)電池技術(shù)，大眾派遣一位高管擔(dān)任QuantumScape董事會成員。按照計劃，雙方落實固態(tài)電池的時間點是2025年，與Frank Blome所述的時間點相吻合。
值得一提的是，大眾早在2014年12月已經(jīng)持有QuantumScape公司5%的股權(quán)，此次大眾再次注資1億美元，大眾集團已成為QuantumScape公司最大股東。這也表明，大眾集團已經(jīng)將固態(tài)電池的“主動權(quán)”攥在了手中。
與此同時，在電池供應(yīng)各方面，大眾集團也在始終堅持用“兩條腿走路”。在保證集團內(nèi)部設(shè)立研發(fā)機構(gòu)的同時，與供應(yīng)商保持合作，并和Northvolt這樣的合作伙伴建立合資企業(yè)生產(chǎn)電池。這些，的確對于確保電池的供應(yīng)起到關(guān)鍵作用。不過，至于合縱聯(lián)盟能否出其不意，最終還要倚仗于每家企業(yè)的研發(fā)進度究竟如何。
總結(jié)一句話，在技術(shù)真正落地之前，一切結(jié)果都是舉棋不定。
從整體來看，固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度還有待加強，能形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)有限，技術(shù)規(guī)?；瘮U產(chǎn)需要克服的困難還有很多。僅憑借業(yè)界公認(rèn)的“2021年，半固態(tài)電池將投入商業(yè)化”的觀點判斷，全固態(tài)電池似乎離我們還很遙遠(yuǎn)。
但不論是豐田的2020計劃，還是大眾的2025之約，兩家進展不盡相同的企業(yè)已經(jīng)說明了一個問題：未來的電動汽車，大概率將是固態(tài)電池為技術(shù)主導(dǎo)的產(chǎn)物。
原標(biāo)題：固態(tài)電池“中場戰(zhàn)事”：豐田向左 大眾向右
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