固态电池商业化之前，行业开发出哪些替代方案

撰文 / 吴 静

编辑 / 黄大路

设计 / 赵昊然

来源 / Automotive News by John O’dell、Hannah Lutz

为电动汽车开发固态电池的竞赛更像是一场竞走，而不是冲刺。丰田汽车及其合作伙伴似乎处于领先地位，但还没有明确的赢家。

固态电池有望改变电动汽车市场的格局，因为它更安全、体积更小、能量密度更高，可以让电动汽车和卡车制造商以更低的成本提供更大的续航里程。

但许多研究人员表示，尽管丰田和其他几家固态电池开发商宣布了2030年之前的早期生产目标，但固态电动汽车电池投入大众市场应用可能还需要数年时间。

美国科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）的电池研究科学家安德鲁·科尔克拉索（Andrew Colclasure）说，“这项技术在小规模上可行，但要使其达到汽车所需的大容量是一个挑战。”

宝马插图展示了液态电池和固态电池之间的差异

其目标是开发一种电动汽车动力电池，这种电池能够可靠地提供更大的续航里程，超快的充电速度，并且比目前使用的电池寿命更长。固态电池可以做到这一切。

之所以被称为固态，是因为它们的电解质——在电池电极之间来回传输带电粒子或离子的组件——由固体材料制成，而当今使用的锂离子电池是由液体电解质制成。

固态锂电池的能量密度远高于液态电解质电池，可以在一个更小、更轻的包装中储存同样多的能量，或者在相同尺寸的外壳中提供更多的能量，这意味着续航里程大大增加。

通过消除高度易燃的液体电解质溶液，固态技术还提高了电动汽车的安全性，并缩短了充电时间。

丰田固态电池的原型

行业目标是，续航里程约为300英里（480公里）的电池充电时间不超过15分钟。固态电池可以实现这一目标，充电时间不超过传统内燃机汽车和卡车在加油站停留的时间。

早期业界和学术研究人员的测试也表明，固态电池比传统锂离子电池，充电循环次数更多，且不会产生明显的性能下降。

固态电池已经在为医疗设备、RFID产品和智能手表供电。然而，扩大电池尺寸并使其具有足够的耐用性以适应恶劣的用车环境，极大地增加了开发和生产的挑战。

其中最主要的是克服电池电极退化问题，延长使用寿命，降低制造复杂性，建立安全稳定的供应链。固态电池使用与传统锂离子电池相同的化学成分，因此受到相同的关键矿物限制。

一个主要的可靠性问题源于固态电池的石墨阳极（最常见的类型）倾向，当锂离子从阴极移动到阳极时，会长出针状结构，称为枝晶。枝晶可以在每个充电周期中积聚并生长在覆盖阳极的锂金属中，削弱阳极，并可能刺穿阳极和阴极之间的屏障，导致电池短路。

第二个问题是，随着充电周期的增加，用于固态电池的电解质材料往往会膨胀和分裂。制造和保持电解质在高压下是最常见的解决办法，但这需要非常复杂和昂贵的制造设备。

自2013年以来，丰田和日本第二大炼油企业出光兴产株式会社（Idemitsu Kosan）一直在固态电池开发方面进行合作，最近的目标是在2027年或2028年发布商用质量固态电池。

这比他们早先设定的2025年目标晚了几年，但仍快于其他公司宣布的初始小批量商业生产目标。

丰田谨慎地表示，开发出一款可以投入市场的电池，并不意味着会立即大量生产。丰田发言人告诉Automotive News，只有在合作能够生产出商用级固态电池后，丰田才会开始加强供应链和基础设施，以投入量产。

其他汽车制造商，包括宝马、福特、通用汽车、本田、现代、梅赛德斯-奔驰、日产、Stellantis和大众，也在与电池开发合作伙伴合作开发固态电池。日产已宣布 2028 年实现量产，本田则设定了2030年实现其首款商业化质量产品的目标，随后将实现量产。

无论是学术界还是商业界的电池开发人员，都在努力研究出最好的化学物质，以克服固态电池的最大挑战。

能源存储材料研究员唐纳德·西格尔(Donald Siegel)表示，随着这一切的发展，固态电池成为电动汽车主要电池技术的未来肯定是可以预见的。

“现在开发者提交他们的数据是非常重要的，这样它就可以在现实条件下进行独立测试。”西格尔是得克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系的主任，他说，到那时我们就会知道终点在哪里。

“我们对固态电池的了解比10年前要多得多，但仍有许多工作要做。”他还预测该技术还需要十年才能全面投入商业化生产。

QuantumScape是一家由大众汽车和微软联合创始人比尔·盖茨支持的加州公司，它已经开发出一种陶瓷电解质技术，可以消除枝晶形成的石墨阳极。

QuantumScape首席营销官阿西姆·侯赛因（Asim Hussain）表示，该公司预计将于2025年开始大批量生产用于高级测试的电池。QuantumScape 和大众汽车集团的电池公司 PowerCo.合作将QuantumScape的技术产业化。

两家公司表示，合作是实现千兆瓦时规模生产的最快方式。根据合作进展情况，QuantumScape将授权 PowerCo. 基于QuantumScape技术平台批量生产电池单元。

电池开发商 Factorial于6月向梅赛德斯奔驰交付了半固态电池测试样品。测试包括根据梅赛德斯奔驰的性能规格验证模块和电池组设计。Factorial 还与 Stellantis、现代汽车公司和起亚公司签订了联合开发协议。

Solid Power 是一家位于科罗拉多州的公司，得到福特、宝马、现代等汽车公司的支持和合作，该公司正在研究与丰田相同的硫化物电解质技术。

国际能源署称，全球约60%的电动汽车依赖镍锰钴氧化物 (NMC) 三元锂电池。尽管其他电池也在生产中，但三元锂电池占美国电动汽车动力电池的大多数。磷酸铁锂电池 (LFP) 是一种日益增长的替代品，其价格较低，占电动汽车销量的约30%。

当前电池化学技术带来的成本和能量密度挑战，正迫使企业寻求更便宜的替代品。这些替代品还需要安全，最好是耐用、功能强大且适合大规模生产。

卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)汽车电气化小组主任杰里米·米查莱克(Jeremy Michalek)说：“有很多有潜力的锂离子电池替代品，但它们都面临工程方面的挑战，其中一些还可能面临成本方面的挑战。”

许多人认为固态电池是安全、长距离、快速充电电动汽车电池的终极目标，但在该技术商业化之前，各公司都在开发替代方案。以下是其中几种：

钠离子电池：根据美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的说法，电池开发商正在测试钠化学物质，因为钠比锂更便宜、更丰富、更容易开采。该实验室已申请了一种用钠离子代替锂离子的阴极材料的专利。该小组估计，钠离子电池的成本将比锂离子电池低三分之一，而且其需要的锰和铁元素很容易获得。该实验室表示，钠离子电池的缺点是行驶里程短。金属钠的重量大约是锂的三倍，这增加了电池的重量并限制了续航里程。

至少有两家中国公司宣布了生产钠离子电池电动汽车的计划，但 AutoForecast Solutions 高级替代推进分析师康拉德·莱森 (Conrad Layson) 表示，“西方对此还未做出定论。目前，我还没看到任何一家韩国电池制造商急于推出钠离子电池。”

根据英国石油公司对美国地质调查局和英国地质调查局世界矿业数据的分析，各大公司正在美国建立锂矿，但澳大利亚、智利和中国仍主导锂生产。卡内基梅隆大学机械工程副教授瑞贾·贾扬(Reeja Jayan)说，钠资源在美国很丰富。

磷酸铁锰锂电池：锰、铁和磷酸盐通常价格低廉且容易获得。波士顿咨询集团电动汽车和能源存储全球负责人内森·尼斯（Nathan Niese）表示，“这种化学材料将镍钴锰电池的优点与磷酸铁锂电池的优点完美融合。这种电池的寿命比磷酸铁锂电池短，但能量密度更高。

锂硫电池：莱森表示，锂硫电池具有相对较高的能量密度，可以快速充电。根据美国阿贡国家实验室的说法，与目前电动汽车中使用的三元锂电池所需的钴和镍相比，硫储量极其丰富且价格低廉。锂硫电池供应商Lyten表示，该公司的电池将于今年应用于无人机和卫星等非汽车领域。Lyten说，从长远来看，锂硫电池的成本可能是目前电动汽车中使用的镍钴锰电池的一半，而能量密度可能是前者的两倍。