近日，寶馬集團稱，與德國政府合作開發下一代電芯專案取得新進展：2030年前，寶馬將為量產車配備固態電池。

寶馬集團董事長齊普策表示：“我們正在為‘新世代’車型專門開發下一代電池技術。透過該車型，我們將在電力驅動技術方面實現巨大的飛躍。我們希望大幅提高電芯能量密度，同時減少材料和生產成本。此外，我們還將提高可再生材料的使用比例，以確保我們生產的是真正的‘綠色’電池。”

本文就來聊聊，目前幾種固態電池的技術路線，以及最新的進展。以及我們可以分析一下，為什麼寶馬把量產固態電池的時間表放在了2030年？

固態電池和鋰離子電池的技術差異

寶馬壓下重注的固態電池到底靠不靠譜呢？要講清楚這個問題，我們先要從動力電池的技術原理說起：動力電池是利用化學反應的可逆性，在電池放電後，可透過充電的方式使活性物質啟用而迴圈使用的電池。因此也叫“二次電池”。

目前商用的鋰離子電池正負極間的鋰離子透過電解液傳輸，電解液是鋰鹽溶於有機溶劑製備的溶液，充電時，電池的正極上有鋰離子生成，鋰離子從正極脫嵌經過電解液嵌入負極；放電時則相反，鋰離子從負極脫嵌，經過電解液嵌入正極。

▲鋰離子電池化學反應原理

由於電解液溶劑一般為易燃的碳酸酯。一旦電芯受外力作用破損短路，很容易起火。而固態鋰電池與傳統使用電解液的鋰離子電池不同：是用具有離子導電能力的固態電解質全部或部分替代電解液，使電池內易燃的有機溶劑用量大幅度減少或完全被去除，有利於提升電池的安全性。其中完全不含液態電解質的電池被稱為全固態電池；含有固態電解質和部分液態電解質的電池被稱為半固態電池或固/液態電池。

固態電池分為固態鋰離子電池（不可充電迴圈使用）和固態金屬鋰二次電池（可充電迴圈使用），可應用於電動汽車上的是後者。固態金屬鋰二次電池採用高比容量的金屬鋰作為負極（是用於傳統動力電池負極的石墨材料比容量的11倍），因此電池的能量密度有顯著提升。從下圖能看出兩者在工作原理上的差異，同時也能看出，固態電池在體積上要比液體電池小很多，封裝難度也更低。

▲傳統鋰離子電池（左，含電解液）與固態鋰電池（右）的工作原理差異

對於固態電池的研究始於20世紀50年代末，至今已超過60年。雖然全固態金屬鋰二次電池理論上具有多種傳統液態鋰離子電池所不具備的優勢（如安全性好、比能量高等），但要實現商業化量產，還有不少技術障礙需要解決。

固態電池電解質材料三種路線以及進展

全固態金屬鋰二次電池的核心材料是“固態電解質”，其科研進展直接決定這種電池的產業化程序。目前固態電解質的研究主要集中在三大類材料：

聚合物、氧化物和硫化物。而至今還沒有企業能做出兼具高能量密度、高安全性的大容量全固態動力電池。所號稱的“固態電池”採用的大部分為固液混合電解質

（所以

蔚來

的李斌之前聲稱

ET7

（配置

|詢價）

上將率先裝備固態電池，就是純忽悠。當然後來迫於壓力，蔚來也澄清了ET7上裝備的其實還是固液混合的半固態電池）。

下面我們從聚合物、氧化物和硫化物這三種材料的技術路線，來分析一下目前固態電池的研究進展。

路線一：聚合物路線

早在2011年，法國Bollore集團旗下子公司、歐洲電池“大咖”Batscap公司研發的固態聚合物鋰金屬電池，被裝進義大利著名汽車設計公司賓尼法利那（Pininfarina）設計的車體內，打造出Bluecar系列微型電動車，主打共享租賃汽車市場。是目前唯一在電動汽車上實現批次化商業示範執行的固態鋰二次電池專案。

▲法國Bollore固態電池電動車

Batscap公司採用的是上面所說的第一種固態電解質材料：

鋰聚合物固液混態電解質。

保有量達到4000輛，主要在巴黎地區執行。這種電池迴圈充放壽命超過2000次，電池能量密度為180~200Wh/kg，與目前現有的鋰離子動力電池相比，並無明顯優勢（目前高水平的磷酸鐵鋰電池能量密度可以達到190Wh/kg，三元鋰電池單體能量密度可以達到270Wh/kg）。加之需要保溫在80℃下執行工作，嚴重限制了這種電池的產業化應用，到目前進展也不大。

2015年，德國博世公司曾以8000萬歐元的價格收購了一家名為Seeo的美國電池公司，重點開發固態電解質技術。據報道，Seeo公司所研發的新型固態電池採用

聚合物薄膜固態電解質

，能量密度可達到350Wh/kg。

但在2018年3月，博世卻宣佈已決定不再自行生產電池，理由是投資風險太大。因此決定放棄生產計劃，甚至完全剝離電池生產的相關資產。顯示出其在固態電池技術研發上遭遇重大挫折，博世已不看好Seeo所採用的聚合物薄膜固態電解質技術的商業化前景。

路線二：氧化物路線

由大眾集團支援、位於加州的固態電池公司QuantumScape目前是固態電池領域的先驅。從其申請的專利來看，其採用的是上面所提到的第二種固態電解質材料：氧化物體系下的石榴石狀複合氧化物固態電池（Composite Garnets Solid-state Battery），主流電解質體系為Li3La3Zr2O12（LLZO），即鋯酸鑭鋰。這也是目前固態電池的氧化物路線中，最可能實現量產的材料，也是2007年後新發現的對鋰金屬最為穩定的氧化物電解質體系中的分支。實用方面，國內的清陶（崑山）發展有限公司，已經有兩條小的生產線開始投產。

QuantumScape宣稱這款固態電池相較於傳統的鋰離子電池，經過800次充電後仍能保持80%以上的容量，技術上有著明顯的進步（如下圖）。

此外，QuantumScape公司宣稱這款電池是阻燃的，電池體積能量密度超過1000Wh/L，幾乎是頂級商用鋰電池組密度的兩倍，也是目前特斯拉

Model 3

（配置

|詢價）

所用電池的四倍。

鋯酸鑭鋰（LLZO）體系的優點是，一是所有目前固態電池電解質體系中，對鋰金屬適配性最好的電解質，相對有可能直接跳過矽負極，實現鋰金屬負極的應用。二是，LLZO的電化學視窗寬，可以承受5V以上的電壓。

QuantumScape公司稱這種固態電池能將電動汽車的續航里程提高80%，並能在15分鐘內充滿80%的電量，並將於2024年投入生產。而它突破的關鍵是，使用柔性的陶瓷電解質取代液體電解質。據悉，即使在零下30攝氏度的極低氣溫下，電池效能也不會受到影響。固態電池似乎離我們越來越近了。

目前來看，這可能是第一個商業上可行的固態電池。

路線三：硫化物路線

日本企業所選擇的固態電解質材料則以上面所說的第三種材料硫化物為主，是三種路線中技術難度最高的，但潛力也很大。

豐田是堅定的硫化物技術支持者。而豐田在固態電解質材料方面的技術基礎，來自於日本東京工業大學的菅野了次教授2011年發明的硫化物固態電解質，其室溫下離子電導率>10-2S/cm（超越了傳統有機電解液）。經過十幾年的研究，豐田不僅獲得了固態電解質材料、固態電池的製造技術等方面的專利，還研發了一整套的正極材料和硫化物固態電解質材料回收的技術路線和回收工序。但即便如此，豐田在固態電池技術的產業化應用上也曾遭遇挫折——2013年，豐田曾在其報告中表示：到2020年，它將市場化其硫化物固態電解質。然而在4年後的2017年，豐田將這一預期推遲2年，由此可見硫化物固態電解質材料的量產難度之大。

硫化物固態電解質之所以難以量產，除了硫化物固態電解質與正負極的介面接觸穩定性較差外，硫化物電解質在空氣中也極不穩定。在生產過程中與空氣接觸後容易受潮，且吸潮後會發生化學反應產生有害氣體硫化氫（H2S），因此必須在超乾燥的環境中生產。豐田的工程師在生產這種材料時，是在抽光了水汽的透明手套箱中製造（如下圖），工人們只能透過緊密嵌在盒子上的橡膠手套將手伸入箱子裡面操作。很明顯，這還處於試驗室的階段，遠沒到能夠大規模製造的程度。

『寫在最後』

根據以上的現狀分析，在2025~2030年，對於固態電池的實際應用前景任何過於樂觀的估計和預測都不太現實。蔚來的半固態電池能否在2022年四季度如期量產，筆者對此持保留態度，有“期貨營銷”之嫌。

因此，筆者認為寶馬此次宣佈將在固態電池上押寶並投入重金，不啻為一場豪賭。但想種一棵樹，最好的時機是十年前，其次是現在。寶馬在其官方宣告中稱預計在2025年釋出應用固態電池的原型車、2030年開始為量產車配備固態電池的時間表，也是一個相對謹慎務實的目標。而寶馬加入固態電池研發的戰場，對於固態電池的產業化應用將是一個有力的推動。