引言：今年以來，全固態(tài)電池的新聞越來越多。先是Fisker宣稱開發(fā)充電1分鐘、行駛500公里的固態(tài)電池，然后是寶馬宣稱與SolidPower合作開發(fā)下一代電動車用固態(tài)電池，現(xiàn)在豐田又宣稱將在2020年代前半（即2025年前）實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的實(shí)用化。如果這些成為現(xiàn)實(shí)，將會完全改寫現(xiàn)有的動力電池市場競爭格局，國內(nèi)車企及動力電池廠商需要予以重視。

鋰離子二次電池全固態(tài)電池將有望實(shí)現(xiàn)在EV應(yīng)用中的商業(yè)化，這一目標(biāo)達(dá)成時(shí)間最近快速提前至2022年左右并具體化起來，而面向智能手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)終端IoT的應(yīng)用將在未來的1-3年內(nèi)更早地實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。由于充電速度快、安全性高，有觀點(diǎn)認(rèn)為如果全固態(tài)電池能夠普及，將有可能重塑電池與電動汽車市場的勢力分布。此外，全固態(tài)電池還被認(rèn)為是大幅提高能量密度的途徑。

有全固態(tài)電池研究人員感慨以前說到要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，最早可能要到2035年。誰能想到竟然如此之快？3年前，有觀點(diǎn)稱最早預(yù)計(jì)可在2025年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，那時(shí)已經(jīng)是比最初計(jì)劃提前了10年。而今年，豐田公司副社長Didier Leroy先生在2017年東京車展上提到將全面加速全固態(tài)電池的實(shí)用化相關(guān)開發(fā)，爭取在2020年代前半實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。豐田目前的開發(fā)團(tuán)隊(duì)超過200人，已申請相關(guān)專利全球位居第一。 這一發(fā)

言則是在2025年基礎(chǔ)上，更早地讓我們看到了全固態(tài)電池實(shí)用化的具體時(shí)間。

豐田挽回EV滯后感的王牌

豐田所指的2020年代前半，具體是指2022年前后的可能性非常大（注1）。

注1）： 2017年7月日本就有報(bào)道稱豐田將在22年，在日本國內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池實(shí)用化，盡管后來這一報(bào)道被豐田相關(guān)技術(shù)人員否認(rèn)，但2017年11月再次有報(bào)道稱豐田董事長內(nèi)山田竹志先生向海外媒體宣稱全固態(tài)電池將在未來4~5年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化投入實(shí)際使用。另一方面，也有豐田技術(shù)人員稱這樣的實(shí)用化時(shí)間會讓人困惑，甚至有人冷靜地指出Leroy先生公開發(fā)表的內(nèi)容也僅僅只是努力目標(biāo)。豐田被認(rèn)為在電動汽車市場滯后于其他競爭對手，所以看起來似乎更多是管理層而不是技術(shù)團(tuán)隊(duì)期待通過全固態(tài)電池消除豐田的滯后感。

TDK將在2018年春實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨

明確全固態(tài)電池實(shí)用化時(shí)間的不止豐田一家（圖1），開發(fā)EV跑車的美國Fisker公司CEO HenrikFisker先生2017年11月在美國一檔電視節(jié)目中發(fā)表了與豐田非常類似的計(jì)劃再過4~5年，將在EV汽車上搭載公司獨(dú)立開發(fā)的全固態(tài)電池，這會是（電動汽車電池的）新玩家。

圖1：2020年前后開始量產(chǎn)，各廠家的全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間（含日經(jīng)技術(shù)推測）與用途。出現(xiàn)類似美國Fisker一樣的公司，面向汽車開發(fā)的電池，將早1-2年先向智能手機(jī)出貨。

所謂在汽車開發(fā)上4-5年內(nèi)實(shí)用化，這一實(shí)用化時(shí)期具體指的是主要技術(shù)就位，開始討論材料采購、工廠產(chǎn)能完成的時(shí)期。Fisker先生似乎是為了印證這一點(diǎn)，提到在EV上搭載前1-2年內(nèi)，將首先在智能手機(jī)上搭載基于相同技術(shù)的電池，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)銷售，F(xiàn)isker公司將在2018年1月在美國舉辦的CES2018展會上展出開發(fā)中的全固態(tài)電池。

而收購了索尼電池業(yè)務(wù)的村田制作所，TDK等公司，則更加的勢頭兇猛。TDK早有計(jì)劃2017年12月將實(shí)現(xiàn)基材表面封裝的超小型全固態(tài)電池樣品出貨，2018年4月將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨。村田制作所則目標(biāo)2019年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的實(shí)用化（注2）。全固態(tài)電池具備1）安全性高；2）高輸入輸出功率密度；3）能量密度高等優(yōu)勢。

注2：村田最初主要是針對IoT（物聯(lián)網(wǎng)）終端。

而豐田與Fisker公司認(rèn)為全固態(tài)電池將是市場新玩家的理由，主要是針對上述全固態(tài)電池優(yōu)勢2與3。其中第3點(diǎn)是與顯著提高續(xù)航里程緊密關(guān)聯(lián)的，在全固態(tài)電池實(shí)用化初期能否實(shí)現(xiàn)目前尚未可知，而對于第2點(diǎn)，快速實(shí)現(xiàn)EV汽車數(shù)分鐘內(nèi)80%以上充電的超快充電技術(shù)，則即使是實(shí)用化初期的全固體電池，實(shí)現(xiàn)的可能性也非常高。

現(xiàn)有電動汽車存在很大的盲點(diǎn)

超快速充電是目前EV廠商普遍要求的技術(shù)，現(xiàn)有的EV快速充電充滿80%大約需要30分鐘左右，這個(gè)充電時(shí)間對于EV的普及將是極大的障礙，以豐田為首的汽車業(yè)界，以及一部分車載零部件廠家普遍持有這種觀點(diǎn)（圖2）。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，如果要避免高速公路等場景下的長時(shí)間充電等待時(shí)間，只能是放棄長途旅行，將電動汽車限定在城市通行用途上，或者是通過大量堆積電池來提高續(xù)航里程。這兩個(gè)方向都是痛苦的選擇，前者否定了自由去任何地方的汽車本來的獨(dú)特魅力，而后者則使車輛變得非常笨重，價(jià)格也會升高（注3：目前電動汽車的電池價(jià)格約為2萬日元/Kwh左右，如果增加50kWh，則價(jià)格需要增加約100萬日元）。或者是大幅提高充電電流與電壓，通過將電流與電壓提高到150kw甚至350kw，可以使充電時(shí)間縮短到10~15分鐘，但是這樣的話充電電纜以及電池發(fā)熱造成的功率損失非常大。（注4：制定日本快速充電規(guī)格的CHAdeMO協(xié)議會在2017年將超快速充電的輸出功率定義從現(xiàn)在的50kw提高到150kw。而德國、美國等的汽車廠家則在2015年的Combined Charging System（CCS）規(guī)格中規(guī)定最大規(guī)格的輸出功率為350kw，2017年開始，德國的高速公路上將新建400座充電站。

圖2：全固態(tài)電池是否是EV汽車救世主？以上針對現(xiàn)有EV充電時(shí)間長的課題，比較了現(xiàn)有EV與采用全固態(tài)電池5分鐘左右實(shí)現(xiàn)超快速充電的EV使用便利性?，F(xiàn)有EV的課題不一定要通過容量增加，而是通過快速充電也能解決。

最短1分鐘充電可能嗎？

豐田沒有透露搭載全固態(tài)電池的EV充電具體時(shí)間，但Fisker公司表示充電1分鐘可行駛500英里（約800km）（該公司CEO Fisker先生發(fā)表，注5）。即使不是1分鐘，如果是全固態(tài)電池，5~6分鐘充電80%，從充電基礎(chǔ)設(shè)施來看也是具備可行性的。這與汽油車加油時(shí)間差不多。假設(shè)即使能量密度不能增加，這也能很大程度解決EV充電的相關(guān)課題。

注5：有觀點(diǎn)認(rèn)為對應(yīng)1分鐘EV充電，充電站的輸出功率需要達(dá)到1.6MW，實(shí)際上是無法實(shí)現(xiàn)的。但對于全固態(tài)電池的輸入功率來說，這絕不是完全荒謬的數(shù)值。

在智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)終端也具備優(yōu)勢

使用全固態(tài)電池進(jìn)行超快速充電，不僅在電動汽車，同樣在智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)終端（圖3）領(lǐng)域也具備很大的優(yōu)勢。在當(dāng)下的智能手機(jī)，觸摸屏終端和無線耳機(jī)中，電池占據(jù)了殼體內(nèi)部相當(dāng)大的一部分空間。為了完全充電，快速充電器通常需要1到2小時(shí)才能充滿電。如果能將充電時(shí)間縮短到5~6分鐘，甚至將搭載的電池大幅減少，則很大可能進(jìn)一步擴(kuò)展新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向以及產(chǎn)品使用方法，注6）。

注6：例如外殼變得更薄更輕。美國星巴克咖啡公司從美國開始推出使用無線充電技術(shù)，提供只需要簡單地把智能手機(jī)放置在咖啡桌上就能實(shí)現(xiàn)充電的便利服務(wù)。

打開美國蘋果的智能手機(jī)iPhone X（a）和德國Bragi公司的無線耳機(jī) THEDASH（b）外殼后看到的（全固態(tài)電池），以及由TDK和太陽誘電試生產(chǎn)的全固態(tài)電池例（c）。在這些產(chǎn)品類型中，可以看到隨著充電時(shí)間的縮短，產(chǎn)品開發(fā)將有可能朝著降低電池容量的方向發(fā)展。 （照片：（c）是各公司）

圖3智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)終端的優(yōu)勢

甚至持續(xù)進(jìn)化為Li空氣電池

超快速充電是在全固態(tài)電池實(shí)用化早期來說最大的吸引點(diǎn)，但不會一直是這一點(diǎn)，因?yàn)榕c現(xiàn)有的液態(tài)系鋰離子2次電池比較，全固態(tài)電池相對更容易改變正負(fù)極材料以及電解質(zhì)的材料。由此，嘗試高電壓、高容量密度的電極材料，以及更高Li離子傳導(dǎo)率、更安全的電解質(zhì)材料，通過依次改變這些材料，能更大可能性的提高功率密度與能量密度，增加安全性（圖4）。目前這些材料的開發(fā)與組合等的驗(yàn)證正在快速進(jìn)展（詳細(xì)情況可參考本篇第2部分-開發(fā)焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到電芯制作，不同用途不同材料），而某汽車制造商的電池工程師也指出汽車制造商專注于全固態(tài)電池正是因?yàn)橛羞@樣一個(gè)進(jìn)化的道路。

如果能量密度顯著提高，電池?cái)?shù)量減少，EV價(jià)格可以與燃油車并駕齊驅(qū)，則能極大地提高電動汽車普及的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。而最終的目標(biāo)就是正極采用空氣極，負(fù)極采用金屬Li的全固態(tài)Li空氣電池。不僅安全，而且理論上可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有鋰離子2次電池10倍以上的能量密度。一旦實(shí)現(xiàn)，所有使用電池的設(shè)備，如電動車，智能手機(jī)，無人機(jī)等等的存在方式都將發(fā)生巨大的變化。

參考文獻(xiàn)：野澤 全固態(tài)電池，10年飛躍，日經(jīng)電子，2015年3月刊，第49-62頁。

圖4：通過改變材料組合逐一升級性能，日經(jīng)技術(shù)推測的全固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)化的一個(gè)示例。最初的全固態(tài)電池產(chǎn)品很大可能是在不改變Li離子2次電池正負(fù)極材料的前提下，僅僅是將電解液置換成固態(tài)電解質(zhì)。這種場合下的特征是充電速度以及安全性能提高。之后，預(yù)計(jì)隨著依次將正負(fù)極材料替換成高電壓或高容量密度的材料，電池的容量密度將得到大幅度提升。2030年代早期，正極采用空氣，負(fù)極采用金屬鋰，電解質(zhì)采用氧化物材料的全固態(tài)Li空氣電池可能問世。

如果所有汽車都成為電動車

所有汽車成為電動汽車的時(shí)代越來越近，而2017年7月則是這一時(shí)代的一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。法國和英國相繼宣布至2040年廢止汽油車和柴油機(jī)銷售，中國也在討論徹底禁止化石燃料汽車的時(shí)期，有一種說法是最早可能是在2030年。甚至更有汽車廠商，例如瑞典的沃爾沃汽車公司宣布，2019年以后其銷售的所有汽車都將變更為HEV、EV或PHEV，以期更早實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

懷疑論者重點(diǎn)質(zhì)疑電力基礎(chǔ)設(shè)施

全球范圍內(nèi)的EV浪潮下，懷疑的聲音也是此起彼伏。認(rèn)為車身裝載大量電池太重，價(jià)格昂貴，充電時(shí)間長，與燃油車相比便利性顯著降低無法普及。但是如果是能實(shí)現(xiàn)超快速充電的全固態(tài)電池可以實(shí)用化，則情況就會有所改變，包含充電在內(nèi)的實(shí)際續(xù)航里程、以及價(jià)格上與燃油車的差異都將消失，而電動車的時(shí)代就會真正成為現(xiàn)實(shí)。

然而即使如此，懷疑論者還是無法相信，還會有人質(zhì)疑充電用的電力基礎(chǔ)設(shè)施是否可以準(zhǔn)備好。幸運(yùn)的是，已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的具備350kw輸出功率的超快速充電站，5~6分鐘內(nèi)可充電80％，在德國等國家已經(jīng)開始在高速公路等地方進(jìn)行部署。但是為了抑制充電電纜等的發(fā)熱，需要使用水冷電纜，所以在家中安裝目前比較困難（圖A-1）。

圖A-1 即使擁有超快速充電器，電池?cái)?shù)量也會不足

保時(shí)捷等5家德國汽車公司和美國福特汽車公司的最大輸出功率350kw的充電器和機(jī)載側(cè)接口的概念圖（a）。自2017年起開始在德國高速公路等地方安裝。

預(yù)計(jì)至2020年車用鋰離子二次電池（LIB）的產(chǎn)量將為2013年產(chǎn)量的14倍左右，但即使如此能否滿足需求還不得而知。如果全球所有的新車真的都變?yōu)殡妱悠?，那么每年全球可能需?000Gwh的鋰離子電池，可能比2020年產(chǎn)量的10倍還要多。

此外也有人對電力供應(yīng)本身產(chǎn)生質(zhì)疑。例如日本目前的汽車保有量是8000萬臺，如果這些汽車全部變?yōu)殡妱悠?，是否具備電力基礎(chǔ)設(shè)施是主要的爭論點(diǎn)。日本現(xiàn)有汽車年平均里程約為1萬km，另一方面，電動汽車的電力成本相對較好的車型約為100Wh / km，假設(shè)所有電動汽車的電力成本都是100Wh / km，則每年的電力需求量為8000萬臺×10000km×100Wh / km = 80,000GWh?？紤]到運(yùn)行率，這相當(dāng)于約15個(gè)特種的年發(fā)電量。懷疑論者認(rèn)為對于還有很多核電廠目前處于停止?fàn)顟B(tài)的日本，首先這是不現(xiàn)實(shí)的。

但是，最近大約5年內(nèi)太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電或生物能源發(fā)電等等可再生能源發(fā)電，從設(shè)備容量來看實(shí)際上增加了約50GW。這些設(shè)施雖然運(yùn)行率較低，但年發(fā)電量差不多就可以達(dá)到上述80,000Gwh。如果在EV全盛時(shí)代到來之前，如果我們能夠?qū)肱c過去5年所增加的設(shè)備容量相同容量的額外可再生能源，滿足電動汽車的電力需求也不是沒有可能的事情。

即便如此，懷疑論者還有可能提出，上述觀點(diǎn)是以充電時(shí)間的完全均攤為前提，如果假設(shè)8000萬臺汽車一起開始充電那需要怎么辦呢？這一質(zhì)疑實(shí)際上是可以站住陣腳的，即使是非快速充電的5kw輸出功率，需要的總功率也達(dá)到了400GW，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了日本電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備容量的2倍，肯定是無法實(shí)現(xiàn)的。

對于充電基礎(chǔ)設(shè)施來說，還必須要安裝一個(gè)系統(tǒng)來平衡負(fù)載。因?yàn)榧词篂榱顺潆妼⒊潆娖靼惭b在電動汽車上，充電也不是立即開始，這種情況下即使超快速充電也無法發(fā)揮作用。那是否有其他解決辦法呢？方法是有的，可以準(zhǔn)備一個(gè)大容量固定式蓄電池并從那里充電（儲能電池）。所以為了全面推廣與普及電動車，除了安裝在車輛上的電池之外，還必須要有用于均衡電力需求的儲能電池。

最終懷疑論者會質(zhì)疑到電池的生產(chǎn)能力上來，而根據(jù)日經(jīng)技術(shù)期刊的調(diào)查，預(yù)計(jì)到2020年全球鋰離子二次電池的產(chǎn)量將達(dá)到450Gwh/年（圖A-1（b），這是2013年電池產(chǎn)量的14倍。另一方面，如果全球每年銷售1億輛左右的新車都變?yōu)殡妱悠?，而每臺汽車假設(shè)為50kwh的電量，則每年需要生產(chǎn)5000GWh/年的電池，再進(jìn)一步考慮到均衡電量負(fù)載，則需求量在此基礎(chǔ)上還需要增加1倍，對于2020年的產(chǎn)能來說目前是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，僅從這一點(diǎn)來看，也可以說蓄電池的市場潛力依然巨大。