撰文 | 吕一星

近日，宝马集团称，与德国政府合作开发下一代电芯项目取得新进展：2030年前，宝马将为量产车配备固态电池。

宝马集团董事长齐普策表示：“我们正在为‘新世代’车型专门开发下一代电池技术。通过该车型，我们将在电力驱动技术方面实现巨大的飞跃。我们希望大幅提高电芯能量密度，同时减少材料和生产成本。此外，我们还将提高可再生材料的使用比例，以确保我们生产的是真正的‘绿色’电池。”

本文就来聊聊，目前几种固态电池的技术路线，以及最新的进展。以及我们可以分析一下，为什么宝马把量产固态电池的时间表放在了2030年？

固态电池和锂离子电池的技术差异

宝马压下重注的固态电池到底靠不靠谱呢？要讲清楚这个问题，我们先要从动力电池的技术原理说起：动力电池是利用化学反应的可逆性，在电池放电后，可通过充电的方式使活性物质激活而循环使用的电池。因此也叫“二次电池”。

目前商用的锂离子电池正负极间的锂离子通过电解液传输，电解液是锂盐溶于有机溶剂制备的溶液，充电时，电池的正极上有锂离子生成，锂离子从正极脱嵌经过电解液嵌入负极；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解液嵌入正极。

▲锂离子电池化学反应原理

由于电解液溶剂一般为易燃的碳酸酯。一旦电芯受外力作用破损短路，很容易起火。而固态锂电池与传统使用电解液的锂离子电池不同：是用具有离子导电能力的固态电解质全部或部分替代电解液，使电池内易燃的有机溶剂用量大幅度减少或完全被去除，有利于提升电池的安全性。其中完全不含液态电解质的电池被称为全固态电池；含有固态电解质和部分液态电解质的电池被称为半固态电池或固/液态电池。

固态电池分为固态锂离子电池（不可充电循环使用）和固态金属锂二次电池（可充电循环使用），可应用于电动汽车上的是后者。固态金属锂二次电池采用高比容量的金属锂作为负极（是用于传统动力电池负极的石墨材料比容量的11倍），因此电池的能量密度有显著提升。从下图能看出两者在工作原理上的差异，同时也能看出，固态电池在体积上要比液体电池小很多，封装难度也更低。

▲传统锂离子电池（左，含电解液）与固态锂电池（右）的工作原理差异

对于固态电池的研究始于20世纪50年代末，至今已超过60年。虽然全固态金属锂二次电池理论上具有多种传统液态锂离子电池所不具备的优势（如安全性好、比能量高等），但要实现商业化量产，还有不少技术障碍需要解决。

固态电池电解质材料三种路线以及进展

全固态金属锂二次电池的核心材料是“固态电解质”，其科研进展直接决定这种电池的产业化进程。目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料：聚合物、氧化物和硫化物。而至今还没有企业能做出兼具高能量密度、高安全性的大容量全固态动力电池。所号称的“固态电池”采用的大部分为固液混合电解质（所以蔚来的李斌之前声称ET7上将率先装备固态电池，就是纯忽悠。当然后来迫于压力，蔚来也澄清了ET7上装备的其实还是固液混合的半固态电池）。

下面我们从聚合物、氧化物和硫化物这三种材料的技术路线，来分析一下目前固态电池的研究进展。

路线一：聚合物路线

早在2011年，法国Bollore集团旗下子公司、欧洲电池“大咖”Batscap公司研发的固态聚合物锂金属电池，被装进意大利著名汽车设计公司宾尼法利那（Pininfarina）设计的车体内，打造出Bluecar系列微型电动车，主打共享租赁汽车市场。是目前唯一在电动汽车上实现批量化商业示范运行的固态锂二次电池项目。

▲法国Bollore固态电池电动车

Batscap公司采用的是上面所说的第一种固态电解质材料：锂聚合物固液混态电解质。保有量达到4000辆，主要在巴黎地区运行。这种电池循环充放寿命超过2000次，电池能量密度为180~200Wh/kg，与目前现有的锂离子动力电池相比，并无明显优势（目前高水平的磷酸铁锂电池能量密度可以达到190Wh/kg，三元锂电池单体能量密度可以达到270Wh/kg）。加之需要保温在80℃下运行工作，严重限制了这种电池的产业化应用，到目前进展也不大。

2015年，德国博世公司曾以8000万欧元的价格收购了一家名为Seeo的美国电池公司，重点开发固态电解质技术。据报道，Seeo公司所研发的新型固态电池采用聚合物薄膜固态电解质，能量密度可达到350Wh/kg。

但在2018年3月，博世却宣布已决定不再自行生产电池，理由是投资风险太大。因此决定放弃生产计划，甚至完全剥离电池生产的相关资产。显示出其在固态电池技术研发上遭遇重大挫折，博世已不看好Seeo所采用的聚合物薄膜固态电解质技术的商业化前景。

路线二：氧化物路线

由大众集团支持、位于加州的固态电池公司QuantumScape目前是固态电池领域的先驱。从其申请的专利来看，其采用的是上面所提到的第二种固态电解质材料：氧化物体系下的石榴石状复合氧化物固态电池（Composite Garnets Solid-state Battery），主流电解质体系为Li3La3Zr2O12（LLZO），即锆酸镧锂。这也是目前固态电池的氧化物路线中，最可能实现量产的材料，也是2007年后新发现的对锂金属最为稳定的氧化物电解质体系中的分支。实用方面，国内的清陶（昆山）发展有限公司，已经有两条小的生产线开始投产。

QuantumScape宣称这款固态电池相较于传统的锂离子电池，经过800次充电后仍能保持80%以上的容量，技术上有着明显的进步（如下图）。

此外，QuantumScape公司宣称这款电池是阻燃的，电池体积能量密度超过1000Wh/L，几乎是顶级商用锂电池组密度的两倍，也是目前特斯拉Model 3所用电池的四倍。

锆酸镧锂（LLZO）体系的优点是，一是所有目前固态电池电解质体系中，对锂金属适配性最好的电解质，相对有可能直接跳过硅负极，实现锂金属负极的应用。二是，LLZO的电化学窗口宽，可以承受5V以上的电压。

QuantumScape公司称这种固态电池能将电动汽车的续航里程提高80%，并能在15分钟内充满80%的电量，并将于2024年投入生产。而它突破的关键是，使用柔性的陶瓷电解质取代液体电解质。据悉，即使在零下30摄氏度的极低气温下，电池性能也不会受到影响。固态电池似乎离我们越来越近了。

目前来看，这可能是第一个商业上可行的固态电池。

路线三：硫化物路线

日本企业所选择的固态电解质材料则以上面所说的第三种材料硫化物为主，是三种路线中技术难度最高的，但潜力也很大。

丰田是坚定的硫化物技术支持者。而丰田在固态电解质材料方面的技术基础，来自于日本东京工业大学的菅野了次教授2011年发明的硫化物固态电解质，其室温下离子电导率10-2S/cm（超越了传统有机电解液）。经过十几年的研究，丰田不仅获得了固态电解质材料、固态电池的制造技术等方面的专利，还研发了一整套的正极材料和硫化物固态电解质材料回收的技术路线和回收工序。但即便如此，丰田在固态电池技术的产业化应用上也曾遭遇挫折——2013年，丰田曾在其报告中表示：到2020年，它将市场化其硫化物固态电解质。然而在4年后的2017年，丰田将这一预期推迟2年，由此可见硫化物固态电解质材料的量产难度之大。

硫化物固态电解质之所以难以量产，除了硫化物固态电解质与正负极的界面接触稳定性较差外，硫化物电解质在空气中也极不稳定。在生产过程中与空气接触后容易受潮，且吸潮后会发生化学反应产生有害气体硫化氢（H2S），因此必须在超干燥的环境中生产。丰田的工程师在生产这种材料时，是在抽光了水汽的透明手套箱中制造（如下图），工人们只能通过紧密嵌在盒子上的橡胶手套将手伸入箱子里面操作。很明显，这还处于试验室的阶段，远没到能够大规模制造的程度。

写在最后

根据以上的现状分析，在2025~2030年，对于固态电池的实际应用前景任何过于乐观的估计和预测都不太现实。蔚来的半固态电池能否在2022年四季度如期量产，笔者对此持保留态度，有“期货营销”之嫌。

因此，笔者认为宝马此次宣布将在固态电池上押宝并投入重金，不啻为一场豪赌。但想种一棵树，最好的时机是十年前，其次是现在。宝马在其官方声明中称预计在2025年发布应用固态电池的原型车、2030年开始为量产车配备固态电池的时间表，也是一个相对谨慎务实的目标。而宝马加入固态电池研发的战场，对于固态电池的产业化应用将是一个有力的推动。

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