全固态电池才是最终章：日本有望抢占技术先机，打一场翻身仗

汽车行业已进入到 “电气化+智能化”时代，纯电动车和混动车成为新能源汽车市场上两大主力。随着新能源汽车日益广泛地普及，市场（消费者）对动力电池的性能自然有着越来越高的要求。在液态锂离子电池之后，下一代全固态电池无疑是各方“必争之地”。不过，全固态电池的研发，显然是一项长期事业，量产可能需要等5~10年；在市场上普及的程度要超越液态锂离子电池，当然也就要等待更久的时间。

动力电池的能量密度可说是战略制高点，安全是底线，其他性能具短板效应。因而，动力锂电的发展，就是在不触碰底线的情况下，追求能量密度，同时兼顾其他性能的过程。目前搭载于新能源汽车上的动力电池主要是磷酸铁锂电池和三元锂电池，两相比较之下，虽然三元锂电池有着更高的能量密度，但也存在一些问题。举例来说，首先是潜在的安全性风险——含易燃的有机溶剂，难以根除。其次是存在能量密度天花板，电芯能量密度估计最高能达到 350Wh/kg 左右，当前水平已接近该值，且就算触及天花板也不能完全解决里程焦虑问题。再则，安全性和能量密度存在一定矛盾关系，镍含量的增加会降低材料的稳定性。液态锂电池受限于材料的属性而不能依靠简单的技术改良，需要新的材料体系加以突破。

全固态电池由于能在根本上提升两大核心性能——能量密度和安全性，被业界认为是最具前景的新一代动力锂电，为资本流向最多的领域。一方面，固态电池具备高能量密度，电化学稳定窗口能达到5V以上，能匹配高性能电极材料，可以使用超高镍三元材料，或搭载LCO及富锂材料，且能兼容液态体系难以实现的金属锂负极，据估计单体能量密度最高能达到900Wh/kg，有望彻底解决电动车里程焦虑问题另一方面，固态电池具备高安全性，许多无机固体电解质材料不可燃，聚合物固体电解质存在一定可燃风险，但也比电解液安全性有大幅提高。

以年度销量达千万辆级别的日本丰田汽车为例，丰田曾表示要在东京奥运会以某种形式展示全固态电池的研发现状，不过在奥运期间，据称搭载了全固态电池的概念车LQ有用来当作前导车，但丰田并未强调此事。顺便补充一下，丰田曾于2020年6月制作出搭载全固态电池的概念车LQ，并在试车跑道上反复进行驾驶实验，2020年8月这辆LQ取得了牌照号码。2021年9月，丰田举办电池业务在线说明会，并在会上宣布大幅投资车用动力电池，包括全固态电池。2030年前在电池的研发与制造，丰田计划投资大约134亿美元，将产能大幅拉高到200GWh以上，同时要让电池成本下降一半。丰田除了研发磷酸锂铁电池之外，更重要的是全固态电池。丰田再次表示会维持原有目标，也就是2025年左右让搭载全固态电池的车辆上市。

丰田指出，全固态电池将先搭载于油电混合车，而不是纯电动车。丰田技术长前田昌彦承认，全固态电池搭载于纯电车仍有技术问题。最大的问题在于电池寿命太短。电池反复充放电之后，全固态电池里面的固态电解质会收缩，使得负极活性物质等材料之间出现空隙，进一步导致离子难以在正极与负极之间活动，最后加速了电池性能恶化。对这一问题，只能通过新的材料来解决。而前田昌彦表示，新材料的研发大约需要5年。也就是说，这与丰田在2025年左右推出搭载全固态电池的汽车上市大致相符，只是把全固态电池先用于油电混合车。因为，油电车的充电量较小，电池劣化的速度相对较慢。而且全固态电池比液态锂离子电池更容易提升输出功率，较适合频繁充放电的油电车。丰田会尽快将搭载全固态电池的汽车交付给客户，因为全固态电池是没有前例的新技术，最好能快些获得客户的评价。

除了要研发新材料之外，另一大问题便是成本。根据行业评估，全固态电池的成本比当前液态锂离子电池高出4倍以上。现在纯电动车搭载液态锂离子电池的成本，1kWh为116美元左右，估计到2030年可降到1kWh为89美元以下。日本经产省新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与丰田等汽车厂商合作研发的项目，目标是到2025年将全固态电池的成本降到1kWh为134美元，到2030年时降到1kWh为89美元，基本上与液态锂离子电池大致相当。

丰田在全固态电池的专利数量具有优势。根据日经新闻2021年6月援引的一项统计数据显示，日本企业掌握的全固态电池专利占全球的59%。其中，丰田在全球固态电池领域拥有的专利数量最多，大幅领先于韩国LG和三星（三星电子+三星SDI）。同时，松下、村田和出光兴产等日本企业同样在这项专利榜单前10名中，在纯电动车赛道上表现较为落后的丰田，可能会在全固态电池领域抢得市场先机，进而后来居上。

日经新闻先前写道，虽然液态电解质电池的技术进步变得缓慢，但并未停止。至少在今后10年里，成本和续航里程都有望改善。假设全固态电池在2030年左右开始量产，两种电池在成本上的差距应该会很明显。有一种观点认为，全固态电池的需求最初将仅限于高档车型，占新车年度总产量大约10%的比率。到2040年左右全固态电池的量产全面启动后，成本也将下降，但无论怎样，替代液态电解质锂离子电池需要一定时间。

除了丰田之外，全球年度销量同样达千万辆级的大众也已入局全固态电池领域。大众汽车电池开发负责人弗兰克·布洛梅甚至这样断言，全固态电池是锂离子电池研发的最终章。大众正在加紧推动全固态电池量产，规划量产时间在2024~2025年，与丰田的目标大致相同，显示出这两家汽车巨头彼此间紧张的竞争关系。

大众汽车正与美国新创公司Quantum Scape进行合作，以研发全固态电池。Quantum Scape于2020年12月获得关键性突破，成功测试出适当的固态材料。2021年3月大众汽车表示，已经在公司的实验室中验证了Quantum Scape的技术，因此愿意追加1亿美元投资Quantum Scape，使总投资额达到3亿美元。Quantum Scape研发的全固态电池以锂金属作为负极材料，续航力比锂离子电池提升1.8倍，达730公里。充电15分钟可把电池容量充到80%。电池不容易劣化，行驶38万公里后，电容量仍有全新时的80%。

2021年5月，Quantum Scape宣布将在2021年内确定与大众合资建设试产线的地点，不过合资试产线的项目大众仍没有最终确定，因为还在等待德国决定是否对试产线提供政策补助。双方合作如果顺利进行，全固态电池的最初年产能约为1GWh，之后会逐渐增加到20 GWh的年产能，相当于目前欧洲电池总产量的一半以上，可以满足数10万辆纯电动汽车的需求。

在丰田与大众加速开发全固态电池的情势下，其他竞争者也纷纷宣布新进度。2021年5月，宝马和福特宣布领投美国固态电池初创公司Solid Power的B轮融资，此轮融资Solid Power获得1.3亿美元。这笔融资，将被用于扩大Solid Power的汽车电池生产规模，以实现未来与客户车辆的整合。2020年底，宝马和福特验证了Solid Power数百个生产线生产的电池单元，正式确定了与Solid Power的商业合作计划。

Solid Power表示将设置试产线，2022年开始生产汽车等级的全固态电池，而宝马也会在2022年采购测试用的全固态电池，2025年前开始对搭载全固态电池的车辆进行道路测试，并以2030年上市为目标。宝马CEO奥利弗·齐普塞在2021年9月的慕尼黑车展上表示，已经将全固态电池视为下一代技术。但是他仍担心成本问题，另外全固态电池也必须能够在更大的温度范围内稳定工作。现在全固态电池是否能在炎热气候与寒冷地带稳定工作，仍是未知数。

值得补充的是，早在2019年，福特就参与Solid Power的A轮融资，双方达成固态电池联合研发协议，Solid Power帮助福特进行整车电池的整合。尽管目前宝马与福特都已拥有Solid Power的股份，但这并不意味着他们将使用完全相同的技术。例如，福特与Solid Power有单独的联合开发协议，以开发和测试其特定的电池设计，并帮助简化福特在未来车辆中的整合。宝马同样扩大了与Solid Power的联合开发协议。

事实上，在车用全固态电池领域，入局参赛的玩家不少。比如，日产和本田先后表示，将全固态电池纯电动车纳入未来10年的重点研发项目。而外界估计进度可能不如丰田。其中，日产曾表示，全固态电池实用化的时间是在2020年代后半期。又比如，总部位于日本京都的电池制造商GS汤浅，设定目标要在2020年代后半期实现固态电池的实用化，先应用于深海领域，在扩展到纯电动车。GS汤浅的产品是油电混合车使用的车用锂离子电池，不过正在研发硫化物全固态电池。虽然硫化物全固态电池有遇水容易产生反有毒硫化氢等问题，但GS汤浅表示已经研发了耐水性强的新型固态电解质。

按照电解质区分，固态电池路径可分为三类——聚合物，氧化物（薄膜或非薄膜）和硫化物，三大体系各有优劣。聚合物有良好的界面相容性和机械加工性，但室温离子电导率低且稳定性差；氧化物离子电导率较高、环境稳定性好，但存在刚性界面接触问题，加工困难；硫化物导锂能力最优（最接近液态电解质的水平）、潜力最大，但存在其本身稳定性差、正负极界面不稳定、开发难度大。

有业内人士认为，全固态电池将以硫化物和氧化物两种类型为主。到2035年，日本厂商集中研发的硫化物全固态电池在市场上的规模有望明显超过先行发展的氧化物全固态电池。这一个说法其实是有道理的。聚合物路径最早实现固态电池装车，但能量密度难以提升。而氧化物路径参与者众，在3C产品上已有应用。薄膜型以LiPON为电解质，因为受制于容量，主要应用于微型电子、消费电子领域；非薄膜型氧化物包括LLZO、LATP、LLTO等，其中LLZO是当前的热门材料。硫化物路径可谓巨头扎堆，其中，丰田表现最受瞩目。而且，日企希望在固态电池上实现弯道超车。或许正是因为硫化物潜力最大，当前锂电池巨头如宁德时代、LG新能源、松下和三星SDI等厂商纷纷选择这一技术路径，由于开发难度最大，进展不如其他类型。

（注；本文为网络整理，实际仅是对全球固态电池领域竞争态势做了相当片面的阐述，即并不能给人以全盘视角看清行业格局和技术趋势；此外，文章中也可能存在不够准确的表述）