固態(tài)電池似乎離我們越來越近，新聞也是層出不窮。包括“十年磨一劍”的大眾2014年就持股5%的QuantumScape。

12月8日，已經(jīng)上市的QuantumScape，也就是由大眾和比爾·蓋茨投資的初創(chuàng)公司，公布了經(jīng)過十年研究的最新固態(tài)電池的性能數(shù)據(jù)。據(jù)稱，這種固態(tài)電池也可能是第一個商業(yè)上可行的固態(tài)電池。股市聞訊，QuantumScape股價大漲。

這種固態(tài)電池能將電動汽車的續(xù)航里程提高80%，并能在15分鐘內(nèi)充滿80%的電量，并將于2024年投入生產(chǎn)。而它突破的關(guān)鍵是，使用柔性的陶瓷電解質(zhì)取代液體電解質(zhì)。據(jù)悉，即使在零下30攝氏度的極低氣溫下，電池性能也不會受到影響。

聽起來激動人心。不過，最大的疑點是，電池的很多細節(jié)并沒有公布，就像中金公司研報所說，現(xiàn)在展示的只是單層疊片，還不是電芯，那么無法確定電芯的電量多少，就無法計算它的充電設(shè)施的配套情況。反過來說，QuantumScape是不是僅僅“放了個PPT衛(wèi)星”?

QS藏了些什么?

QuantumScape在這場說明會上講了很多激動人心的技術(shù)，比如，這款固態(tài)電池相較于傳統(tǒng)的鋰離子電池，經(jīng)過800次充電后仍能保持80%以上的容量，技術(shù)上有著明顯的進步。

此外，這款電池是阻燃的，電池體積能量密度超過1000Wh/L，幾乎是頂級商用鋰電池組密度的兩倍，也是目前特斯拉Model 3所用電池的四倍。

聽起來很牛的樣子。連公司的聯(lián)合創(chuàng)始人、鋰離子電池發(fā)明者、2019年諾貝爾化學獎得主之一Stan Whittingham都說，“制造一個固態(tài)電池最困難的部分是需要同時滿足高能量密度、快速充電、長循環(huán)壽命和寬溫度范圍工作的多個要求。數(shù)據(jù)顯示，QuantumScape的固態(tài)電池完全滿足所有這些要求，這是以前從未報道過的。如果該公司能夠?qū)⑦@項技術(shù)投入大規(guī)模生產(chǎn)，它就有可能改變整個行業(yè)。”

不過，QuantumScape也有很多的事情藏著沒說。

比如，根據(jù)中金公司的研報意見，首先，QuantumScape并未給出具體的技術(shù)路線與詳細的電池參數(shù);其次，所展示的電池樣品僅是單層疊片，并不是真正的電芯Cell。也就是說，目前還只是實驗室的數(shù)據(jù)。

材料方面，根據(jù)QuantumScape專利的布局與宣傳來判斷，QuantumScape的固態(tài)電池路線應該為氧化物體系下的石榴石狀復合氧化物固態(tài)電池(Composite Garnets Solid-state Battery)，主流電解質(zhì)體系為Li3La3Zr2O12(LLZO)，即鋯酸鑭鋰。

而且，中金公司從Google Patents上所查到的與QuantumScape大量相關(guān)的專利體系，也均為鋯酸鑭鋰氧化物。這也是目前固態(tài)電池的氧化物路線中，最可能實現(xiàn)量產(chǎn)的材料，也是2007年后新發(fā)現(xiàn)的對鋰金屬最為穩(wěn)定的氧化物電解質(zhì)體系中的分支。實用方面，國內(nèi)的清陶發(fā)展，已經(jīng)有兩條小的生產(chǎn)線量產(chǎn)。

所以，大眾的固態(tài)電池走氧化物體系下的柔性陶瓷電解質(zhì)路線，并不奇怪。不過，鋯酸鑭鋰體系，優(yōu)點和劣勢都有。

鋯酸鑭鋰(LLZO)體系的特點在于，一是所有目前固態(tài)電池電解質(zhì)體系中，對鋰金屬適配性最好的電解質(zhì)，相對有可能直接跳過硅負極，實現(xiàn)鋰金屬負極的應用。二是，LLZO的電化學窗口寬，可以承受5V以上的電壓。

但是LLZO體系的缺點也很多，比如，這種石榴石復合物體系的電導率只有10^-4級別，比液體電解質(zhì)直接小了兩個量級。其次，LLZO對正極的界面性能較差。這是因為，一方面石榴石結(jié)構(gòu)使得與鋰金屬接觸面無法平整，另一方面與正極的接觸相對較差。

所以，國內(nèi)目前探索的解決辦法有，復合正極、界面處理工藝優(yōu)化、界面層引入以及電解質(zhì)復合等。比如，清陶發(fā)展就走的復合正極的路子。

還有，就是制備工藝復雜，制造設(shè)備還不同源，換句話說，現(xiàn)有的鋰電池生產(chǎn)體系不能通用，得重建。而且，除了電池本身，配套設(shè)施的建設(shè)這塊，也是非常重要的。

2017年曾有菲斯科說“充電一分鐘，可跑800公里”。但是根據(jù)公社數(shù)據(jù)組呂一星的計算，如果要達到這個效果，充電樁的鋁制導線直徑要達到60CM，就是比臉盆還要粗的線路。可能嗎?以目前的技術(shù)來說，“這簡直是要‘雷劈’才能做到的效果!”

按照這個模型(目前通用的350V電壓下)，記者計算了一下，固態(tài)電池15分鐘要能充滿80%，充電樁的鋁制導線直徑還是要達到15CM以上，就算換成導電率高一倍的銅制導線，直徑也要7.5CM以上，目前來看，實現(xiàn)還是有難度的(計算方法可以加微信討論karma-shanxi)。

最近，理想的李想說了一句，“只有在第二代電動汽車技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，理想汽車才會做純電動。”而第二代技術(shù)的一個標志是800V電壓平臺下的400kW快充。但從現(xiàn)實來說，5~10年內(nèi)可能都難以實現(xiàn)400kW的充電功率。

我們知道，特斯拉希望的350kW超級充電樁的落地還無法確定。所以，綜合各種情況來看，固態(tài)電池真正能實現(xiàn)量產(chǎn)和商業(yè)化的普及應用，業(yè)內(nèi)給出的時間點是2030年以后。

所以，業(yè)內(nèi)也有疑問，QuantumScape說固態(tài)電池計劃2024~2025年能量產(chǎn)，這種可能性有多大?綜合來看，鋯酸鑭鋰為電解質(zhì)的電池單體從理論性能上具備一定的實用性，但距離量產(chǎn)真的還有很長很長的過程。

所以，這款固態(tài)電池看來是QuantumScape和大眾應對投資壓力，放了一顆PPT的“大衛(wèi)星”，給投資者以信心。從投資方面可以理解，畢竟十年了，得出點成果。再說，股市賭的就是未來。

不過，記者還是咨詢了一下業(yè)內(nèi)相關(guān)人士，該人士表示，包含稀土成分的鋯酸鑭鋰“這個路線應該很困難。有兩種元素含量都太少了。”硫化物路線是可行的。這也是豐田開發(fā)固態(tài)電池伊始，就考慮過的。所以，氧化物路線能走多遠，我們還不能下結(jié)論。

固態(tài)電池的路徑

我們再來說說固態(tài)電池。原理很簡單，就是以固態(tài)或者半固態(tài)的電解質(zhì)，來代替現(xiàn)有鋰電池中使用的液態(tài)電解質(zhì)。從技術(shù)上講，固態(tài)電解質(zhì)的厚度可以很薄，也就幾十μm，減小體積也降低了重量。而兼顧高能量密度和高安全性的固態(tài)電池，是電池技術(shù)的一個終極目標。

固態(tài)電池的起始，最早可以追溯到1972年。當年，Scrosati B.首次報道了一種采用LiI為電解質(zhì)的固態(tài)鋰離子一次電池。11年后的1983年，日本東芝開發(fā)了一款可實用的Li/TiS2薄膜全固態(tài)鋰電池。從那以后，固態(tài)電池的研究就一直在持續(xù)。

值得重點注意的是，目前絕大部分固態(tài)電解質(zhì)的電導率比電解液小10倍以上，也就是一個數(shù)量級，因此快充性能上問題很大，非常怕大電流。此外，固態(tài)電池只有實現(xiàn)鋰金屬負極的應用，才能實現(xiàn)對目前電池體系質(zhì)量能量密度的超越，這個難度相當高。

所以，固態(tài)電池的核心技術(shù)突破，主要是在達到高離子電導率的固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)，以及實現(xiàn)低阻抗固—固界面的制造技術(shù)。固態(tài)電池雖然具有安全性能好、能量密度高和循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但是，在汽車行業(yè)實現(xiàn)量產(chǎn)應用還早。

比如，目前固態(tài)電池的電池性能，僅略優(yōu)于液態(tài)電池(400Wh/kg的單體能量密度)，且循環(huán)壽命不高于500次。這次QuantumScape公布充電次數(shù)能達到800次，這個數(shù)據(jù)雖然很不錯了，但應該還只是實驗數(shù)據(jù)而已。

說完國外，說說國內(nèi)。國內(nèi)最早開始注意固態(tài)電池的，是陳立泉院士。根據(jù)他的講述，在他的呼吁下，1987年，中國科技部將固態(tài)鋰電池列為第一個“863”計劃重大專題。不過，按照當時的技術(shù)水平，這個任務明顯是“MISSION IMPOSSIBLE”。

直到2012年，中國科技部再次將固態(tài)儲能鋰電池列入“十二五”的“863”計劃。2018年，中國科技部將對動力及儲能應用的固態(tài)鋰電池同時列入國家重點研發(fā)計劃。

2019年12月，工信部發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》(征求意見稿)，在“實施電池技術(shù)突破行動”中，加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化被列為“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”。從這些年的歷程中，我們也可以看到固態(tài)電池的技術(shù)難度有多大。

而根據(jù)智研咨詢2019年發(fā)布的《2019-2025年中國全固態(tài)電池市場專項調(diào)查及發(fā)展趨勢分析報告》，從全球看，目前日韓在固態(tài)電池開發(fā)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)較為領(lǐng)先。

從1990年至2018年，固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)公開的專利數(shù)目為1926件，其中全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目達到871件，占比約45%。而從地域上看，日本擁有固態(tài)電池專利916件，占比接近一半，領(lǐng)先優(yōu)勢較大。中國的專利為362 件。全固態(tài)電池方面，日本擁有專利657件，占比75%，領(lǐng)先優(yōu)勢更加明顯。這方面，中國、韓國分別擁有專利 128 件、37 件。美國在全固態(tài)電池領(lǐng)域，僅擁有29件專利。

所以，中國企業(yè)雖然聲量很大，但是，真正的專利并不多。中國企業(yè)普遍難以持續(xù)投入研究固態(tài)電池，有的還喜歡“吹牛”在先，很多爆出來的成果，都是對投資人說的，真正能落地的不多。這是我們更加需要理性對待的。

日系的硫化物路線

我們再來說說另外一個主流路線。國內(nèi)的清陶和QuantumScape走的是氧化物路線，而日系呢?日系和韓系，走的是硫化物路線。

我們現(xiàn)在講固態(tài)電池，其固體電解質(zhì)可大致分為三類：無機電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、復合電解質(zhì)。目前業(yè)內(nèi)比較主流的是兩種，硫化物和氧化物，此外有固態(tài)聚合物、薄膜等。

氧化物雖然在高安全性及易生產(chǎn)性方面更具優(yōu)勢，但室溫下離子電導率的提升仍是世紀難題。而聚合物路線，雖然率先實現(xiàn)了小規(guī)模量產(chǎn)，技術(shù)已經(jīng)成熟，但是類似于“一個需要長期服用興奮劑的運動員”，“出道即巔峰”，沒有后續(xù)的潛力，屬于邊緣化的非主流。

而硫化物路線，是三種路線中技術(shù)難度最高的，但是潛力很大，受到日韓企業(yè)的追捧。不過，也只有日韓企業(yè)能夠有耐心，去認真鉆研。

豐田是堅定的硫化物技術(shù)支持者。通過多年的默默研究，豐田已經(jīng)取得了一定的成果。豐田本來計劃2020年在東京奧運會推出搭載硫化物固態(tài)電池的純電動汽車，計劃于2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。不過，受疫情沖擊影響，豐田推遲了亮相的計劃。

不過，豐田汽車動力總成公司執(zhí)行副總裁兼電池業(yè)總經(jīng)理Keiji Kaita曾經(jīng)表示，豐田計劃在2025年之前量產(chǎn)固態(tài)電池，能量密度比鋰電池提高兩倍以上，充電效率也更高，從零充滿僅需15分鐘。

而豐田在固態(tài)電解質(zhì)材料方面的技術(shù)基礎(chǔ)，來自于日本東京工業(yè)大學的菅野了次教授2011年發(fā)明的硫化物固態(tài)電解質(zhì)，其室溫下離子電導率>10-2S/cm(超越了傳統(tǒng)有機電解液)。

經(jīng)過十幾年的研究，豐田不僅獲得了固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電池的制造技術(shù)等方面的專利，還研發(fā)了一整套的正極材料和硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料回收的技術(shù)路線和回收工序。這是大眾也急著投入巨資搞固態(tài)電池的原因所在，對手太強大了。

此外，三星和寶馬也都在研發(fā)硫化物固態(tài)電池的技術(shù)。今年3月初，三星高等研究院(SAIT)與三星日本研究中心(SRJ)在《自然-能源》聲稱，已經(jīng)開發(fā)出一種高性能全固態(tài)電池。這種電池的循環(huán)壽命超過1000次，可以讓電動汽車在單次充電的情況下行駛800公里。

去年，三星還參與投資了Solid Power。而寶馬則于2017年開始，就與Soild Power共同開發(fā)固態(tài)電池。在硫化物路線上，能不能盡快出成果，也考驗著這些企業(yè)的耐力和實力。

不過，以豐田固態(tài)電池的緩慢的制造過程而言，我們就知道，離大規(guī)模生產(chǎn)還有很遠的距離。

豐田的固態(tài)電池必須在超干燥的非水環(huán)境中生產(chǎn)，是在一個名為“手套箱”的透明盒子中制造，工人們通過緊密嵌在盒子上的橡膠手套將手伸入箱子里面操作。很明顯，這還處于試驗室的階段，離大規(guī)模制造還很遠。

Keiji Kaita也謹慎地表示，豐田仍有望在2025年實現(xiàn)“有限數(shù)量”的生產(chǎn)。但是，由于生產(chǎn)規(guī)模較小，最初的成本會很高。所以，最初生產(chǎn)的幾年里，這種固態(tài)電池的產(chǎn)量將非常低。而且，豐田的目標是，這種電池經(jīng)過較長時間(30年)的使用后，仍然能夠保持90%的性能，這讓該電池的研發(fā)變得更加復雜。

綜合來看，目前各大車企都在加緊固態(tài)電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化布局，而三星SDI、SKI、LG化學、麻省固能SES以及QuantumScape等，在固態(tài)電池領(lǐng)域也在不斷取得新突破，時不時會出新的成果。

國內(nèi)包括輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、清陶能源、萬向一二三、衛(wèi)藍新能源等中國企業(yè)，也都在建設(shè)固態(tài)電池產(chǎn)線，甚至部分已投產(chǎn)。而面向2025年后的下一代動力電池的卡位戰(zhàn)，早已經(jīng)悄然拉開戰(zhàn)幕。

不過，固態(tài)電池的實際應用前景，看來還在2025~2030年，任何過于樂觀的估計和預測，在現(xiàn)實面前，都需要冷靜一下。

就像中金分析的那樣，目前的鋰電體系迭代后可以實現(xiàn)800~1000km的續(xù)航，能夠滿足需求。此外，在供應鏈配合與規(guī)模效應下2025年前能夠?qū)崿F(xiàn)燃油車和純電車平價。而固態(tài)電池一方面宣傳的1000~1400km高續(xù)航影響力有限，沒有現(xiàn)實中的充電網(wǎng)絡(luò)便捷性重要;另一方面，固態(tài)電池高企的成本也導致了5~10年內(nèi)的性價比實在不高。

固態(tài)電池未來的前景非常誘人，根據(jù)中銀國際測算，全球固態(tài)鋰電池的需求量在2020年、2025年、2030年分別有望達到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh，2030年全球固態(tài)電池市場空間有望達到1500億元以上。但是，記者認為10年之內(nèi)，固態(tài)電池還無法主導。