充电10分钟，续航500公里，且安全隐患降到最低——丰田近日宣布，将于2021年推出固态电池。

巧的是，大众投资的初创公司Quantum Scape，几乎同时公布了其固态电池最新性能数据。



QuantumScape的固态电池(右)比普通锂离子电池(左)在单位重量和体积上储存更多的能量

数据显示，Quantum Scape的固态电池能将电动汽车的续航里程提升80%，并在15分钟内充满80%的电量，将于2024年实现量产。



QuantumScape实验室

一直以来，业内普遍认为，电动汽车彻底替代燃油汽车的关键条件，就是将现有电池系统能量密度翻上一倍，达到400wh/kg，而这样的指标，只有通过固态电池才能实现。

这是一次足以颠覆市场格局的技术迭代，不少车企和动力电池企业都试图抢得先机，目前看来，领跑的还是丰田。



近日，在底特律举行的北美国际车展上，丰田汽车总裁丰田章男介绍固态电池概念车

 液态电解质存在先天不足 

目前，电动汽车的电池系统能量密度普遍只有160wh/kg，而且很难继续往上突破，这是因为液态锂电池存在先天不足。



汽车电池系统能量密度普遍不高

目前，动力电池主要由正极、负极、电解液和隔膜构成。

不论磷酸铁锂电池还是三元锂电池，正极都由高纯度含锂金属氧化物组成，负极则是由石墨组成的一种层状结构，正负极之间包含着高纯度电解液，可以让锂离子自由流动。



在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中，电池完成了充放电过程。



锂电池充电示意图

为了避免发生短路，锂电池内部正负极之间有一层绝缘隔膜，在防止正负极接触的同时，允许锂离子透过隔膜转移。

一旦绝缘隔膜破损，就会引发短路发热，从而导致电池包起火。



锂电池安全试验

问题在于，绝缘隔膜非常脆弱，外部撞击造成异物穿刺，有可能导致绝缘隔膜破损；电池充放电次数增多，锂枝晶生长出的锐利尖端，也有可能刺穿绝缘隔膜；而电池过充过放，电解液发热后会分解出气体，在电池内部形成压力后导致锂电池膨胀，同样会诱发隔膜破裂，进而导致短路起火。



显微镜下锂电池锂枝晶生长

因此，电动汽车不仅需要通过电池管理系统防止热失控，还要为电池加上坚硬的外壳、泄压防爆保护装置，并在电池与乘员舱之间设置厚厚的阻燃层，通过降低电池自燃风险和延长逃生时间双管齐下，将电动汽车的安全隐患降至最低。

电池的能量密度与安全性是一对矛盾。



提升电池能量密度，主要通过增加电池正极的活性材料实现，但当增加材料超出一定比例，就会导致电池内部活性物质异常活跃，就越需要额外的保护，反而造成电池组能量密度下降。

 固态锂电池性能惊人 

如何兼顾电池的高能量密度和安全问题？一直以来，业内公认最后的方案一定是固态电池。

固态电池的原理与传统锂电池相同，只不过其电解质为固态，具有的密度及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。



此外，固态电池温度工作范围更广，稳定性更强，不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏。



即便在大电流下工作，固态电解质也不会因出现锂枝晶刺穿隔膜导致短路，这意味着快充时间也可以大幅缩减。



三星固态电池放电示意图

从技术角度看，固态电池的研发存在诸多难点，比如电解质与电极之间以及电极内部颗粒间的固界面问题。 

如果界面电阻较高，大电流使用时能量损失就较大，难以实现快速充放电，对固态电池原有的优势是一种消耗。



Quantum Scape15分钟快速充电展示图

不过，在学界和工业界持 之以恒的热情下，固态电池技术正在持续获得突破。

从Quantum Scape在12月10日公布的数据看，其最新固态电池的性能非常惊人：

电池能量密度达到380-500wh/kg，而特斯拉Model 3的松下2170电池为260wh/kg；

15分钟内就能充满80%的电量，而现在的动力电池至少需要40分钟；



Quantum Scape从事固态电池研究已有十年，是从斯坦福大学一个实验室中剥离出来，并得到了美国能源部的资助。

该公司现已获巨额投资，还与大众签署协议，将合作延伸到制造阶段，计划在2024年下半年开始量产新型固态电池。



Quantum Scape

目前，全球固态电池专利最多的企业是丰田，他们在固态电池领域拥有超过1000项专利，占全球专利数量13%。



不过，丰田的研发时间表也和Quantum Scape大体一致，他们计划在2021年推出搭载固态电池的原型车，充电速度从0到100%仅需15分钟，并预计在2025年实现大规模量产。



 丰田正在加速量产准备 

固态电池的量产还需要4-5年，主要是因为目前的生产工艺，还无法满足量产的需要。

丰田此前便透露，为概念车生产的固态电池，必须在“超干”、“非水环境”中制造，做法是在透明的工作箱中，工人使用密封的橡胶手套组装电池。



制造固态电池的过程和工人装备（图为Solid Power工厂）

固态电池要实现量产，还需要完善的产业链作为支撑，让更多配套商投入到生产和研发工作中来，一起分摊昂贵的材料成本和制造成本。

随着丰田持续加码固态电池，电池材料配套商也在快马加鞭建立必要的基础设施。

三井矿业与冶炼公司将在埼玉县启动一个试点设施，从明年开始每年生产数十吨固态电解质，来满足丰田原型车的订单。

石油公司出光兴产正在千叶县的工厂安装固体电解质生产设备，明年开始运营。



住友化学也在利用金属和化学工业方面的专长，开发硫化物材料的固态电解质。

此外，日本政府一直在鼓励开发固态电池，且正在组建一个约2万亿日元(192亿美元)的基金来支持降排技术，可能会为新型电池的开发提供数千亿日元的补贴。

除了丰田和大众，福特与宝马共同支持的电池初创公司Solid Power日前也表示，有望在2022年初开始测试用于汽车生产的固态电池。



Solid Power已经宣布其22层固态电池正式下线，目前能量密度可以达到330Wh/kg，预计到2022年超过400Wh/kg。



左为新20安培22层固态电池，右为第一代2安培多层固态电池

Solid Power首席执行官兼联合创始人道格·坎贝尔表示，除了福特以外，目前公司正在与超过8个车企进行谈判，希望能够达成合作。



Solid Power公司固态电池生产线

按照该公司的原计划，他们将在2026年将固态电池装车生产。

在固态电池“军备竞赛”进入白热化之际，我国的动力电池供应商也在积极研发。

宁德时代、国轩高科、蜂巢、赣锋锂业、天齐锂业、辉能、珈伟新能等锂电企业，以及比亚迪、蔚来、北汽、长城等车企皆有参与固态电池研究。



资料来源：前瞻产业研究院

其中，国轩高科在今年9月披露了在固态电池方面的布局，表示争取2025年后生产出能量密度超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。



资料来源：国轩高科ppt

而在今年年初，宁德时代还曾表示，他们的全固态电池还在开发中，恐怕要到2030年以后才能实现商品化，但是随着丰田等公司纷纷加快量产节奏，不知道宁德时代是否会改变自己的技术路线。

在《中国制造2025》中，曾明确了动力电池的发展规划：2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。

目前看来，也只有固态电池可以满足这一要求。