文｜秦翔昊
編輯｜陳亮
一年一度的春運大潮開始湧動。堵車、充電排隊時間長，成為所有開純電動汽車返鄉人的煎熬。
春運大潮
圖源/IC
如何讓純電動汽車可以跑上1000多公裏，如何讓純電動汽車可以在城際出行中提供最大便利性成為所有消費者的殷切需求。當液態電池逼近化學體系的最高閾值時，固態電池成為所有車企和電池企業的關註點，其中全固態電池被認為是可能顛覆電動汽車產業的新電池技術。
全固態電池是所有部件均是固態物質的電池，尤其是現在使用的液態電解質要替換為固態電解質。
中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高在「中國全固態電池產學研協同創新平台」（以下簡稱CASIP）的揭牌儀式上對 財經汽車（ID：caijingqiche） 表示，全固態電池是下一代電池首選方案之一，日韓美歐都在大力研究，是下一代電池技術競爭的關鍵制高點。
因此，如何打贏下一場電動化之戰，如何讓消費者更願意接受純電動汽車，這是中國學界和產業界的新命題。
01 全固態電池有哪些好處
根據2024年汽車之家和新浪汽車的【新能源汽車使用者用車焦慮洞察報告】，消費者在購買新能源車時最主要的三個焦慮點包括電池未來更換成本高、續航裏程不足以及安全效能差。
具體到續航方面的擔憂，新能源車主最關註的是在高、低溫條件下的能耗增加，這一點的占比最高，達到36%。此外，對於未來續航的衰減也有較大的擔憂。
除此之外，充電相關的問題也引起了車主廣泛關註，例如充電排隊等候時間長、快充時間長以及公共充電樁的適配問題等。
安全效能方面，使用者最擔心的是電池安全問題，特別是擔心因碰撞或高溫環境導致的電池起火問題，這方面的擔憂占比分別高達81%和67%。而受客觀規律的限制，現階段的動力電池，即便再安全，在極端條件下都有可能燃燒起火。
而全固態電池擁有的「高能量密度」「高安全性」和「高充電速度」似乎是解決電動車車主各種焦慮的終極答案。
東風汽車集團有限公司研發總院副院長史建鵬在「中國全固態電池產學研協同創新平台」成立大會上表示，「電池的發展應該是30年一個叠代」 。
而歐陽明高院士也認為「我們到了新一輪的材料創新周期，這個周期是2030年左右」。如此估計，全固態電池的商用在六年左右就要到來了？先別急，先看看全固態電池到底是啥，是怎樣工作的。
全固態電池乍一聽有點令人疑惑，「全固態「？難道現在電動汽車底下的電池是液態的？液態的電池怎麽裝上車呢？
其實目前廣泛裝車的動力電池以鋰電池為主，盡管它們在外形上看上去也是固體的，但是電池內部充滿了液態的電解質，只是包裹著他們的材料是固體，人們通常會以為電池就是一整塊固體。
液態電池通常指的是使用液態電解質的電池，主要有鉛酸電池和鋰電池。在這類電池中，正極和負極材料透過一種液態的電解質介質隔開，而電解質通常是一種含有鋰鹽的有機溶劑。
以鋰電池為例，當電池充電時，正極釋放鋰離子，這些鋰離子透過電解液移動到負極並嵌入其中。放電時，過程逆轉，鋰離子從負極釋放並移動回正極。
鋰電池的關鍵優勢在於其的較高能量密度和成熟的制造工藝。然而，液態電解質的缺點是有潛在的安全風險，如泄漏、過熱甚至起火。
鋰電池本身的充放電也會在電池內部生成鋰枝晶，經過多次充放電（一般是千次以上）逐漸生長的鋰枝晶有可能會戳破電池的隔膜，直接連線電池正負極，造成電池短路，並起火爆炸。盡管化學性質較穩定的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4） 與三元鋰電池相比有著更高的安全性，但犧牲了一定的能量密度。
其實在極端條件下，鋰電池都能起火，而鋰電池的電解質在燃燒時還會分解形成氧氣，讓燃燒更加猛烈，一旦鋰電池起火，人們所能做的只有等待它徹底燒完。消防隊趕到也只能澆水降溫。
為了解決液態電池氮安全問題，電池企業們也努力從電池的制作材料、管理系統和結構設計上保障電池的安全，但仍然突破不了化學材料和物理規律的束縛。
而全固態電池則不同，全固態電池與傳統的液態鋰離子電池的主要區別在於電解質的狀態。全固態電池使用的是固態電解質，而不是液態的。
全固態電池的優勢包括更高的安全性、更長的使用壽命和更高的能量密度。它們也能在更廣泛的溫度範圍內執行 。因為電解質都是固態的，所以不存在泄漏引燃的問題，即便遇到鋰枝晶戳破隔膜也沒有問題，而固態電解質還有利於鋰離子更好地在正負極之間穿梭，能量密度和充放電功率也大大提升。
02 全固態電池難制造
雖然全固態電池具有高安全性、高能量密度、長使用壽命的優點，但其商業化和產業化難點重重。
目前全固態電池的挑戰在於制造工藝復雜，成本較高。盡管已經有部份車輛安裝了固態電池，但總的來說固態電池目前還處於研發階段，離大規模生產和商用還有一定的距離。
要做好全固態電池首先要解決材料關。全固態電池需要找到具有高離子導電性（好讓鋰離子穿過）、高穩定性的固態電解質材料，並且需要追求成本效益。
從上世紀70年代開始，國內外許多科學家就做了大量的有關固態電解質的基礎研究工作，早期的固態電解質為氮化鋰、氧化物等，後續還出現了、硫化物、鹵化物等固態電解質。目前的全固態電池電解質主要有三種：聚合物、硫化物和氧化物。
以硫化物為例，初期硫化物電解質的效能並不是很好，但近十年來硫化物固態電解質發展迅猛，離子導電率甚至趕超了液態電解質。硫化物的離子導電率最高，且材料較軟能夠更好地與電極結合。
目前國外的企業中，日韓企業走硫化物路徑為主，如QuantumSpace的歐美企業以氧化物路線為主。
【A Performance and Cost Overview of Selected Solid-State Electrolytes: Race between Polymer Electrolytes and Inorganic Sulfide Electrolytes】論文數據，Li10GeP2S12（一種硫化物固態電解質）其成本為695美元/10克。相比之下，液態電解質的成本為0.012美元/千克。兩者成本相差約5000多倍。
國家動力電池創新中心副主任、國聯汽車動力電池研究院有限責任公司副總經理王建濤也表示，固態電解質的降本還是依賴於產業鏈前端原材料成本的突破。他還表示硫化物電解質化學穩定性、空氣穩定性很差，批次生產很難。
同時，硫化物固態電解質容易受潮，受潮後產生的硫化氫是劇毒物質，對人體健康危害極大，為此硫化物的防潮工作尤為重要，目前可以透過摻氧的方式提高硫化物的穩定性。
其次是固固界面挑戰。這一挑戰主要在於固態電解質與電極之間的接觸和相容性。
電池都有正負極，正負極一旦接觸電池都會短路並釋放大量的能量。而全固態電池既要保證固態電解液的導電性又要確保不會短路。
理想的界面應具有良好的電化學穩定性、高離子傳導性和低電子傳導性。由於固態材料之間很難做到完美貼合，導致電極與電解質之間的界面阻抗較高。這個問題會影響鋰離子的傳輸效率，從而影響電池的整體效能，所以尋找到一個合適的界面非常重要。
要完成這一點需要研究出更高效能的正負極材料和復合電解質膜，可謂是「三位一體」的工程。
用中國科學院物理研究所研究員李泓的話說，固固接觸是全固態電池研究「最核心的難題」。
第三是制造挑戰。盡管目前已有許多關於全固態電池的研究，但要讓全固態電池從實驗室研究向工業化生產的轉變面臨多重挑戰。
在大規模生產中保持電池元件的一致性、如何降低生產成本以及如何確保生產過程的可靠性和可重復性都是走出實驗室前急需解決的問題。
此外，全固態電池的生產工藝對現有的制造裝置和流程提出了新的要求，裝置的更新換代在所難免。
而目前中國占全世界鋰電產量的60%。在2030年這個材料更新的視窗期前，不知有多少公司的生產線能趕在這之前收回成本。
03 國際競爭激烈
工信部裝備工業一司副司長郭守剛在CASIP成立大會上表示，日、韓、美、歐等國家和地區，在紛紛加大力度、加緊布局全固態電池產業。
中國目前在傳統鋰離子電池領域具有有利競爭，但在全固態電池方面，歐美和日韓企業可能處於更領先的研發地位。
從專利數量來看，中國企業跟這些外國企業就有不小差距。豐田以1300多項專利位居世界第一，而專利數量前十的企業也均為日、韓、歐、美國家的企業。從固態電解質材料選擇方向來看，中國公司和歐美公司稱多元化發展方向，而日韓企業則專註於硫化物路線。
但從日本來看，日本是「舉國家之力推動全固態電池商業化」。據全國政協常委、經濟委員會副主任苗圩介紹，日本也有「官-產-學聯盟」，豐田、本田、日產目前在全球既做全固態電池研發又搞整車生產，在電池與整車效能匹配結合方面會比較有優勢。並且日本主攻硫化物技術路徑，有豐富的技術積累。
南韓的電池廠商比車企更積極地推動全固態電池的生產，都有各自的目標和計劃，而南韓也在2021年就公布了「K-電池發展戰略（K-Battery Development Strategy）」，旨在使南韓成為下一個二次電池產業的世界領先者。南韓三大電池生產企業宣布計劃到2030年，對該產業投資40萬億韓元（約合2144億元人民幣）。憑借著豐富的技術積累和巨大的投資，南韓也在全固態電池領域走在前列。
歐陽明高院士表示，南韓這三家電池廠在全固態電池方面都取得了實質性進展，尤其是三星，現在國內還有很多單位在復現他們做出的全固態電池。
歐美方面的全固態電池發展模式，主要是美國電池初創企業跟歐洲汽車公司的進行合作的模式。如風頭正盛的兩家美國初創公司Solid Power和Quantum Space就分別選擇了和寶馬、大眾集團合作。
其中 Quantum Space還在2023年公開了「電池迴圈1000周，能量保持率95%」的全固態電池迴圈數據，著實狠狠秀了一把肌肉，也讓自己的股價節節攀升。
同時據路透社報道，大眾集團還「押寶」了另一家法國集團Bollore旗下的電池公司Blue solution。而早在2011年，該公司就曾推出過一款聚合物固態電池電動車，但該車啟動前還需先將電池加熱到60度才能工作，且仍存在傳統電池安全問題，離「電動車終極形態」相差甚遠。
面對全球新能源汽車市場的激烈競爭，中國全固態電池技術的發展正處於關鍵的十字路口。在過去十年，中國雖然在鋰電池的技術創新和市場套用上實作了「彎道超車」，但要在全固態電池的技術突破和生產套用上仍需克服重重困難。
責編：趙成
