電動汽車在歐洲的市場份額仍不到10%，僅占全球銷量的一小部分，但汽車制造商和供應(yīng)商已經(jīng)在投入數(shù)十億美元開發(fā)固態(tài)電池，這種下一代技術(shù)有望擁有更快的充電速度、更好的儲能能力和更可靠的安全性。

汽車制造商們提出了固態(tài)電池出現(xiàn)的各種日期。中國電動汽車制造商蔚來可能是最積極的，它宣布將在2022年底提供這項技術(shù)。

豐田和大眾都在固態(tài)電池上投入了大量資金，這兩家公司都表示，到2025年，它們的汽車將搭載這種技術(shù)上路。其他公司則著眼于更遠的未來，包括Stellantis(2026年)、寶馬(2026年)、戴姆勒(2028年)、雷諾-日產(chǎn)(2026年之后)和現(xiàn)代(不早于2030年)。

固態(tài)電池將是降低電池包價格、使電動汽車既賺錢又便宜的關(guān)鍵驅(qū)動力。彭博新能源財經(jīng)(Bloomberg NEF)表示，大規(guī)模生產(chǎn)的固態(tài)電池成本可以僅為目前鋰離子電池的40%。

但獨立專家持謹(jǐn)慎態(tài)度，他們指出，仍有許多令人生畏的技術(shù)障礙有待清除，包括操作溫度高、電解液耐久性和制造方面的挑戰(zhàn)。

LMC automotive的動力總成分析師奧利弗·佩茨尼克(Oliver Petschenyk)表示：“在(汽車)行業(yè)，我們還沒有看到商業(yè)上可行的固態(tài)電池。我們對供應(yīng)商和設(shè)計師實際能達到的日期仍持懷疑態(tài)度。固態(tài)電池可能要到本世紀(jì)20年代末才能實現(xiàn)。”

英國主要的電池研究機構(gòu)法拉第研究所估計，到2030年，固態(tài)電池在所有交通用電池中所占比例將不到5%，隨著電池制造商擴大生產(chǎn)規(guī)模，到2040年，固態(tài)電池將穩(wěn)步上升至30%。

法拉第研究所表示，對固態(tài)電池的研究是“長期的和高風(fēng)險的，但也有可能獲得高回報。”與目前的液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池相比，它的主要好處是單位體積的儲能增加了70%。

法國分析公司Yole Developement的專家表示，固態(tài)電池將從2025-2026年左右逐步推出，首次應(yīng)用于豪華或高檔汽車。

目前的主要挑戰(zhàn)是找到合適的電解質(zhì)材料，這種電解質(zhì)在電芯的陽極和陰極之間使離子移動。最近，Yole公司的米蘭·羅西納(Milan Rosina)和沙魯·阿加瓦爾(Shalu Agarwal)發(fā)布了一份關(guān)于固態(tài)技術(shù)的綜合報告，他們表示，目前所有的解決方案都涉及在離子電導(dǎo)、電池壽命和安全性之間進行不可接受的權(quán)衡。

資料來源：Yole development，2021年固態(tài)電池報告▼

Yole電力電子與電池首席分析師羅西納表示：“目前，我們還沒有一種與大規(guī)模生產(chǎn)兼容的材料組合。這就是為什么我們有這么多大公司參與進來，并投資于采用不同技術(shù)方法的初創(chuàng)公司。”

許多競爭者

考慮到這一點，汽車制造商們正在加緊行動，建立聯(lián)盟，甚至收購有前景的技術(shù)初創(chuàng)公司。

“在我們看來，最終的目標(biāo)是固態(tài)電池。”大眾汽車零部件部門電池和系統(tǒng)主管弗蘭克·布魯姆(Frank Blome)在2021年春季的動力日(Power Day)發(fā)布會上表示。“更簡單的設(shè)計帶來更高的性能和更低的成本。”

大眾估計，續(xù)航里程將提高30%，主要是由于減重。這家汽車制造商與斯坦福大學(xué)的子公司QuantumScape進行了近10年的合作。

大眾目前投資3億美元，持有三分之一的股份，并在QuantumScape公司董事會占有一席之地。QuantumScape公司最近宣布正在測試一種10層固態(tài)電池，可以在15分鐘內(nèi)充滿電。

電動汽車的先驅(qū)雷諾也將固態(tài)電池視為接下來的一大步。該公司與聯(lián)盟伙伴日產(chǎn)汽車合作，向美國固態(tài)初創(chuàng)企業(yè)Ionic Materials投資了6500萬美元。

“最終目標(biāo)是全固態(tài)技術(shù)。”雷諾集團高級工程總監(jiān)索菲·施米德林(Sophie Schmidlin)在7月份的雷諾EWays電動汽車活動上表示：“從性能和成本的角度來看，這似乎是真正的游戲規(guī)則改變者，為許多技術(shù)突破開辟了道路。”

豐田9月份表示，他們已經(jīng)在LQ概念車上對固態(tài)電池進行了道路測試▼

豐田是唯一一家對固態(tài)電池公開進行道路測試的汽車制造商，測試在其LQ概念車上進行。專家表示，該公司正與松下合作開發(fā)一種基于亞硫酸鹽的電解質(zhì)，這是更有前途的方法之一。

其他公開宣布的聯(lián)盟包括寶馬和福特與SolidPower，后者計劃與SPAC(特殊目的收購公司)合并上市。還有雷諾-日產(chǎn)與Ionic。

主要的電池廠商都非常小心謹(jǐn)慎。Yole的羅西納表示，他們已經(jīng)在傳統(tǒng)鋰離子電池上投入了大量資金，他們認(rèn)為風(fēng)險大、成本高的固態(tài)技術(shù)既是一種威脅，也是一種商機。

梅賽德斯-奔馳首席技術(shù)官薩吉德·可汗(Sajjid Khan)在7月份舉行的戴姆勒電動汽車戰(zhàn)略活動上指出，目前梅賽德斯-奔馳EQS的能量密度為550 Wh/L。他說，固態(tài)電池“將在相同的封裝空間內(nèi)增加一倍的能量容量，并減輕重量”，同時允許更多的充電循環(huán)。

“有了固態(tài)電池，我們有機會從整體上重新考慮電池系統(tǒng)的設(shè)計。”可汗補充道。

戴姆勒目前正在使用法國公司BlueSolutions生產(chǎn)的電池，生產(chǎn)一系列使用固態(tài)電池的電動巴士eCitaro G。但是這種電池需要預(yù)熱，這對于私家車來說是不實際的。

使用固態(tài)電池的奔馳eCitaro巴士已經(jīng)向德國的幾個城市提供▼

固態(tài)電池在充電時間方面也有優(yōu)勢。大眾估計，一輛裝有77 kWh電池的ID.4電動SUV現(xiàn)在需要25分鐘才能增加450公里的續(xù)航里程(從10%的電量增加到80%)，但固態(tài)電池可以將這一時間縮短到12分鐘。

另一個關(guān)鍵的好處是安全。近年來，與火災(zāi)有關(guān)的電池召回給汽車制造商和供應(yīng)商造成了數(shù)十億歐元的損失。在最近的案例中，雪佛蘭召回了自Bolt EV上市以來生產(chǎn)的所有14.1萬輛電動汽車，估計成本為20億美元。電池供應(yīng)商LG化學(xué)同意向雪佛蘭支付19億美元以彌補成本。

2020年，福特召回6.9萬輛翼虎插電式混合動力車，成本為8億美元。2021年2月，現(xiàn)代汽車表示將斥資9億美元更換8.2萬輛電動汽車的電池系統(tǒng)。

固態(tài)電池可以減輕這一風(fēng)險，因為它們不使用易燃電解質(zhì)，而且固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)該作為一個盾牌，防止樹突的生長——樹突是一種尖刺狀的藻類狀鋰沉積，可以在陽極上形成，穿過電解質(zhì)并擊穿隔膜，導(dǎo)致短路，進而引發(fā)火災(zāi)。

佩茨尼克說：“樹突的減少可以使電芯壽命更長，可以承受更大的負荷，同時降低火災(zāi)風(fēng)險，特別是不再需要易燃的液體電解質(zhì)。”

Yole的分析師阿加瓦爾和羅西納說，固態(tài)電池樹突形成的風(fēng)險較小，但仍然存在，因為即使是固體電解質(zhì)也有顆粒或缺陷，不應(yīng)該允許它們生長。

最后，專家說，只有將固態(tài)電芯組裝成電池包并集成到電動汽車中，才會看到一些好處。

如果固態(tài)電池確實更安全，那就意味著電動汽車將需要更少的堅固部件(也更便宜)來確保安全運行。他們也可能需要更少的冷卻，羅西納說，這意味著從電池中提取的電量可更少地用于冷卻，而更多地用于續(xù)航。

結(jié)構(gòu)上的差異

在傳統(tǒng)的鋰離子電芯中，鋰離子在正極和負極之間流動，對電池進行放電和充電。負極被稱為陽極，正極被稱為陰極，被一個允許離子通過的隔膜分開。在陽極和陰極之間是液體電解質(zhì)。

相比之下，鋰離子固態(tài)電池將隔膜和電解質(zhì)結(jié)合成一個單一的固體物質(zhì)。因此，電池可以做得更薄，這意味著相同大小的空間可以容納更多的固態(tài)電芯。

在能量密度方面，固態(tài)電池的密度可以達到900至1300 Wh/L，而傳統(tǒng)鋰離子電池的最高密度可能最高只有1000 Wh/L左右。

汽車制造商可以利用這一點，在相同的尺寸和重量的情況下增加續(xù)航里程，或通過保持重量來減少電池包的尺寸。

進入大規(guī)模生產(chǎn)

專家表示，盡管固態(tài)電池可能用于車隊或公共交通(需要預(yù)熱的電池可能是一個技術(shù)死胡同)，但固態(tài)電池很可能首先出現(xiàn)在高檔汽車上，或作為較便宜車型的高性能選項。

阿加瓦爾和羅西納表示，這是因為制造一個能夠滿足特斯拉或大眾汽車等大眾市場需求的超級工廠是不可行的，這兩家公司每年將生產(chǎn)數(shù)十萬輛電動汽車。

到2025年及其后幾年，初始需求可能只有每年2至3 GWh，這意味著在傳統(tǒng)鋰離子電池價格下降之際，固態(tài)電池的成本會更高。

專家表示，隨著固態(tài)電池生產(chǎn)規(guī)模的擴大，價格將會下降，但未來將面臨一系列不同尋常的挑戰(zhàn)。

豐田、三星等公司正在研究的亞硫酸鹽電解液會產(chǎn)生有毒的亞硫酸氫(H2S氣體)。一般來說，電池必須在真空中組裝，這對于大規(guī)模生產(chǎn)是不可接受的。而薄的固體電解質(zhì)非常脆弱。

羅西納表示，與從內(nèi)燃汽車向電動汽車的轉(zhuǎn)變類似，向固態(tài)電池的轉(zhuǎn)變將需要一系列新的能力、潛在的裁員、工廠設(shè)備的重大變化和新的材料供應(yīng)鏈。

他說，“固定成本將不利于固態(tài)電池的商業(yè)化狀態(tài)。”

編譯/ 朱 琳

編輯/ 劉寶華

設(shè)計/ 皮 皮

來源/ Autonews，作者：Peter Sigal