電池成為新能源汽車企業獲得市場優勢的關鍵。在眾多電池技術的研發中，固態電池尤其受到全球范圍的廣泛關注。豐田、寶馬、大眾、三星等巨頭企業都投入了大量資金用于固態電池研究，以期早日獲得突破。豐田更是計劃在2021年東京奧運會上推出其搭載固態電池的純電動示范車。當前，固態電池技術研發已經被推上了潮頭浪尖。目前全球共有53家企業在布局研發固態電池，預計到2025年開始小批量進入市場，將成為電動汽車取代燃油汽車的制勝利器。在市場需求方面，據預測，到2030年，全球固態電池需求有望達到500GWh，按照專家保守估計，將形成三千億元以上的市場規模。

根據國務院辦公廳2020年印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，國家計劃到2025年把新能源汽車的銷量推高到占據新車總銷量的20%左右，并在“新能源汽車核心技術攻關工程”中明確要求“加快固態動力電池技術研發及產業化”。

固態電池相較于鋰電池具備優勢

固態電池是一種新興技術。固態電池和傳統鋰電池最顯著的區別在于電池內部的電解質的物理形態。目前在新能源汽車上最廣泛使用的三元鋰電池，一般由正極、隔膜、負極，再灌入電解液制造而成。下一代電源的固體電解質層，可以替代當前鋰離子電池中的易燃液體溶液，實現更密集地存儲能量。電解質還可以兼作電池的隔膜，這是鋰離子電池的關鍵組件，可以減少火災危險和所需原材料的數量。數據原型表明，與相同重量和體積的鋰離子電池相比，固態電池可以存儲多達80%的能量。具有較高能量密度的鋰金屬可以代替石墨，從而有助于減少電池的重量和體積。



固態電池具備諸多優勢，能夠有效解決新能源汽車的環保和安全問題。一是固態電池大幅減少原材料的使用，其中銅和鋁的使用將大比例下降，石墨和鈷可以完全從原材料中剔除。二是固態電池更輕巧，可以像砌磚一樣堆疊在墻上，使它們更容易安裝到不同的汽車設計中。三是固態電池的里程數可大幅增加，由于其可在10分鐘左右充滿電，并具有更高的能量密度，因此與鋰電池相比，可以提供兩倍或更多的行程。此外，回收固態電池是一個更簡單，更安全的過程。

鋰電池的原材料價格不斷上漲。對于汽車制造商來說，另一個問題是，隨著電池成為眾多技術的關鍵組成部分，對原材料的需求也在增加。截至目前，鎳、石墨、鋰、鈷和銅的價格進一步上漲。平均而言，電動乘用車的電池需要約20kg的鎳（特斯拉Model 3需要30kg），陰極中需要多達20kg的鈷，再加上約60kg的鋰化合物。2020年，特斯拉占了歐洲電動汽車行業所用鎳總量的一半以上，而提高鎳的產量是非常困難的。由于各種原因，鋰的供應也受到限制，建設新的鋰礦開采設施可能需要長達10年的時間。高盛預測，基礎材料價格長達數十年的上升趨勢才剛剛開始，這將加速電動汽車電池材料和基礎技術的替代。


鋰電池在安全性和成本方面存在缺陷。傳統鋰電池中高度易燃的液態溶液不僅易燃，還回收困難，轉售貶值嚴重。另一方面，在不增加電池組成本的情況下，對安全性和能量密度的改進，每輛車的成本約為12000美元，已經達到了技術極限，這意味著使用鋰離子電池的長續航汽車價格有一個內部底線。比如入門級的特斯拉Model 3的起價為37990美元，現代IONIQ為33245美元。除了昂貴和不穩定之外，電池還很笨重，特斯拉Model S的電池重量超過540公斤，它們的存在大大壓縮了腿部空間，并限制了其他設計。這種額外的重量使電動汽車比汽油車重得多，因此它們需要更多的動力來覆蓋相同里程，特別是在寒冷的天氣。

固態電池發展面臨的挑戰

固態電池核心技術難點在于電解質。

電解質是鋰離子傳輸的重要媒介，對電池性能至關重要。根據電解質的不同，目前科學界又將固態電池按電解質分為三種類型：一是已實現商業化應用案例的PEO類聚合物固體電解質路線，以歐美發展路徑為代表，包括加拿大、法國等。二是無機固體電解質材料，主要包括硫化物和氧化物，硫化物以亞洲國家的豐田和三星為代表。三是有機（聚合物）與無機復合的固體電解質路線。基于不同技術體系的固態電解質材料，存在各自的缺陷或短板。

電解質從“液態”轉向“固態”充滿挑戰。

在固態電解質選擇、電芯設計上需要不斷解決循環過程中固相界面接觸及體積膨脹問題。其中，氧化物材料的柔韌性比較差，界面接觸較差，會導致界面阻抗增加；聚合物則存在著導電率過低的問題，比現在液態電解質的導電率低4-5個數量級；硫化物固態電池則面臨電解質對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規模化生產技術不成熟等問題。為了兼顧高能量密度、高安全、長壽命等綜合性能，固態電池需要匹配高比能的正負極材料，如高鎳三元正極、硅碳負極、金屬鋰負極等。這些高比能正負極材料的引入也為研制固態電池帶來了一系列挑戰，仍需要反復實驗和比較，提出綜合優化的解決方案。

自動駕駛的算法追責更加復雜。

在自動駕駛車輛發生事故時，如何鑒定事故原因成為關鍵因素。在2018年發生的Uber自動駕駛汽車測試導致行人死亡的事故，由法庭認定為車上安全駕駛員擔責，而沒有對自動駕駛算法的研發企業進行追責。這正是L3級別自動駕駛車輛所陷入的兩難境地，一方面允許車輛自行判斷路況，另一方面在事故發生時卻由駕駛員擔責。因此，在針對有條件自動駕駛車輛的保險，無論是駕駛員還是車輛生產商或輔助系統制造商承擔主要事故責任，都會極大阻礙自動駕駛技術發展。

固態電池批量制造仍存在阻礙。

雖然固態電池的原型已經開發成功，但電動汽車要實現長續航需要的電芯數量至少是迄今為止在實驗室測試的20倍。目前每塊電池的制造成本約為10萬美元，這意味著工廠將很難批量制造。從實驗室到工廠的研制過程能否加快，在生產線上能否生產出標準的固態電池，性能是否達到人們的期望，是否具備在車用領域商業化應用，這些都是極為關鍵的標準。盡管有高能量密度、高安全性的突出優勢，但就目前業界的研發進展來看，現階段固態電池在材料成本、加工成本、量產能力等方面都或多或少存在著短時間無法突破的短板。

固態電池在搶占市場占有率方面存在劣勢。

目前固態電池能量密度的提高還處于試驗階段，遠遠達不到商用要求，從研制周期來看，短時間內要完全實現從液態鋰離子電池到全固態電池的跨越是比較困難的。而以三元和磷酸鐵鋰材料體系為主的液態鋰電池能量密度已經做到250Wh/kg以上（指已量產可商用），甚至已有觸及300Wh/kg高點的產品已進入實質化的應用測試階段。如搭載這種鋰電池的汽車投入使用，電動汽車的續航焦慮定將得到較大緩解，那么姍姍來遲的固態電池想要搶占新能源汽車動力制高點就失去了先機。

國外固態電池的發展進程


豐田汽車是日本推動固態電池技術研發的骨干力量。豐田在2019年初宣布與松下合作將固態電池從試制向產業轉化。本田、三菱、日產等其他大企業也紛紛加速布局固態電池行業，爭取早日實現量產。豐田汽車在固態電池技術研發上獲得專利已超過兩百項，居全球首位。不僅自己研發，豐田還聯合電池和材料企業，以及京都大學、日本理化學研究所等10余家科研院所共同研發新能源汽車用全固態鋰電池，并預計將于2025年左右實現商業化。日本正在舉全國之力研發固態電池，每年政府投入的經費在50億-100億日元（約合人民幣3.11億-6.22億元）。豐田表示，已經按照計劃成功制造出固態電池的樣品，且安裝到概念車上，希望成為全球首家量產搭載固態電池汽車的廠商，計劃于2021年推出原型車，2025年左右開始量產。

美國新興固態電池企業Quantum Scape（簡稱QS）從根本上解決了阻礙固態電池商業化的基礎難題。該企業花費5年時間研究固態電池電解質材料體系，宣稱已經攻克技術障礙并已經生產出產品。QS今年1月宣稱其固態電池產品能量密度超過1000Wh/L，完成近1100次的循環測試，仍可保持80%以上的容量。但是，QS把實用產品推向市場還要走過漫長道路。QS計劃與德國大眾合作，于2024年建立1GWh試生產線，通過在大眾高端車型上搭載，實現其鋰金屬固態電池的商業化量產。

韓國三星利用其強大的財團背景對全球范圍內固態電池技術相關項目或公司進行了較大規模的投資、參股或技術跟蹤。2018年，三星SDI與LG化學、SK創新成立了聯合基金，共同開發包括固態電池的下一代電池核心技術。現代沒有參加以上的三家聯盟，而是選擇自主開發、與高校合作和外部投資的方式進入固態電池的產業鏈。在專利方面，韓國分布相對比較集中，以硫化物電解質方面專利為主，三星SDI、LG和現代占比50%以上。2020年12月，LG新能源正式從LG化學拆分成立，該公司計劃到2021年末前，將電池年產量從2020年的120GWh增加到156GWh，提高30%。LG公司計劃在2025年年底實現鋰硫電池商業化，并在2025年至2027年間實現全固態電池商業化。

如何推進中國固態電池的市場化

刻苦攻關，搶占固態電池領域的制高點。

只有掌握技術主動權和規則制定的發言權，才能夠徹底擺脫昔日在科技發展上處處受制于人的被動局面。縱觀全球固態電池的發展格局，中國科研機構和相關企業擁有趕上并超越世界一流技術水平的絕佳機會。但是對比日本，我們還需要大力改進工作方式和加大工作力度。從2018年開始，日本政府聯合日本38家機構、日本電池制造商及本田、日產和豐田三大主要汽車制造商研發固態鋰離子電池。同時，日本政府啟動了多個項目，與優勢企業攜手致力于固態電池實用化。中國最大的問題不僅是企業投入不夠，社會資本把握時機和精準度不夠，特別是基礎性創新缺乏。基礎研究的機構更傾向于出新成果，往往不太關心市場的需求，與企業的合作不夠密切，產、學、研鏈條不能打通，沒有承擔起國家賦予的公共技術基礎研究的重任。因此，中國應從以下四個方面著手搶占固態電池高地。

政策引導方面

國家應分類下達重點研發計劃、地方政府重點科技項目、產學研合作項目等。分別針對電動汽車、智能電網、國家安全等領域應用需求，針對不同類型的正負極材料、不同性能的固態鋰電池，布局有關基礎研究、關鍵技術攻關，以及產業化培育項目。

產業化方面

為了加快開發固態鋰電池，應在關鍵原材料、電芯制造、裝備制造、電源管理、電池模塊、系統應用、診斷測試等產業鏈各個環節進行布局，對其中的關鍵工程技術問題組織力量集中攻關。　

技術支撐方面

應盡快建設高水平的國家級研發診斷測試平臺，提升中國固態鋰電池的技術保障能力，通過對優勢科研團隊的集中支持，迅速提升核心團隊在世界學術界、專業領域的影響力。

商用策略上

采納固液混合態的路線，從加快商用視角來看，固態電池雖具備廣闊的前景，必將成為未來的主流電池，但從當下情況來看，技術水平和成本問題都制約了其大規模商用化，液態電池依然占據大部分市場。為爭取發展空間，就必須走雙管齊下路線。

最后，成本問題是固態電池技術商業化的最大挑戰，從本質上講，續航里程與使用成本（整車與更換電池成本）目前仍是電動車的薄弱環節，任何新技術的成功都必須同時解決這兩大問題。再核對一下時間表：2030年前碳達峰、2060年前碳中和。2025或2030年，世界主力新能源車企搭載全固態電池商用化。可以預見，未來的4-5年內車用固態電池技術將迎來突破性進展和快速發展期，新能源汽車動力大變局即將到來。