固态电池暗战，中美德日抢跑

近日,美国能源部宣布,其2019财年的奖励金将拨给从事“先进技术研究”的车企,包括通用汽车和福特都得到了大笔奖金。据悉,美国能源部将向通用汽车拨款910万美元,其中200万美元明确表示与固态电池的研发有关。作为下一代动力电池技术的理想解决方案,固态电池技术比当前主流的锂离子电池技术更加先进,不仅封装尺寸更小、能量密度更高,而且具有更高的可靠性和不易过热性,更不用说装配固态电池的电动汽车充电可能只需要几分钟,而不是几个小时。

高能量密度与安全也能“两全其美”

自今年以来,包括中国、美国、欧洲等全球市场已经发生了多起新能源汽车自燃起火事故,涉及特斯拉、蔚来等电动汽车品牌。为何新能源汽车如此“火大”?8月18日,中国新能源汽车国家大数据联盟发布《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》。数据显示,自今年5月以来,在发生起火事故的新能源汽车(已查明着火时的车辆状态)中,86%的事故车辆使用三元锂离子电池、7%的事故车辆使用磷酸铁锂电池、7%的事故车辆电池类型不确定。

三元锂离子电池已经成为当今绝大多数汽车品牌的电动汽车产品所配装的动力电池的主流类型。业内专家指出,传统锂离子电池采用的是有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。当前,为了消除消费者的“里程焦虑”以及获取一些国家针对长续驶里程新能源车型的更高补贴,现在很多企业都在采用能量密度更高的锂离子电池,以提高电动车型的续驶里程。但伴随着锂离子电池密度的不断提高,安全隐患也变得愈发突出。

那么,究竟有没有一种电池能保证高能量密度的同时,又能保障具有高安全性能呢?固态电池应运而生。固态锂电池负极可采用金属锂,电池能量密度有望达到300～400Wh/kg甚至更高,可匹配高电压电极材料,进一步提升质量能量密度,在支持电动汽车长距离行驶方面更有优势。与目前市面上的液态锂离子电池相比,固态电池使用固态电解质,不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题。

正是由于固态电池的诸多优势,全球各国车企都在大力研发固态电池技术,希望能在下一代动力电池技术的竞赛中取得先机,但它们首先要解决一系列技术难题,例如寻找高效的固态电解质材料。此外,固态电解质和电极的界面处理也是固态电池目前面临的一大难题。当前,包括浙江锋锂新能源科技有限公司在内的多家中国企业正在进行固态电池的产业化探索。

美国能源部拨款车企促研发

美国能源部拨给通用汽车的这200万美元,可谓“及时雨”。具体而言,其中100万美元将用于“对固态电池中界面现象的基本了解”;另外100万美元将用于研究“用硫化物玻璃电解质加热全固态电池”。根据2014年的一项研究,硫化物玻璃电解质在室温下电池测试循环中的表现非常好,可能是固态电池实现大规模量产的关键性材料。

美国能源部表示,关于固态电池的研发将在美国密歇根州沃伦进行,即通用汽车的沃伦技术中心。7月30日,通用汽车(中国)在上海举行的科技日活动上展示了中国前瞻技术科研中心(以下简称“前瞻中心”)成立十周年以来的创新成果,通用汽车中国科学研究院院长杜江凌介绍道,今后前瞻中心的电池实验室将进一步加强固态电池的研发。

实际上,不只是通用汽车,其老对手福特也在研发固态电池。今年4月,美国固态电池初创公司Solid Power宣布完成B轮融资,该轮融资由福特、三星等联合投资。Solid Power是一家位于美国科罗拉多州的初创公司,是由美国科罗拉多大学波德分校的电池研发项目所分立出来的。同时,福特宣布与Solid Power正式达成合作,双方宣布着手研发下一代电动汽车全固态电池。福特汽车首席技术官肯·华盛顿表示:“与Solid Power的合作使我们能够在一项重要的新兴技术方面进一步合作,这项技术可以真正改变智能电动汽车的设计和集成。”

欧洲谋求动力电池领域翻盘

作为欧洲最大的应用科学研究机构,德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会已经启动了一个关于固态电池的战略性国际合作计划。今年年初,德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所和瑞士联邦材料测试和研究实验室合作推出了一项名为IE48的项目,为量产电动汽车固态电池奠定基础。

该项目以两家研究机构的研发实力作为基础,总部位于瑞士迪本多夫的瑞士联邦材料测试和研究实验室为该项新电池技术提供化学和物理基础,而总部位于德国维尔茨堡的弗劳恩霍夫硅酸盐研究所则提供有关工艺开发和电池生产方面的专有技术。双方之间的合作,旨在解决固态电池工业生产中最重要的技术瓶颈。

弗劳恩霍夫应用研究促进协会在一份声明中表示:“固态电池无需易燃液体电解质,因而可提供显著的运行稳定性。此外,其在尺寸和重量上也具有优势,因而也不需要太复杂的安全电池外壳。”弗劳恩霍夫应用研究促进协会表示,如果双方的研究能取得突破性进展,那么对于欧洲来说将是一场战略性胜利。在固态电池领域取得飞跃式进步,将给欧洲带来反超的机会,并将亚洲厂商在动力电池方面占据的主导优势重新带回欧洲。

去年6月,大众集团宣布与美国电池初创公司QuantumScape合作,双方致力于让QuantumScape正在研发的固态电池在2025年前实现量产。QuantumScape是美国斯坦福大学前研究人员于2010年成立的风险投资公司,其在固态电池领域的专利累计达到约200项。作为合作的一部分,大众集团出资1亿美金给QuantumScape,并派遣技术人员参与QuantumScape的研发工作。

大众方面认为,如果采用固态电池,旗下电动车型大众e-Golf的续驶里程可以从现在的300公里提高到约750公里。大众之所以投资QuantumScape,主要是为了获得相关技术专利,以便在下一代动力电池的竞争中取得一席之地。除了大众之外,宝马也正在与前面所提到的Solid Power一起合作,共同研发新一代固态电池。

日本“抱团”研发似拔得头筹

由于意识到了固态电池的巨大潜力,日本很早就开始对此进行研发,因此目前在这一领域较为领先。

值得注意的是,在固态电池的研发方面,日本人又采取了一贯的“抱团取暖”方式。去年6月,日本新能源产业技术综合开发机构宣布,该国部分企业及学术机构将在未来5年内联合研发下一代汽车电动车固态锂电池,力争早日应用于新能源汽车产业。松下、丰田、本田、日产等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家学术机构共同参与研究,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

近日,丰田在东京举行的战略沟通会上宣布,将提前5年实现“2030计划”,即到2025年,丰田混合动力、插电式混合动力、纯电动车、燃料电池车的年销量将达到550万辆;其中纯电动车和燃料电池车超过100万辆,纯电动车型超过10款,覆盖多个细分市场。

此外,丰田汽车董事、副社长寺师茂树在战略沟通会上还表示,计划在明年东京奥运会期间向公众展示旗下固态电池电动汽车,比原计划提前2年。丰田方面也表示,希望利用东京奥运会的契机让固态电池大规模商用推广。

为了实现在动力电池领域雄心勃勃的目标,丰田计划于三个合作伙伴斯巴鲁、铃木和马自达分享其电池技术。今年年初,丰田与松下宣布,将共同设立开发、生产电动汽车(EV)等车载电池的新公司,该公司致力于开发、量产固态电池。

看来,日本人似乎在固态电池的全球角力中先人一筹,但鉴于该技术的复杂性,一切尚未尘埃落定。

编后:美国、欧洲以及日本之所以大力发展固态电池的原因之一,都提到了我国在新能源汽车和动力电池市场上的领先地位。因此,为了抢夺下一代动力电池技术的主导权,各国都在投入巨资研发固态电池。未来,我国要继续在新能源汽车以及动力电池领域“领跑”,也应大力发展固态电池,争取早日实现突破。