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多家企业机构发力，固态电池商业化还需多久？
时间:2019-09-17 09:14来源:中国电池联盟 作者:龙阙
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9月12日，澳大利亚联邦科学与工业研究组织宣布，将与日本化学品制造商Piotrek合作开发高能固态锂电池，计划在未来5年内面向全球市场推出，用于电子设备、无人机和电动汽车等领域。
澳联邦科学与工业研究组织表示，该机构在固态电池研发中有“可逆加成断裂链转移”技术，能与日本Piotrek公司的“离子导电聚合物”技术结合，有望在此基础上开发出“世界上最安全、寿命更长的高能固态电池”。
从目前技术进展来看，市面上售卖的纯电动车主要采用的是锂离子或锂聚合物电池，绝大多数属于液态或凝胶态电池，只是由于正极材料的不同，又分为了NCA、NCM等不同的电池种类。
相比于液态电池，全固态电池的优势比较明显，尤其是在安全层面上，液态锂电池由于过度快充时会产生“枝晶”，刺穿内部隔膜引发电池短路而起火爆炸的危险。而理论上，固态锂电池则可避免此危险发生。
而在工作原理上，其固态的电解质具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量和能量密度。
一
固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的新型电池，与传统电池相比具有能量高、安全性高等优势，是电解质采用固态材料的锂二次电池，与传统锂离子电池的区别在于，它是以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。
目前，固态电池主要有两大优势，一是安全性高，二是能量密度高。
传统锂离子电池在过充或是内短路的情况下，容易导致电解液发热，进而有自燃或爆炸的危险性。而固态电池由于是固态电解质，不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液，安全性相比传统锂离子电池要高。
此外，由于固态电池使用的是固态电解质，因此无需隔膜与电解液，可以节约近40%的体积和25%的质量。
除此之外，固态电池还包括循环寿命长、工作温度范围宽、薄膜柔性化、回收方便、可快速充电、与电极材料相容性好，以及耐潮湿环境等优势。而相对应的，全固态电池的缺点只有成本高、产能低等自身属性之外的因素。
固态电池由于在安全性、可靠性、能量密度、循环寿命等多方面性能优势明显，被业内认为是较为理想的下一代电池技术体系。
根据《汽车产业中长期发展规划》、《节能与新能源汽车技术路线图》等文件表示，动力电池系统能量密度需要在2025-2030年达到350Wh/Kg，以满足普通电动汽车的续航里程要求。固态电池作为最容易达到这一要求的技术路线，也受到行业重视。
此外，中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高曾表示，锂离子电池具有成为动力电池主流技术的潜质和前景，但瓶颈是安全性。从改善电池本身安全性出发，要发展新型的固态电解质电池。中国电池产业国际竞争压力巨大，需要全力追赶固态电池前沿技术。
据了解，下一代固态锂电池的能量可能是目前锂电池的两倍，在新能源汽车等领域应用前景广阔。固态电池不像传统电池那样有易挥发和易燃的液体，在受到撞击和损坏等情况下也不易燃烧。
二
澳联邦科学与工业研究组织电池研究部门负责人亚当·贝斯特表示，有多家公司在争相研发固态电池，预计2025年前市场上就会有使用固态电池的产品。
据了解，过去十年内固态电池领域专利数量增长已经超过了10倍。许多整车企业早已开始自主研发、合作研发或是通过投资入股初创企业等方式加快对固态电池技术的研发速度。
虽然全固态电池的产品优势颇多，但至今还没有任何一家企业能将这项技术真正用于实践，由此可见其研发环节的挑战。而一个鲜明的例证就是，虽然全球范围内开展固态电池研究的机构很多，但彼此之间的研发进展还存在着较大差异。
根据不完全统计，目前全球范围内约有五十多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术。
国际上，固态电池发明专利方面，日本占据了全球范围内的一半以上，丰田更是以26项专利占据单一机构中的首位。除此之外，在欧美地区，专攻这一领域的创业公司数量也开始逐渐增多。
2015年，戴森收购了一家专门开发全固态电池的公司Sakti3。Sakti3在氧化物固态电解质研发上处于领先地位。
2018年，戴森表示正在开发一种极具创新理念的电动汽车，量产车型将于2020年上市，其电动力系统将采用Sakti3研发的固态电池。
2017年，现代宣布研发固态电池技术。2018年7月，现代宣布投资Ionic Materials公司，进一步进行固态电池研发工作，预计将于2025年实现固态电池量产。
2018年7月，大众向拥有超过200多项关于固态电池的技术专利QuantumScape投资约1亿美元，旨在2025年前建立固态电池生产线。
2019年8月，美国新能源公司SF Motors旗下部门TeraWatt Technology宣布推出4.5Ah固态电池设计原型，且该电池的能量密度达到创纪录的432Wh/kg，突破了高镍三元的能量密度上限。
此外，丰田在固态电池领域拥有大量专利，约252件，占比13%，目前位列全球第一。
丰田是基于硫化物电解质、石墨类负极的锂离子电池路线推进的固态电池产业化，实验室产品能量密度达到400Wh/Kg，预计2022年推出搭载全固态电池的电动车型，2025年实现量产。
宝马除了自建电芯研发中心，研发固态电池技术外，还于Solid Power在固态电池方面达成深度合作，有望于2026年实现固态电池量产。
三
在国内，由宁德时代引领的企业，对全固态电池深入研究多年，但发展路径却存在差异。
宁德时代主要以硫化物电解质为研发方向。目前，容量为325mAh，能量密度为300Wh/kg的聚合物锂金属固态电池300周循环以上剩余82％，由此可见，距离真正投入商业化尚有一定的差距。
如果按照地区划分，固态电池的海外发展主要集中在美国Sakit3、日本丰田、法国Bollore。
据了解，日本采取以丰田为龙头的多家机构联合的方式研发全固态锂电池，是全球范围内规模最大的联合机构，预计总投资100亿日元。
此机构包括丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。
与日本不同的是，欧美企业主要采取自主研发。
2011年10月，法国Bollore开始利用自主开发的电动汽车“Bluecar”与电动巴士“Bluebus”，在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“Autolib”，已累计投入了3000辆BatScap制造的固态电池30kWh。
美国Sakti3致力于电池技术的研究已有20年，且拥有70余项专利。2015年10月，被真空吸尘器创新者戴森以9000万美金的价格全资收购，以解决应用在其产品中的可充电锂离子电池续航时间不够长、安全性有限的问题。
Sakti3目前存在的最大问题是其采用薄膜沉淀工艺的制造技术，使得成本居高不下，且在未来降低成本的可能性也不算太大。因此在现阶段，其产品只能应用于小型家电之中。
特斯拉CEO马斯克曾表示，固态电池技术有一定前景，但距离技术成熟还需要时间，目前也不足以改变特斯拉的战略。
根据大部分企业的规划，固态电池技术真正成熟可能需要等到2025年前后，真正具备量产能力可能需要等到2030年前后。
固态电池规模化生产需要考虑生产技术、生产设备、生产环境等多方面因素，相比传统锂电池对生产设备的精度有着更高的要求，还需要高度干燥的生产环境。
此外，想要进行商用化量产，固态电池除了本身性能需要一定的验证周期外，和主机厂的车辆产品匹配也需要进行验证。
从整体来看，固态电池现在的制备技术成熟度还有待加强，能形成规模产能的企业有限，技术规模化扩产需要克服的困难还有很多。
(责任编辑：子蕊)
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