外媒近日爆料,丰田将在今年推出一款全新的固态电池,续航里程500公里,可在10分钟内从空电充至满电,充电速度接近传统燃油车加油,并且安全隐患极小。

在固态电池因为年初的蔚来NIO Day而重新成为热点话题之际,丰田的这个消息,再一次引起人们的强烈关注。

因为,蔚来NIO Day发布的续航超1000公里的所谓“固态电池”在被权威专家打脸之后,后来被证实是半固态电池,此时丰田被曝今年也要推出固态电池,难免被人用放大镜辨真伪。

按照丰田的计划,搭载这款固态电池的原型车2022年才会推出,量产时间要到2025年前后,这比专家所提出的量产时间节点——2030年,早了整整5年,是扯淡,还是大实话?

这又回归到本源问题:到底是什么阻碍了被称为下一代动力电池解决方案的固态电池的发展?固态电池要到什么时候才能真正实现商业化应用?

丰田的固态电池终于要来了

对于汽车行业来说,固态电池并非新鲜事物,而是一个长期在攻克的下一代动力电池技术研发方向。

日本最大公立研究组织——新能源产业技术综合开发机构(NEDO),在2008年发布的电池研发路线图中就明确指出,要将固态电池作为未来新一代电池的发展方向。

工信部等四部委2017年2月联合发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,首次提出要重点推动固态电池等新体系动力电池的应用,力争使单体电池能量密度在2020年和2025年分别达到400Wh/kg以上及500Wh/kg。

从2012年开始,丰田、三菱、宝马、大众、现代、松下、三星、戴森等企业陆续开始研发固态电池,也发布过相关进展,但是,还没有哪一家企业能够推出真正意义上的固态电池。

在2019年,固态电池将替代锂电池成为下一代动力电池解决方案的相关话题曾经成为行业热点,但在魔幻的2020年,因为发生了太多匪夷所思的事情,固态电池的话题一度冷了下去。

直到2021年开年不久,蔚来在NIO Day上推出了150千瓦时的固态电池包,并声称搭载该电池的首款车型续航里程可达到1000km,预计2022年第一季度开始交付,固态电池又重新进入大众视野。

丰田、宝马、大众等传统车企巨头以及松下、三星等有着丰富技术储备的动力电池制造商都未能交出答卷的固态电池,反而被蔚来这个只有数年造车史的新企业先做出来了?

很快就有专家站出来指责蔚来撒谎。

国联汽车动力电池研究院董事长熊柏青说,“全固态电池现在距商业化还很远,现在甚至做个演示都还很困难。10年内完全攻克全固态难度挺大,反正至少这5年都没戏。”

蔚来创始人李斌也很实诚,很快就公开回应称他们采用的并非全固态电池,电池内部还是带有部分液体的。也就是说,蔚来所谓的“固态电池”,其实是半固态电池。

时隔不到一个月,有媒体曝出丰田将在今年内推出一款全新的固态电池,这又是个噱头吗?

从目前公开的信息来看,应该不是噱头。因为丰田的这款固态电池,不像蔚来张开就是续航1000公里,而是只有500公里续航,但充电速度很快,可在10分钟内将电量从空电充至满电,而且具有极小的安全隐患。除了续航不够“骇人”,充电时间和安全性都是固态电池该有的样子。

事实上,丰田的固态电池并不像蔚来那样突然出现,而是早有预告。

日本车企对固态电池的技术规划及应用进度是最快的,而丰田又是日本车企中的急先锋,早就已经对外展示了处于试制阶段的固态电池样品,原计划是在2020年东京奥运会期间向公众展示搭载硫化物固态电池的电动车。

但因为疫情原因,东京奥运会推迟一年举行,丰田也就推迟到2021年推出固态电池,这个逻辑合情合理。

固态电池商业化为何如此困难?

如上所述,固态电池是新一代动力电池的发展方向,许多企业早已展开对固态电池的研究,为什么专家们对固态电池的量产应用时间抱着这么悲观的态度——“5年内都没戏,10年内完全攻克的难度也很大”?

固态电池的技术难度到底难在哪里?

首先,我们要认识一下什么是固态电池,以及了解清楚固态电池为什么被认为是下一代动力电池解决方案。

目前,新能源汽车所使用的动力电池主要分为磷酸铁锂和三元锂两大类,但这两者都属于液态电池,采用的是液态电解质。最近几年新能源汽车进入高速增长期,尤其是在电动车标杆特斯拉的推动下,新能源汽车在2020年得到了爆发式增长,电动车所搭载的磷酸铁锂电池和三元锂电池的缺点都已完全暴露。

三元锂电池虽然能量密度比较高,输出功率较大,续航里程长,但安全性差,三元材料会在200℃时发生分解,在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。过去几年里,国内就发生许多起电动车自燃爆炸事故,引发许多消费者对电动车安全性的担忧。

磷酸铁锂虽然安全性高,寿命长,但能量密度远远比不上三元锂电池,无法满足消费者对续航里程要求越来越高的需求。

与此同时,由于这两种电池都采用液态电解质,都需要很长的充电时间,远远无法比拟燃油车。

固态电池,顾名思义是一种使用固体电极和固体电解质的电池。这种电池体积小,能量密度高,而且因为固态电解质不可燃、不漏液,即使在高温情况下也不会着火,非常安全。

固态电池的技术路线有三条,包括聚合物电解质、氧化物电解质以及硫化物电解质,代表性企业分别是法国公司博洛雷(大型工业集团)、英国公司Ilika(全球为数不多的从事固态电池设计和制造的独立专业公司之一)、丰田。

这三条线路各有优缺点,在电导率、能量密度、成本价格和安全性能上的表现,各有千秋。其中,硫化物的电导率和能量密度最强,但成本最高、安全性最差;聚合物的成本最低,但电导率和能量密度最低;氧化物的安全性最高,但电导率、能量密度、成本表现都一般。

固态电池的三种技术路线及优缺点

技术路线

优点

缺点

聚合物全固态

容易加工,可以制备大容量电芯、机械性较软,各项性能和目前使用的电解液(本质是有机溶剂)有类似之处。工艺和现有的锂电池比较接近,是最容易利用现有设备通过改造实现量产的固态电池。(1)离子电导率最低,必须加热到60或85℃以上,离子电导率才会提升,车需要经常保持在充电和高温状态;(2)容易短路(聚合物较为柔软,锂枝晶容易穿透固态电解质造成短路);(3)能量密度有局限,由于聚合物是有机物,电化学稳定性不好,跟三元兼容性不好,导致能量密度无法提升。

氧化物全固态

导电率高于聚合物,氧化物的离子电导率可达到10-4～10-5 S/cm,通过掺杂能够达到10-3 S/cm的级别,但不如液态电解液。典型的代表有锂镧锆氧、LAGP、LATP这些氧化物材料。

(1)氧化物的机械性能坚硬,如果用其制作电解质片,较容易脆裂; (2)与正极活性材料的固-固接触也不是太好,导致从面接触变成点接触,界面损耗过大。

硫化物全固态

硫化物接触性好,所以整体的离子电导率性能非常好,是人类所发明的所有固态电池材料中唯一能超过液态电解液离子电导率水平的材料,也是全固态电池未来最可能的技术路线。

产品成本价格非常高,空气稳定性较差。硫化物化学活性很强,与空气、有机溶剂、正负极活性材料反应都很强(尤其是与水接触后直接产生H2S,H2S有毒有臭味),因此界面稳定性很差,导致生产、运输、加工等环节都十分困难,限制了它的广泛应用。

总体来说,无论是哪一条技术线路,都存在技术瓶颈和成本高昂的问题。

技术方面,目前的固态电解质电阻太大,尚未找到既能兼顾高倍率又能快充的物质做电解质,导电率、内阻界面阻抗及相容性也存在问题,这导致固态电池短时间内无法应用于市场。

成本方面,由于性能良好的材料非常昂贵,这导致固态电池的成本远高于三元锂电池,家电巨头戴森就因为固态电池成本太高而决定及时止损不再造车。

什么时候才能真正实现量产?

正是因为受技术和成本所掣肘,固态电池的大规模商业化落地非常困难,业界对实现这一目标时间节点的预测,如同全面实现L5级全自动驾驶应用一样悲观。

那么,固态电池还要多久才能搭载在量产车身上?

从车企和动力电池商的研发进展来看,一些先头部队可能在2021/2022年进入试制或投入市场阶段,2025年左右实现量产。

2020年年底,美国电池技术公司SolidPower、研发固态电池的初创公司QuantumScape以及丰田汽车纷纷宣布在固态电池领域取得新突破。

与宝马、福特合作的SolidPower宣布已经生产和交付其第一代2Ah全固态电池,能量密度达320Wh/kg,准备2021年投放市场,2026年应用于汽车领域。

大众汽车所控股的QuantumScape所研发的固态电池,能提供380至500wh/kg的能量(当前特斯拉电池能量大约是260wh/kg),计划2025年建立固态电池量产生产线。

而丰田搭载固态电池的原型车将在2022年才会推出,量产时间则要等到2025年前后。

另外,现代汽车投资的美国初创企业Ionic Materials,计划在2025年实现应用固态电池电动车的量产。国内的长城汽车计划在2025年量产能量密度达350～500Wh/kg的固态电池,北汽集团2025年前上市的新车有望搭载400Wh/kg的固态电池。

从这些企业的布局来看,2025年是一个重要节点,固态电池要到这一年前后才开始逐步进入商业化阶段。

但2025年只是刚刚开始量产,也就是说,这是个试水市场的初级阶段,真正实现成熟的商业化应用还需更长时间。

在1月份的中国电动车百人会论坛上公开怼“1000km续航”的中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高认为,以目前的技术进展,全固态电池还需要十年以上的时间才能够在技术和制造工艺上达到量产的条件。“当然,这是在没有意料之外的巨大科学突破的情况下。”

在他看来,全固态电池预计要到2030年才有条件实现量产。

虽然也有部分专家乐观认为2025年能够实现量产,比如合肥国轩高科工程研究总院常务副院长徐兴认为“固态电池真正的大规模应用预计要到2025年”,但是否属于真正的全固态电池(也可能是蔚来那样的半固态电池或准固态电池),应用规模具体有多大,都要打个大问号。

眼下可以确定的是,丰田即将推出的固态电池虽然推动行业技术向前迈进了一小步,但距离终极目标——大规划商业化应用,还有很长的路要走。