万众瞩目的固态电池还要多久才能用到新能源汽车上？
“它们更轻，能量密度更高，续航里程更长，成本更低，充电时间更快。但用于汽车的固态电池组还远远没有准备好。”
（Solid Power 公司展示的固态电池样品）
汽车制造商希望有可行的固态电池，虽然有报道称固态电池技术一直在进步，但汽车电池组还远远没有准备好。
大众、丰田、通用、现代和福特、蔚来等都对固态电池技术公司进行了大量投资。
目前全球范围内固态电池的潜在供应商有QuantumScape、Solid Power，辉能科技、赣锋锂业、清陶、卫蓝新能源等
固态电池可能会在2020年代后期进入汽车领域，但它最初可能只是一个展示这项技术的平台，而且价格要比锂离子电池高得多。
固态电池公司QuantumScape2020年11月27日首次上市，在不到一个月的时间里股价迅速飙升至256%。大量媒体报道称，这家初创公司正与Tesla竞争，并推出了汽车行业最有价值的股票之一，比尔·盖茨也成为其中的一名投资者。但随后股价从最高点暴跌60%，InvestorPlace.com网站报道说“其股市表现轨迹类似于自由落体”， 一些投资集团甚至对QuantumScape公司提起集体诉讼。
这里面到底发生什么事了？
首先，先给固态电池来个轮廓描述。固态电池是使用固态电解质替代液态电解液作为离子传导的媒介（图1），固态电池显示出巨大的应用前景是因为它们消除了使传统锂离子电池沉重的液体电解质，并解决了液态电池在高温下面临的胀气、热失控等危险问题。固态电池可以更轻，具有更大的能量密度，更长的续航，更低的成本，更快的充电时间。但股市的繁荣掩盖了这样一个事实：将固态电池推向市场是很困难的事，需要相当长一段时间，目前大部分公司和研究团队均在电芯（Cell）级别上进行研究，而面向汽车用的电池模组（Pack）还远没有准备好。
QuantumScape公司是斯坦福大学（Stanford University）与大众汽车集团（Volkswagen Group）2010年在加州成立了一家合资企业（大众投资超过3亿美元）。该公司今年1月份声称其在电池商业化方面迈出重要一步，他们已经制造出了耐火型电池（图2），在1100次循环后仍至少能保留80%的容量。该公司在推特上宣布：“这种电池模型如果对应300英里的电池组，其行驶里程可超过30万英里；如果对应500英里的电池组，其行驶里程超过50万英里。”它希望到2024年将其电池商业化。（备注：1英里=1.6公里）
但有两件事使公司股票走下坡路。一件是1月4日发表在Seeking Alpha（面向金融市场的大众内容服务机构）的报告称QuantumScape的电池“体积太小，未经验证”（甚至比iWatch电池还要小），从未在实验室外测试过”。 报告里提到，“它们可能永远不会达到他们宣传的性能。”
图3 大众集团的电动汽车概念车
根据Seeking Alpha的说法，“构建一个固态电池，使其能够在真实场景中达到所需的倍率和温度功能，是非常，非常困难的。事实上，这太难了，以至于没有人做过。”
就在几天后，纽约的一家律师事务所Gainey McKenna&Egleston宣布代表投资者对QuantumScape提起集体诉讼，指出在Seeking Alpha事件发生后，股价下跌了40%。该律所声称所有投资者可以在3月8日之前申请成为集体诉讼团队的一份子。
QuantumScape已经明确表示，电池仍处于开发阶段，测试结果来自小的电池原型（small prototypes），而不是完整的电池组。首席技术官（CTO）蒂姆 霍尔姆（Tim Holme）1月15日说：“我们还有很多工作要做。”
QuantumScape创始人兼首席执行官（CEO）贾格迪普·辛格（Jagdeep Singh）在接受采访时表示，公司没有歪曲其技术。“Seeking Alpha的故事毫无价值，” 他说，“它读起来就像是一个对电池一无所知的人写的。”辛格对他的解决策略充满激情和信心，通过使用固态陶瓷隔膜，公司将在其他人失败的地方取得成功。
很明显，汽车公司希望有可行的固态电池，据报道有些公司比其他公司做的更好。日本经济新闻（Nikkei.com）网站2020年12月报道，“丰田计划在2020年代初成为第一家销售配备固态电池电动汽车的公司。这家全球最大的汽车制造商将在2021年推出一款原型车。”
丰田（Toyota）确认了其固态计划，但对推出时间表持更为谨慎的态度。“下一代电池，如固态电池和金属空气电池，比锂离子电池更安全，表现出更好的性能，”丰田汽车北美安全和质量通信经理埃德·赫尔维格（Ed Hellwig）说。“我们目前正在研发，包括固态电池的生产技术，我们已经实现了超小型电动汽车的驱动。我们正在加快发展，争取在2025年实现商业化。”
通用汽车（General Motors）也在研发固态电池，但并没有透露其研究成果，而是宣布了对传统Ultium电池的改进。到2025年，通用汽车预计电池的成本将比现在的电池低60%，能量密度是现在的两倍。发言人PhilLienert说：“我们对未来的电池技术还不能说太多。”
蔚来汽车同样在合作研发固态电池、蔚来汽车1月9日在国内率先发布了一款单体能量密度达360Wh/kg的150kWh固态电池包产品，计划将于2022年第一季度装车，但董事长李斌在接受记者采访时表示，蔚来固态电池的供应商不方便透露。李斌说，蔚来汽车与固态电池供应商之间有着非常紧密的合作关系，且肯定是业内最领先的公司，“我们会全力加快量产，我们选择的是最好的、最先进的、能够量产的技术。”
福特（Ford）和现代（Hyundai）对总部位于科罗拉多州的固态公司Solid Power进行了投资。Solid Power首席执行官（CEO）道格·坎贝尔（Doug Campbell）对《汽车周刊》（《Autoweek》）表示，他的公司在无液体22层叠片硫化物基全固态电池研究方面取得了非常好的效果。“我们希望在2026年左右看到商业上可行的生产，也表示着汽车电池的成本不会太高，” 他补充说，“公司的突破性发展将很快到来，也许在2020后的第一个四年内，请大家继续关注。”
Solid Power表示，其生产的电池能量密度高于目前可用的任何锂离子电池，到2022年，电池的能量密度可以超过400 Wh/kg。该公司表示，其“秘密武器”是在科罗拉多州路易斯维尔工厂生产的硫化物电解质粉末。发言人威尔·麦肯纳（Will McKenna）说：“Solid Power在具备大规模生产固体电解质能力后将把电池生产外包。”
国内近些年也涌现出台湾辉能科技、江西赣锋锂业、清陶能源、卫蓝新能源等诸多固态电池供应商，其差异在于发展路线是基于硫化物还是氧化物固态电解质材料。
辉能科技称早在2013年就实现了固态电池的量产，不过主要应用在消费电子领域（图4），近几年来则加速了在新能源汽车领域的布局。辉能科技是全球首家可以实现固态锂电池卷片生产的产线，其创始人、CEO杨思枏透露，2021年年初辉能科技会实现固态电池大规模量产。“固态电池在整体高能量情况下，安全性还是有疑虑的。”杨思枏在接受《电动汽车观察家》专访时也表达了对固态电池安全性的忧虑。
同样基于氧化物发展路线的还有清陶能源和卫蓝新能源公司，值得注意的一点是氧化物固态电解质的本征低离子导率的缺点难以满足全固态电池的要求，该类型电解质材料在使用过程需要配合掺入一定质量分数的电解液。许晓雄博士在汽车百人会上曾提到，“基于氧化物固态隔膜的混合固液电解质锂电池可以兼顾较高能量密度的安全特性，现在已经具备了产业化的基础，而且这个技术在国内很多专利还都是国内的自主知识产权。但是其规模化的推广还是需要国家政策的支持。” 2021年2月1日科技部下发 “十四五”国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项征求意见的子课题中提出发展全固态金属锂电池技术（基础研究），有一项考核指标室温电导率＞1 ms/cm，基本等于把氧化物固态电解质的选择挡在门外。
基于硫化物发展路线的供应商是江西赣锋锂业和宁德时代，呈现出良好发展势头，未来想要进一步在硫化物固态电池有更高的建树，需要考虑如何突破丰田、日立造船等日本企业在硫化物固态电解质领域的专利封锁。而针对蔚来汽车宣布的2022年第一季度可装车的单体能量密度360Wh/kg 、容量在150kWh固态电池包（图5）的供应商直到现在依然是一个谜团。
图5 蔚来150kWh电池包，采用固态电池技术，单体能量密度360Wh/kg
坎贝尔（Solid Power CEO）说：“基于固态电池研发早期的炒作和不实宣传一直是个问题。电池界已经因过度承诺和交付不足慢慢被败坏名声。吸取这一教训能有效降低股票投机者对电池公司一夜之间出现奇迹的预期。” 托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在1883年明确指出了这个问题，他说：“在我看来，蓄电池是一种花销，一种轰动，一种股票公司欺骗公众的机制。”
知乎网友表达了对固态成本的担忧“目前液态锂电池的成本大约在1200~2000元/千瓦时，如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池，其成本会高达6万元，更别说为汽车供电的固态电池成本了。”但同时他表示“任何新技术、新产品刚出来成本都较高，一旦生产技术成熟、产量上去了，成本自然而然就能下来，这就需要像比亚迪或宁德时代这类巨型企业的巨量投入才有实现的可能了。”
分析师们对可能带来的好处和需要克服的障碍进行了合理评价。Guidehouse Insights电子移动首席分析师Sam Abuelsamid表示：“固态电池在解决快速充电时的稳定性、安全性等诸多挑战方面有着巨大的前景和潜力。然而，迄今为止还没有人能够从人工制作样品过渡到扩大电池尺寸和产量，以达到为汽车提供动力的实际效果。与我交谈过的大多数真正了解电池的人都不看好固态电池出现在任何一个pack中，直到2020年代末。”
Abuelsamid同时表示，丰田预计不会在2025年前推出固态电池，通用汽车及其LG合作伙伴“也在走这条路，但最早也只能指望固态电池在2020年代后期才能用。”关于QuantumScape，他表示其设计“看起来很有趣，但我不确定在充电时使用锂负极的想法是否可行。”
固态电池匹配金属锂负极的一个障碍是，负极会产生一种称为“枝晶”的树枝状尖峰晶体，导致电池寿命缩短和安全问题。三星声称用银碳复合层负极解决了这个问题。该公司在2020年表示，其开发的小型电池具备用于500英里续航里程、1000次循环、50万英里的潜在能力。不过，三星并没有商业化的时间表。该公司表示：“这项研究的成果可能是未来更安全、高性能电池的种子技术。”
图6 QuantumScape公司的固态电池解决方案
尽管汽车制造商有着宏伟的计划，电池供应商也在不断的突破，但他们的合作通常也会面临挫折和分歧。2015年，英国吸尘器巨头戴森斥资9000万美元收购了总部位于密歇根州安娜堡的Sakti3公司及其专利，这是一家由前密歇根大学工程学教授安·玛丽·萨斯特里领导的固态电池公司。
图7 戴森电动汽车概念车
Sastry，作为戴森研发团队的一员，他拒绝公开发表讲话，他离开了戴森（也是在2017年），然后宣布了加入Amesite，这是一家人工智能驱动的软件公司，基于云平台上为K-12学校、大学和企业提供具有吸引力和成本效益的在线课程和项目。
戴森在给《汽车周刊》的一份声明中说，公司的固态电池工作仍正在进行中。该公司表示：“我们很显然仍在对固态技术进行投资，并将继续在安娜堡研发这项技术。”戴森的工程师们正在研究电池、材料和电极，期望提高能量密度，而且让电池更安全、更环保。戴森的研究跨越了美国、日本、新加坡和英国，重点是戴森公司固态电池技术商业化的专利。它承诺比现在的现有电池更安全、更清洁、更持久、更高效的储能。”
2011年，法国亿万富翁文森特·博洛雷（Vincent Bolloré）是电动汽车租赁公司Autolib的幕后推手，他使用了大约2500辆小型汽车和自己的固态锂金属聚合物（Lithium-Metal-Polymer，LMP）电池。它开始于巴黎，并蔓延到其他法国城市，最终在印第安纳波利斯开设了一个分支机构——蓝印地公司，推广了相同的汽车。但法国航空公司在2018年关闭了这项服务，蓝印地公司也在2019年关闭。
该公司表示，从戴姆勒（Daimler）eCitaro 客车（图8）和Autolib的汽车上看到，它的电池已经行驶了1.86亿英里。博洛雷集团仍将致力于其技术，并通过Blue Solutions公司在法国和加拿大建造工厂，以制造LMP电池。Blue Solutions北美业务发展负责人阿德里安·泰利姆（Adrian Tylim）表示，租车业务达到了他们的目的，也证明了LMP电池的功效。
泰利姆指出，博洛雷拥有世界上唯一商业上可行的固态电池组，这使它在开发下一代电池方面处于领先地位，尤其是基于该类型电池能够在室温下工作的技术攻关。他说：“我们还没有达到目标，但我们需要的是渐进式的进展。”
伍德麦肯齐（Wood Mackenzie）负责运输和流动性的首席分析师拉姆·钱德拉塞卡兰（Ram Chandrasekaran）提出了一个至关重要的观点：汽车制造商也许能在2020年代后期将固态电池应用到汽车上，但它最初可能是展示这项技术的一个窗口，目前还不是一个可行的市场行为。“它们仍将比传统的锂离子电池贵得多，”他说。“要让固态电池买得起并逐步安装到大众市场的汽车上，还需要一点时间。”
休眠多年的固态电池市场现在正在升温，其他参与者包括Ionic Materials、Sion Power、万向一二三、鹏辉等诸多公司。这些公司中会有一家生产未来的电池吗？似乎很有可能。
本文来源：Battery Insider