超越中韓？日本押注全固態(tài)電池：不只是能量密度翻倍

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）近日，東京車展改名回歸引起了廣泛的關(guān)注。雖然此次東京車展并不熱鬧，非日車企僅有比亞迪、奔馳和寶馬三家，不過在日本車企展示的概念車中，透露出反擊的野心。而這些車企看中的翻盤技術(shù)都是全固態(tài)電池（ASSB）。

目前，日本汽車產(chǎn)業(yè)鏈在電池技術(shù)方面僅有松下一家是全球前十大動(dòng)力電池廠商，并且只是排在第四位。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，中企主攻、日韓防守的局勢(shì)已經(jīng)成為過去，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)動(dòng)力電池廠商寧德時(shí)代和比亞迪位列全球前二，合并市場(chǎng)份額超過了50%。如果算上中創(chuàng)新航、億緯鋰能、國(guó)軒高科和欣旺達(dá)，全球前十大動(dòng)力電池廠商中有六家來自中國(guó)，市場(chǎng)占比高達(dá)62.6%。

很顯然，日本動(dòng)力電池廠商和日本車廠并不滿意自己當(dāng)前的局面，要知道曾經(jīng)松下可是這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)航者。如今，日本車廠終于拿出了自己的殺手锏，那就是全固態(tài)電池。

全固態(tài)電池是電動(dòng)汽車的未來？

顧名思義，全固態(tài)電池就是指構(gòu)成電池的所有部件均是“固態(tài)”的電池。和現(xiàn)階段的動(dòng)力電池相比，一個(gè)最顯著的差異是電解質(zhì)，現(xiàn)階段動(dòng)力電池的電解質(zhì)是電解液，全固態(tài)電池則將電解質(zhì)換為固體。

這樣做的好處是非常多的。首先是能量密度方面，目前大部分車企所使用的電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度在130-150Wh/kg之間，高性能的可以達(dá)到160Wh/kg。全固態(tài)電池可以達(dá)到現(xiàn)階段鋰離子電池的2.5倍-3.8倍的能量密度。此前，恩力動(dòng)力和軟銀公司研發(fā)的使用硫化物固態(tài)電解質(zhì)及鋰金屬負(fù)極的全固態(tài)鋰金屬電池，實(shí)測(cè)能量密度達(dá)到300 Wh/kg。

其次，全固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)更快速地充電，安全性也更高。根據(jù)日本東京工業(yè)大學(xué)的研究，全固態(tài)電池可以使用高熵材料作為高離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)，其電導(dǎo)率約為傳統(tǒng)材料的2.3-3.8倍，從而能縮短電池充電時(shí)間。在安全性方面，固態(tài)電池具有高強(qiáng)度、高電化學(xué)穩(wěn)定性以及高燃點(diǎn)。目前，不管是液態(tài)、半固態(tài)，還是準(zhǔn)固態(tài)，仍存在一定的可燃風(fēng)險(xiǎn)，一些在研的固態(tài)電解質(zhì)的耐熱溫度已經(jīng)超過了1000度，有的高達(dá)1800度，基本屬于不可燃。當(dāng)然，全固態(tài)電池也耐低溫，低溫下固體電解質(zhì)也不會(huì)像液體般地結(jié)凍，不會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)阻，性能下降并不明顯。

第三點(diǎn)，全固態(tài)電池具有更好的性能保持能力，全固態(tài)電池電化學(xué)窗口可達(dá)5V以上，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4.6V，這已經(jīng)高于傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的4.2V，另外已研發(fā)出的電解質(zhì)熱穩(wěn)定溫度至少能達(dá)到200℃。將這種電解質(zhì)用于全固態(tài)電池，經(jīng)過1000次的充放電長(zhǎng)循環(huán)，仍保持92%的容量。

此外，全固態(tài)電池形狀自由度非常高，易于小型化、薄型化和堆疊使用，有利于進(jìn)一步利用電動(dòng)汽車的底盤空間。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑來看，目前聚合物、氧化物、硫化物是三大主要實(shí)現(xiàn)方式，它們之間各有優(yōu)劣。其中，聚合物最大的優(yōu)勢(shì)是生產(chǎn)能夠和現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝兼容，缺點(diǎn)是電導(dǎo)率差、電化學(xué)窗口窄且穩(wěn)定性有待提高；氧化物離子電導(dǎo)率比聚合物更高，熱穩(wěn)定性高達(dá)1000度，不過導(dǎo)電率不如硫化物，且剛性界面接觸問題最突出；硫化物是目前導(dǎo)電率最高的實(shí)現(xiàn)方式，電化學(xué)穩(wěn)定窗口可以達(dá)到5V以上，不過制備復(fù)雜，且穩(wěn)定性也不高。總結(jié)而言，全固態(tài)電池在電解質(zhì)穩(wěn)定性和鋰枝晶積累等問題上還需要突破，離量產(chǎn)還有一段路要走。

日本在全固態(tài)電池領(lǐng)域處于領(lǐng)先

日本媒體在報(bào)道東京車展時(shí)提到，若能以低成本實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)，全球電動(dòng)車市場(chǎng)的勢(shì)力范圍將有可能被重新劃分。

日本車企和產(chǎn)業(yè)界對(duì)于全固態(tài)電池的投入也非常專注，除了在東京車展上展示相關(guān)概念車之外，實(shí)際上各個(gè)日本車企在全固態(tài)電池領(lǐng)域都深耕了很長(zhǎng)時(shí)間。豐田作為日本汽車行業(yè)的龍頭企業(yè)，在燃油車時(shí)代一直保持著技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)先。不過在新能源汽車發(fā)展初期，豐田堅(jiān)持氫能、電動(dòng)和混合動(dòng)力多軌并進(jìn)的發(fā)展路線，錯(cuò)失了第一波市場(chǎng)機(jī)遇，因此豐田目前在新能源汽車領(lǐng)域表現(xiàn)掙扎。

如今，豐田重新修改了自己的戰(zhàn)略計(jì)劃，其多年投資的全固態(tài)電池的重要性也更加凸顯。2017年，豐田正式對(duì)外透露該公司的全固態(tài)電池計(jì)劃，當(dāng)時(shí)的計(jì)劃是在2022年實(shí)現(xiàn)上車量產(chǎn)，投資金額大概是1.5萬億日元。今年7月份，豐田頂級(jí)電池專家Keiji Kaita 表示，簡(jiǎn)化電池材料的生產(chǎn)流程將降低其下一代技術(shù)的成本?！皩?duì)于我們的液態(tài)和固態(tài)電池，我們的目標(biāo)是徹底改變目前電池太大、太重、太貴的狀況。就潛力而言，我們的目標(biāo)是將所有這些因素減半?！备鶕?jù)最新透露的數(shù)據(jù)，搭載全固態(tài)電池的豐田汽車能夠?qū)崿F(xiàn)充電10分鐘，續(xù)航1200公里。

綜合來看，日本企業(yè)包括豐田、本田、日產(chǎn)和日立造船等基本是在2017年左右透露自己的全固態(tài)電池計(jì)劃，而最新的小規(guī)模量產(chǎn)時(shí)間基本是2025年。

除了企業(yè)，日本各大學(xué)對(duì)于全固態(tài)電池也非常看好。此前，業(yè)界對(duì)于全固態(tài)電池的認(rèn)知是，其能量密度是傳統(tǒng)鋰電池的2-3倍。不過，日本東京工業(yè)大學(xué)的最新研究表明，利用高熵材料的固體電解質(zhì)可以進(jìn)一步提升全固態(tài)電池的能量密度，使其能量密度較當(dāng)前傳統(tǒng)電池相比最多提高3.8倍。

從技術(shù)路線上看，日本產(chǎn)業(yè)界基本專注于實(shí)現(xiàn)以硫化物作為電解質(zhì)的全固態(tài)電池，一旦量產(chǎn)性能將處于全球領(lǐng)先地位。

全固態(tài)電池決戰(zhàn)2030

當(dāng)然，全固態(tài)電池?fù)碛腥绱舜蟮男阅軆?yōu)勢(shì)，也不只是日本產(chǎn)業(yè)界在關(guān)注，中美韓歐等國(guó)家和地區(qū)的產(chǎn)業(yè)界也在關(guān)注。

在實(shí)現(xiàn)路線上，各企業(yè)還是有所側(cè)重。其中，寧德時(shí)代、三星SDI和日本產(chǎn)業(yè)界一樣，專注于實(shí)現(xiàn)以硫化物作為電解質(zhì)的全固態(tài)電池，因此大規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)間也較為一致，基本是在2028年—2030年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的大規(guī)模量產(chǎn)上車。

大眾集團(tuán)關(guān)注全固態(tài)電池的時(shí)間更早，2015年時(shí)該公司就透露了相關(guān)計(jì)劃，致力于實(shí)現(xiàn)以氧化物作為電解質(zhì)的全固態(tài)電池。按照計(jì)劃，大眾預(yù)計(jì)會(huì)在2025年左右實(shí)現(xiàn)這款電池的小批量量產(chǎn)。和大眾一樣，輝能科技也是選擇了氧化物這條路徑。

另外，法國(guó)波洛萊集團(tuán)和比利時(shí)微電子研究中心則是選擇了聚合物路線，小批量量產(chǎn)時(shí)間基本是在2025年。

根據(jù)Yole Développement統(tǒng)計(jì)，目前全球有超過100家大型企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在研發(fā)全固態(tài)電池。其中大型企業(yè)差不多有54家，包括豐田、寶馬、大眾等頭部車廠，寧德時(shí)代、三星SDI、LG化學(xué)等傳統(tǒng)鋰電池廠商，以及旭化成、優(yōu)美科、索爾維等材料廠商。有超過30家大型研究機(jī)構(gòu)在從事全固態(tài)電池研究，包括麻省理工學(xué)院、科羅拉多大學(xué)、比利時(shí)微電子研究中心等。另外，目前全球范圍內(nèi)已經(jīng)有超過10家的初創(chuàng)企業(yè)。

可能有人會(huì)很好奇，為什么全固態(tài)電池小批量量產(chǎn)和大規(guī)模量產(chǎn)之間相隔有5年的時(shí)間，這么長(zhǎng)的時(shí)間產(chǎn)業(yè)界在做什么呢？有業(yè)內(nèi)人士稱，2025年小批量量產(chǎn)的全固態(tài)電池基本不屬于商業(yè)化范疇，雖然豐田聲稱要將其利用到混動(dòng)汽車上，不過預(yù)計(jì)會(huì)非常謹(jǐn)慎。此時(shí)，全固態(tài)電池剛從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入工廠不久，成本是非常高昂的，那么降低成本就是第一目標(biāo)。并且，一開始量產(chǎn)的全固態(tài)電池和現(xiàn)階段液態(tài)電池，以及后續(xù)的半固態(tài)電池相比，幾乎沒有性能優(yōu)勢(shì)，性能逐步提升也是也要一個(gè)過程。此外，材料、設(shè)備、工廠、電池包、配件、標(biāo)準(zhǔn)等配套也要逐步完善。上述這些工作都是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。

因此，雖然日本產(chǎn)業(yè)界在全固態(tài)電池方面有很大的野心，且豐田已經(jīng)是這個(gè)領(lǐng)域的龍頭，但是想要對(duì)現(xiàn)有中韓把控的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)造成沖擊，還有很多的路要走。

結(jié)語

如果實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，全固態(tài)電池確實(shí)是純電動(dòng)企業(yè)最理想的解決方案，燃油車將毫無優(yōu)勢(shì)可言。不過，全固態(tài)電池的性能優(yōu)勢(shì)建立在一套全新的電池結(jié)構(gòu)和材料體系上，電池終究是化學(xué)品，其在安全、環(huán)保等方面還存在很多制約。至少，在2030年之前，動(dòng)力電池還是液態(tài)電池和半固態(tài)電池的天下。

韓國(guó)業(yè)內(nèi)人士更是預(yù)計(jì)，全固態(tài)電池進(jìn)入商業(yè)化還有較長(zhǎng)時(shí)間，到2035年電動(dòng)車全固態(tài)電池的市場(chǎng)滲透率預(yù)計(jì)不會(huì)超過15%。