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豐田汽車沉寂已久的固態電池又有動靜和希望了。

6月14日，豐田章男當選，連任董事長。而此前一天的技術說明會上，豐田汽車宣布了固態電池的量產消息。豐田汽車CTO中島裕樹表示，已經找到了很好的材料，能夠在2027年至2028年實現該技術的商業化，向市場投放配備全固態電池的純電動汽車。

問題是，豐田一再推遲全固態電池的量產時間，這次雖然再次重申量產時間，但并沒有公布什么有價值的技術細節。所以，你相信豐田能順利量產全固態電池嗎？
 

為什么要做固態電池？
 

實際上，固態電池確實很難實現量產，我也一直斷言會止步于半固態電池。因為，有一道“鴻溝”。

就連電池霸主“寧王”都頭大。6月9日的2023世界動力電池大會上，寧德時代首席科學家吳凱就匆匆講了兩句全固態電池，然后說臺下坐著兩位院士，不班門弄斧了。

此前，寧德時代董事長曾毓群也說過，“固態電池有很多科學及技術的基礎問題尚未解決，我們公司深耕10多年，仍然認為難以形成有技術可行性和市場競爭力的產品。”

5月12日，在首爾舉行的“新一代電池研討會（NGBS2023）”上，LG能源的解決方案TI戰略組組長張赫鎮（音譯）表示：“全固態電池等新一代電池在2030年也很難實現商用化，預計到2030年將以鋰離子電池為中心形成市場。”

既然那么難，為什么大家還一窩蜂地非要去搞固態電池呢？

上次我在國軒高科的第十二屆科技大會期間的專訪中，專門問過國軒高科國際業務板塊執行總裁程騫博士，他一句話說到了根子上，“很簡單，這是因為實驗室里面‘走通’了。”

眾所周知，任何電池產品要能夠實現商業化量產，最重要的前提就是實驗室里能夠“走通”（就是通過實驗實現結果）。但是，從目前研發的艱難程度來看，實驗室能走通，也不代表最終就能量產。

這里面很重要的一點是，實驗室可能也就實現循環幾百、上千小時，然后就可以出很漂亮的論文。但是要量產，電池裝車后是要連續跑5~10年的，是不能出任何質量問題的。所以，這不是一個數量級的問題。

目前，豐田在全固態電池領域一直堅持硫化物路線，現有專利超過1000件。不過，此前豐田在固態電池領域的研究并不順利，量產時間一直往后推遲。

而且，2021年左右豐田將全固態電池裝在混合動力車型上路測，發現電池壽命非常短，遑論量產應用在純電動車型上。從那時候開始，豐田就重點研究全固態電池的使用壽命問題。

循環問題，也就是電池壽命問題。就像前面所說，電極與電解質之間的界面接觸，由原來的固-液接觸變為固-固接觸，在循環過程中，由于枝晶的問題，容易造成應力堆積，電化學性能衰減，甚至導致裂縫的出現，容量快速衰減，循環壽命差。

所以，這就是為什么我說固態電池將“止步于半固態電池”。就像中國科學院上海硅酸鹽研究所能源材料主任溫兆銀所說，“可以這么說，界面問題是全固態電池最難逾越的一個鴻溝。”

不僅如此，豐田負責技術的董事前田昌彥曾表態稱，在電動車的推廣中，安全、壽命、品質、成本和高能量密度必須實現平衡。也就是說，不能有任何短板。從目前的表態看，這次豐田汽車只是說自己找到了很好的材料，但又沒有說明是什么材料。解決了什么問題，也沒說太清楚。

而下一階段的難題也隨之而來，即如何量產低成本、高性能的全固態電池。當然，目前業內誰也說不清楚。程騫也說過，“全固態是一個終極目標。我認為（量產）至少2027年以后，還需要一定的時間。”

實際上，全固態電池的初衷，是為了終極解決安全性的問題。

電池產生安全性問題，包含高溫、燃料、氧氣三個要素。而目前通用的鋰離子電池完美地包含了三個條件，比如，短路會產生高溫，里面的溶劑碳酸脂是天然的燃料，正極材料分解又會產生氧氣。

雖然鋰離子電池通過采用耐高溫陶瓷隔膜、正負極材料表面修飾、優化電池結構設計、優化BMS、改善冷卻系統等措施，可以在很大程度上提高安全性，但是，無法從根本上保證大容量電池的安全性。

全固態電池，理論上是解決了這個問題。比如，豐田研發的硫化物全固態電池，實現了去掉“燃料”這個因素，里面沒有液態的碳酸脂的燃料，就非常難著火。

“全固態電池還有一個好處，不需要熱管理。它的溫度區間非常大，從零下40度~100度性能都差不多，不像液態電池到了低溫零下20度性能就不好了。”

而全固態電池的核心，就是固態電解質。從目前研發的固態電解質來看，主要有三類，分別是聚合物、氧化物、硫化物等。

其中，豐田的硫化物路線，是三種電解質中目前理論上最佳的固態電解質材料，其優勢是能量密度可以輕松超過三元電池的3倍，被認為發展潛力最大。

硫化物由氧化物固體電解質衍生而來（硫元素替換氧元素），同樣，它也分為晶態和非晶態兩種，晶態最典型的是Thio-LISICON型，還有LGPS型、Argyrodite型；非晶態主要是LPS型。硫化物固態電解質的電導率最高，并且電化學穩定窗口較寬，可以在5V以上，且兼具強度和加工性能、界面相容性好。

所以，硫化物固態電解質雖然研發難度高，卻成為豐田、LG、松下等有實力的企業主要選擇的路徑，如果能突破，就會形成高技術壁壘。

但硫化物有個明顯的缺點，就是熱穩定性差。熱反應起始溫度400～500度。對水敏感，容易和空氣中的水、氧氣反應產生硫化氫劇毒氣體，這也導致體制備工藝復雜。此外，硫化物與正極材料兼容度差，對鋰金屬穩定性差，會發生反應，導致離子電導率的損失。

還有一點，硫化物電解質的成本很昂貴。根據相關數據，氧化物的電解質成本最高的是LLZTO，為32.82萬元/噸，最低的是LLTO，為2.11萬元/噸，而硫化物電解質LGPS的成本為120.84萬元/噸。

另一個路線，是聚合物電解質。因為易于合成加工，機械性能好，柔性佳等優點，并且與現有的液態電解質生產工藝兼容，所以，聚合物固態電池率先在歐洲實現商業化應用，技術最為成熟。

不過，它的室溫電導率不高，需要加熱到60°高溫才能正常工作，另外穩定性也不算太好，不能適配高電壓的正極材料，且在高溫下也會發生燃燒現象。此外，還有電化學窗口窄，電位差太大時（大于4V）電解質容易被電解等問題。因此，整體性能提升有限，制約了其大規模應用發展。

最后一個，目前最主流的路線是氧化物電解質。

氧化物電解質分為晶態、非晶態兩類，其中晶態電解質包括鈦礦型、NASICON型、LISICON型以及石榴石型等等，非晶態氧化物電解質的研究熱點是用在薄膜電池中的LiPON型電解質。

氧化物固態電解質的電導率比聚合物更高，比硫化物更低，兼具機械穩定性和電化學穩定性。劣勢是不易燒結，氧化物電解質需要800度以上的高溫燒結才可以致密成型。另外，存在剛性界面接觸問題、脆度高難以加工。

不過，氧化物的熱穩定性非常優秀。據中科院研究員陳汝頌等此前的統計，三大固態電解質的熱失控初始溫度均超過液態電解質，其中又以氧化物電解質的安全性最高，熱失控初始溫度超過600°C，最高可以達到1800°C，電池燃燒問題基本可以杜絕。

從整體看，氧化物綜合性能好，體系制備難度適中，目前發展得很快。值得一提的是，目前已經有通過選用聚合物+氧化物的方式實現性能突破，以半固態電池規模量產的做法。

半固態的“擦邊球”

雖說傳統鋰離子電池的能量密度越來越接近理論上限，但是，目前全固態電池由于其特性，能量密度高的優勢還顯現不出來。

特別是寧德時代發布“凝聚態電池”后，固態電池略顯尷尬。除了安全性和壽命問題，能量密度也被半固態電池給“超了”。

“全固態電池的難度是非常大的，所以，大家現在把固態電池概念拓展得非常廣。”換句話說，全固態電池是個很理想化的“坑”，那么，打著固態電池旗號的半固態電池正好是不錯的解決之道，也不斷有新的突破。半固態電池的量產，也不斷提上日程。

這里解釋一下，依據電解質分類，電池可細分為液態（25wt%）、半固態（5-10wt%）、準固態（0-5wt%）和全固態（0wt%）四類，其中半固態、準固態和全固態統稱為固態電池，所以“打擦邊球”也沒毛病。

比如，上汽連續投資的清陶能源，去年官方披露的信息是，第一代固態電池（半固態電池）已完成裝車試驗，單體能量密度達到368wh/kg（相比磷酸鐵鋰電池，能量密度提升100%以上），測試車輛最大續航里程達1083公里。

2024年上半年，智己汽車搭載固態電池的高性能、長續航車型將首先實現規模化量產。2025年起，雙方還將聯合推出新一代固態電池，相關技術方案可以大幅提升電動車續航里程，徹底解決“里程焦慮”，同時，電池成本更比同等規格磷酸鐵鋰或三元離電池低10~30%。

此外，蔚來ET7、東風E70、嵐圖追光等車型，都曾宣布搭載半固態電池。5月24日，蔚來在發布會上表示150kWh半固態電池包將于7月上線，“該電池包采用超高鎳正極+預鋰化硅碳負極+固態電解質（固態 + 液態）+隔膜。”而用上該電池包的 ES6，CLTC 純電續航達到 930 公里。

不過，蔚來聯合創始人、總裁秦力洪表示，150kWh電池包成本相當于一輛ET5（75kWh電池版整車32.8萬元，租賃25.8萬元），可見成本有多高。所以，還需要進一步降本。

當然，資本市場對于固態電池更是波瀾不驚。畢竟，固態電池早已不是新話題，而且，經過多年炒作之后，其前景仍晦暗不明，存在巨大分歧。

比如，深度綁定大眾的QuantumScape，在全固態電池的開發上也遭遇了股價“滑鐵盧”。雖說800次循環后至少保持80%的容量，1000Wh/L存儲電量（380~500Wh/kg）續航提升80%，最高可達2000公里，不過量產時間依舊遙遙無期。

不過，在全球范圍內，針對全固態電池的研發還是如火如荼。日系和韓系是真的急了，因為在鋰離子電池方面是沒法跟中國企業競爭了，那就只有在全固態電池上一較高下了。

目前的總體現狀是，日本起步最早，押注硫化物路線，在固態電池專利數上遙遙領先，而韓國企業的競爭力同樣強。據Patent Result統計，截至2022年3月，全球專利數排名前十的全部是日韓企業。

而韓國也是主攻硫化物技術體系，雖然電芯開發速度稍遜日本，但正負極材料研發具有優勢，代表企業有三星SDI、LG、SKI等。

比如，三星SDI公司的全固態電池同樣采用硫化物電解質，以及高鎳NCA正極、新型負極和堆疊技術。Nature Energy公布的信息顯示，三星SDI引入了Ag-C復合負極、不銹鋼SUS集電器、硫銀鍺礦（輝石型硫化物）電解質以及LZO涂層技術。

通過以上的組合技術方案，解決了負極鋰離子過量不均勻沉積等問題，電池實現了1000次以上充放電循環，能量密度為900Wh/L，庫倫效率>99.8%。而豐田、松下的能量密度大概在700Wh/L，庫倫效率約90%。

LG公司則開發的是聚合物和硫化物固態電池，引入差異化的材料和工藝創新技術，例如NCMA（添加鋁的四元電池）和LongCell，與現有技術相比，能量密度提高16%，行駛里程提高至少20%。

你追我趕之際，這次豐田也再次“秀”全固態電池。而一個不容忽視的細節是，豐田是有兩手準備的，它的雙極性鎳氫電池也是主攻方向。只是，全固態電池的“鴻溝”不是那么容易跨越的。很有可能，就是“世界大同”一般的理想而已。所以，別太鉆牛角尖。