未來電動汽車的能源主力——固態(tài)電池

焦點一

日前，日本主要汽車制造商豐田、日產(chǎn)、本田以及松下公司聯(lián)手展開了一個新的研發(fā)項目——固態(tài)電池。鋰離子電池技術(shù)與評估中心財團(tuán)從日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省那里獲得了1400萬美元的資金支持。固態(tài)電池技術(shù)現(xiàn)在越來越被認(rèn)為是電動汽車發(fā)展的下一個重大研發(fā)方向。

焦點二

日本政府將與民營企業(yè)攜手推進(jìn)新一代純電動汽車（EV）電池的開發(fā)。從今年5月開始，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省將與企業(yè)合作，共同推進(jìn)高效率全固態(tài)電池的開發(fā)。為此，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省將向技術(shù)研究協(xié)會——鋰電池材料評價研究中心（LIBTEC）出資16億日元。

全固態(tài)電池專利日本領(lǐng)先

日本政府加大全固態(tài)電池研發(fā)力度的目的之一是奪回電池領(lǐng)域的市場份額?！度毡窘?jīng)濟新聞》稱，在車用電池領(lǐng)域，日本企業(yè)走在前列，2013年占據(jù)全球70%的市場份額。不過，中韓企業(yè)正在快速追趕，2013年市場占有率僅為3%的中國企業(yè)，到2016年已擴大到26%，而日本企業(yè)則減至41%。

左）為傳統(tǒng)電池，右）為全固態(tài)電池

被稱為“鋰電池之父”的吉野彰認(rèn)為，新一代的電池中，最接近實用性的是全固態(tài)電池?！度湛?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">工業(yè)新聞》稱，2006年之后，全固態(tài)電池的專利不斷增加，2012~2014年全球全固態(tài)電池相關(guān)的專利中，日本占54%。

日本政府計劃從技術(shù)開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定兩方面著手。目前，擁有全固態(tài)電池專利數(shù)量最多的企業(yè)是豐田汽車，其計劃2022年實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。

去年10月，豐田宣布投入200余人加速研發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。去年12月，豐田與松下聯(lián)合對外宣布，雙方正探討在方形車載電池方面展開合作。此外，雙方還欲聯(lián)合開發(fā)全固態(tài)電池，以通過先進(jìn)的電池技術(shù)促進(jìn)電動汽車的普及。

今年3月，雷諾集團(tuán)電動汽車業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人吉勒斯·諾曼德在接受外媒采訪時透露，雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟正致力于全固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)。諾曼德認(rèn)為，全固態(tài)電池是汽車工業(yè)的新希望，主要應(yīng)用于長續(xù)駛的電動汽車，“這項技術(shù)在成本、密度和熱穩(wěn)定性方面都較目前的鋰離子電池有巨大優(yōu)勢。”他補充說：“雖然仍有許多挑戰(zhàn)，但我們已取得了非常好的進(jìn)展，目標(biāo)是在2030年之前將其推向市場，如果可能的話，最早2025年就可以?！?/p>

除了汽車廠商及電池廠商外，三菱瓦斯化學(xué)、東麗、住友化學(xué)等材料廠商也看好全固態(tài)電池的市場前景，正在加速相關(guān)材料的研發(fā)。三菱瓦斯化學(xué)的目標(biāo)是，2020年前開發(fā)出用于全固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)，以期盡快將新一代電池材料推向市場。

固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢在哪？

固態(tài)電池的優(yōu)勢主要衍生于其材料的穩(wěn)定性，日經(jīng)將固態(tài)電池優(yōu)勢歸納為七點：

一、提高安全性：完全去除電解液漏液、揮發(fā)或起火爆炸的危險

二、快速充電：鋰電池共同發(fā)明人John Goodenough教授指出，液態(tài)鋰電池于過度快充時會產(chǎn)生「枝晶」，引發(fā)電池短路而起火爆炸的危險。理論上固態(tài)鋰電池則可避免此危險發(fā)生。

三、開啟能量密度提升的大門：基于本質(zhì)上的安全性，固態(tài)電池可采用高能量密度材料(如鋰金屬/硅負(fù)極)

四、自放電大幅降低

五、電池設(shè)計自由度增加，可能實現(xiàn)多層化：除去電解液的固態(tài)電池猶如積木，可達(dá)成電池芯內(nèi)部堆棧(串/并聯(lián))，直接提升電量或電壓，如輝能科技的BLCB、美國Polymer Innovations的Multilayer battery

六、柔性化的前景：超薄型的固態(tài)電池能夠多次彎曲，適用穿戴或醫(yī)療用途，如南韓KAIST發(fā)表的超薄可彎電池及輝能科技的可彎鋰陶瓷電池。

七、可于封裝基材上結(jié)合材料與零件：固態(tài)電池的封裝不受限制，例如輝能科技以軟性電路板作為封裝基材，發(fā)表了可直接結(jié)合鍵盤、天線等電子組件于電池封裝上的多功能電池，和天線電池，做出前所未有的設(shè)計創(chuàng)新。

固態(tài)電池已經(jīng)能取代液態(tài)電池了嗎?

其實業(yè)界對于固態(tài)電解質(zhì)的研究已有20年以上歷史，但如何克服除去電解液后鋰離子的傳導(dǎo)問題一直是世界難題，約至2011年各界才相繼傳出突破的消息，不過最初固態(tài)電池內(nèi)的鋰離子就像佝僂攜杖的老人家，仍因高界面阻抗而無法高速傳導(dǎo)，難以取代傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，因此如何提升導(dǎo)通性成為已研發(fā)出固態(tài)電池的電池廠研究的方向。

目前，已有部分廠商找到提升導(dǎo)通性的方法：法國Bolloré集團(tuán)透過將電動車電池加熱至60°C以上來維持固態(tài)電池內(nèi)的導(dǎo)電能力，于英國少量投放城市租賃車；輝能Prologium則透過電芯內(nèi)部獨家導(dǎo)通技術(shù)CeramionTM來降低內(nèi)阻，其于2017發(fā)表的內(nèi)阻值已低于目前市場主流的18650鋰離子電池并實現(xiàn)5C快充。導(dǎo)電性在現(xiàn)今固態(tài)電池的電性水平已足以完全取代液態(tài)鋰電池。

市場現(xiàn)況為何?

日經(jīng)亦繪制了全球固態(tài)鋰電池技術(shù)分布圖，圖中以圓圈大小示意公司規(guī)模、以箭頭指出公司間投資/合作研發(fā)的關(guān)系，首先可以看出固態(tài)電池生產(chǎn)者除了日韓松下、東芝及三星等超大型企業(yè)外多為小規(guī)模企業(yè)，如此規(guī)模落差主因固態(tài)電池難以量產(chǎn)，在生產(chǎn)技術(shù)上與一般液態(tài)電池完全不同，不論是生產(chǎn)工藝制程、或是生產(chǎn)線的周遭環(huán)境都需要大量的資本投入和嚴(yán)格參數(shù)控制，所以對后進(jìn)的新創(chuàng)公司而言，要從實驗室走到量產(chǎn)線的路很長很遠(yuǎn)很昂貴，因此以固態(tài)電池起家的廠商中除輝能Prologium已開始量產(chǎn)外，其余廠家(主要位于北美)皆停留于樣品或?qū)嶒炿A段，尚未擴大公司規(guī)模。

此外，歐美地區(qū)固態(tài)電池的擁戴者主要為電動車廠，以合資或收購方式與先進(jìn)電池公司進(jìn)行策略的捆綁，為固態(tài)電池的發(fā)展提供強大動能。依據(jù)車廠釋出的消息，我們可以期待2020年至2025年間即能見到商品化的固態(tài)電池電動車，如此一來，駕駛們能真正擺脫里程焦慮及電池危險性的日子不遠(yuǎn)了。

下表歸納圖中介紹之全球主要車用固態(tài)電池研發(fā)者的動向：