超越中韩？日本押注全固态电池：不只是能量密度翻倍

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，东京车展改名回归引起了广泛的关注。虽然此次东京车展并不热闹，非日车企仅有比亚迪、奔驰和宝马三家，不过在日本车企展示的概念车中，透露出反击的野心。而这些车企看中的翻盘技术都是全固态电池（ASSB）。

目前，日本汽车产业链在电池技术方面仅有松下一家是全球前十大动力电池厂商，并且只是排在第四位。在动力电池领域，中企主攻、日韩防守的局势已经成为过去，现在国产动力电池厂商宁德时代和比亚迪位列全球前二，合并市场份额超过了50%。如果算上中创新航、亿纬锂能、国轩高科和欣旺达，全球前十大动力电池厂商中有六家来自中国，市场占比高达62.6%。
 
很显然，日本动力电池厂商和日本车厂并不满意自己当前的局面，要知道曾经松下可是这个领域的技术领航者。如今，日本车厂终于拿出了自己的杀手锏，那就是全固态电池。
 

全固态电池是电动汽车的未来？

顾名思义，全固态电池就是指构成电池的所有部件均是“固态”的电池。和现阶段的动力电池相比，一个最显著的差异是电解质，现阶段动力电池的电解质是电解液，全固态电池则将电解质换为固体。
 
这样做的好处是非常多的。首先是能量密度方面，目前大部分车企所使用的电池系统质量能量密度在130-150Wh/kg之间，高性能的可以达到160Wh/kg。全固态电池可以达到现阶段锂离子电池的2.5倍-3.8倍的能量密度。此前，恩力动力和软银公司研发的使用硫化物固态电解质及锂金属负极的全固态锂金属电池，实测能量密度达到300 Wh/kg。
 
其次，全固态电池能够实现更快速地充电，安全性也更高。根据日本东京工业大学的研究，全固态电池可以使用高熵材料作为高离子导电性的固体电解质，其电导率约为传统材料的2.3-3.8倍，从而能缩短电池充电时间。在安全性方面，固态电池具有高强度、高电化学稳定性以及高燃点。目前，不管是液态、半固态，还是准固态，仍存在一定的可燃风险，一些在研的固态电解质的耐热温度已经超过了1000度，有的高达1800度，基本属于不可燃。当然，全固态电池也耐低温，低温下固体电解质也不会像液体般地结冻，不会产生很大的内阻，性能下降并不明显。
 
第三点，全固态电池具有更好的性能保持能力，全固态电池电化学窗口可达5V以上，目前已经实现了4.6V，这已经高于传统液态锂电池的4.2V，另外已研发出的电解质热稳定温度至少能达到200℃。将这种电解质用于全固态电池，经过1000次的充放电长循环，仍保持92%的容量。
 
此外，全固态电池形状自由度非常高，易于小型化、薄型化和堆叠使用，有利于进一步利用电动汽车的底盘空间。
 
从技术实现路径来看，目前聚合物、氧化物、硫化物是三大主要实现方式，它们之间各有优劣。其中，聚合物最大的优势是生产能够和现在的生产工艺兼容，缺点是电导率差、电化学窗口窄且稳定性有待提高；氧化物离子电导率比聚合物更高，热稳定性高达1000度，不过导电率不如硫化物，且刚性界面接触问题最突出；硫化物是目前导电率最高的实现方式，电化学稳定窗口可以达到5V以上，不过制备复杂，且稳定性也不高。总结而言，全固态电池在电解质稳定性和锂枝晶积累等问题上还需要突破，离量产还有一段路要走。
 

日本在全固态电池领域处于领先

日本媒体在报道东京车展时提到，若能以低成本实现全固态电池的量产，全球电动车市场的势力范围将有可能被重新划分。
 
日本车企和产业界对于全固态电池的投入也非常专注，除了在东京车展上展示相关概念车之外，实际上各个日本车企在全固态电池领域都深耕了很长时间。丰田作为日本汽车行业的龙头企业，在燃油车时代一直保持着技术和市场领先。不过在新能源汽车发展初期，丰田坚持氢能、电动和混合动力多轨并进的发展路线，错失了第一波市场机遇，因此丰田目前在新能源汽车领域表现挣扎。
 
如今，丰田重新修改了自己的战略计划，其多年投资的全固态电池的重要性也更加凸显。2017年，丰田正式对外透露该公司的全固态电池计划，当时的计划是在2022年实现上车量产，投资金额大概是1.5万亿日元。今年7月份，丰田顶级电池专家Keiji Kaita 表示，简化电池材料的生产流程将降低其下一代技术的成本。“对于我们的液态和固态电池，我们的目标是彻底改变目前电池太大、太重、太贵的状况。就潜力而言，我们的目标是将所有这些因素减半。”根据最新透露的数据，搭载全固态电池的丰田汽车能够实现充电10分钟，续航1200公里。
 
综合来看，日本企业包括丰田、本田、日产和日立造船等基本是在2017年左右透露自己的全固态电池计划，而最新的小规模量产时间基本是2025年。
 
除了企业，日本各大学对于全固态电池也非常看好。此前，业界对于全固态电池的认知是，其能量密度是传统锂电池的2-3倍。不过，日本东京工业大学的最新研究表明，利用高熵材料的固体电解质可以进一步提升全固态电池的能量密度，使其能量密度较当前传统电池相比最多提高3.8倍。
 
从技术路线上看，日本产业界基本专注于实现以硫化物作为电解质的全固态电池，一旦量产性能将处于全球领先地位。
 

全固态电池决战2030

当然，全固态电池拥有如此大的性能优势，也不只是日本产业界在关注，中美韩欧等国家和地区的产业界也在关注。
 
在实现路线上，各企业还是有所侧重。其中，宁德时代、三星SDI和日本产业界一样，专注于实现以硫化物作为电解质的全固态电池，因此大规模量产的时间也较为一致，基本是在2028年—2030年实现全固态电池的大规模量产上车。
 
大众集团关注全固态电池的时间更早，2015年时该公司就透露了相关计划，致力于实现以氧化物作为电解质的全固态电池。按照计划，大众预计会在2025年左右实现这款电池的小批量量产。和大众一样，辉能科技也是选择了氧化物这条路径。
 
另外，法国波洛莱集团和比利时微电子研究中心则是选择了聚合物路线，小批量量产时间基本是在2025年。
 
根据Yole Développement统计，目前全球有超过100家大型企业和研究机构在研发全固态电池。其中大型企业差不多有54家，包括丰田、宝马、大众等头部车厂，宁德时代、三星SDI、LG化学等传统锂电池厂商，以及旭化成、优美科、索尔维等材料厂商。有超过30家大型研究机构在从事全固态电池研究，包括麻省理工学院、科罗拉多大学、比利时微电子研究中心等。另外，目前全球范围内已经有超过10家的初创企业。
 
可能有人会很好奇，为什么全固态电池小批量量产和大规模量产之间相隔有5年的时间，这么长的时间产业界在做什么呢？有业内人士称，2025年小批量量产的全固态电池基本不属于商业化范畴，虽然丰田声称要将其利用到混动汽车上，不过预计会非常谨慎。此时，全固态电池刚从实验室进入工厂不久，成本是非常高昂的，那么降低成本就是第一目标。并且，一开始量产的全固态电池和现阶段液态电池，以及后续的半固态电池相比，几乎没有性能优势，性能逐步提升也是也要一个过程。此外，材料、设备、工厂、电池包、配件、标准等配套也要逐步完善。上述这些工作都是费时费力的。
 
因此，虽然日本产业界在全固态电池方面有很大的野心，且丰田已经是这个领域的龙头，但是想要对现有中韩把控的动力电池产业造成冲击，还有很多的路要走。
 

结语

如果实现量产，全固态电池确实是纯电动企业最理想的解决方案，燃油车将毫无优势可言。不过，全固态电池的性能优势建立在一套全新的电池结构和材料体系上，电池终究是化学品，其在安全、环保等方面还存在很多制约。至少，在2030年之前，动力电池还是液态电池和半固态电池的天下。
 
韩国业内人士更是预计，全固态电池进入商业化还有较长时间，到2035年电动车全固态电池的市场渗透率预计不会超过15%。