固態電池的世界大戰

來啊，你過來啊！

2016年12月，英國頂級學術期刊《Energyand Environmental Science》（《能源與環境科學》）刊發了一篇名為《Alternative strategy for a safe rechargeable battery》（《安全充電電池的替代策略》）的論文。

論文稱，德州大學奧斯汀分校科克雷爾工學院的約翰·古迪納夫（John Goodenough）教授領導的團隊發明了一種快速充電的低成本全固態電池，解決了當前困擾電池行業的諸多痛點，具備不易燃燒、體積能量密度高、循環壽命長、充放電速度快等諸多優點。例如這種電池在1200個充放循環之後只出現極小的損耗，並且能夠保證在 60℃~﹣20℃的溫度區間正常工作。

此文一出，立刻在世界範圍內的能源、化學、物理學界以及整個電池產業界引發了一場軒然大波。

原因有二：

1、該文的第四署名作者——古迪納夫教授的特殊身份：

他是「鋰電池之父」，鋰充電電池的發明者，全球電池界的泰斗，被稱之為是當前整個科學界「高聳入雲」級別的人物。這位今年95歲高齡的老教授至今活躍在教學和科研的第一線，作為電池領域內的頂級專家，其每個舉動都備受業內關注；

2、古迪納夫的研究成果竟然是錯誤的！其理論依據甚至違背了最基本的熱力學第一定律！

但奇怪的是，所有業內人士出於對古迪納夫的極度尊重，全部選擇揣著明白裝糊塗的態度，在心知肚明的情況下集體選擇了保持沉默。

沉默在一年之後被打破。

美國普林斯頓大學的研究員Daniel Steingart同樣在《能源與環境科學》發表了一篇名為《Commenton 「Alternative strategy for a safe rechargeable battery」》的文章，公開對老前輩的研究成果提出了質疑，並針鋒相對地提出古迪納夫提出的的反應機理是錯誤的，「從熱力學的角度這顯然是不可能發生的」。

出頭鳥一叫，換來學界一片叫好聲。古迪納夫老爺子在鋰電界的地位可以說無人能及，對此，老爺子只是淡淡的一句「我們沒有違背熱力學的第一定律」以示回應。

這位在1991年與索尼公司聯合開發出世界上第一個商用可充電鋰離子電池，推動了人類社會電子革命進程的老人終究在鮐背之年晚節不保。

據一位接近事實真相的人士向建約車評透露，一輩子淡泊名利的老爺子這次是被那篇備受爭議的論文的第一作者，M. H. Braga（一個來自葡萄牙的女學者）給忽悠和利用了。

以上所述的學術間的爭論，只是今天鋰電池產業的冰山一角。

實際上，學術上的爭鋒，遠沒有商業現實中的戰爭精彩。

自誕生以來，被認為是和晶體管發明有著同等重要地位的可充電鋰電池產業的從業人員，在過去、現在和未來都一直面臨著兩大挑戰：安全和能量密度。

曾經很多年時間裡，鋰電池的主要應用領域都是消費類電子產品。不過這種情況從2013年開始發生逆轉，伴隨著全球範圍內新能源汽車的迅速崛起，動力電池產業突然變得炙手可熱並充滿誘惑起來。

未來，新能源汽車將是鋰電池應用的最重要領域。

有分析預測，全球動力鋰電池市場將繼續迅猛增長，預計至2022 年，總需求量和市場規模將分別達到54.9GWh 和267 億美元，未來十年年均複合增長率分別可以達到37.0%和31.6%。

在中國，僅2016年一年時間就賣出去了605億元的動力電池，2020年的這個數字將再×3。若以1.5 元/wh 的均價進行測算，未來5年我國新能源汽車動力電池市場規模將達3363 億元。

《福布斯》預計20年後，全球動力電池市場的價值將達到2400億美元。

然而，在這一輪新能源汽車大潮中享盡紅利的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，卻逐漸顯露出難堪大任的尷尬。

受制於現有體系架構和關鍵正極材料影響，現有體系的鋰電池的能量密度基本上很難突破300Wh/kg。其中磷酸鐵鋰電池單體能量密度以難超過140Wh/kg，規模化的三元鋰電池單體能量密度最多做到220Wh/kg，實驗室里的的上限是300Wh/kg。

未來新能源汽車產業發展的主要矛盾，將集中在人們對續航里程日益增長的美好嚮往與動力電池能量密度增長緩慢之間的矛盾。

在中國，政府將未來若干年內動力電池的技術目標定在2020~202年要實現單體能量密度300Wh／kg~400Wh／kg。顯然，不論是磷酸鐵鋰還是三元鋰電，都難堪此大任。

在美國，美國能源部專門成立了新一代電池的研發組織——能源存儲聯合研究中心（JCESR）。JCESR雄心壯志地表示，「將像曼哈頓計劃那樣，集中投入人才和資金，在5年內開發出能量密度達到5倍、價格降至1/5的蓄電池」。

傳統的鋰電池技術（磷酸鐵鋰和三元）受制於液態電解質，難以兼容金屬鋰負極和新研發的高電勢正極材料，從而使能量密度的上升存在瓶頸。在安全方面還會造成短路引燃、離子濃度差增大電池內阻、電極材料持續消耗等問題。

所以在這個時候，作為「下一代鋰電池技術」，固態電池以其天生具有的高離子電導率和機械強度、寬電化學窗口和工作溫度區間，成為人們夢寐以求的能量密度高、循環性強、安全性高、充電時間短的理想對象。

進入視線的固態電池雖然看似比較靠譜，但卻還存在著許多難以攻克的技術難題，距離其大規模量產也還需要一段時間。

但這依舊難以撲滅全球上百家各式機構瘋狂進軍固態電池的熱情。在這些機構中，既包括傳統汽車巨頭、新進造車公司，汽車零部件巨頭，電池生產企業和上游原料商，還有有著學術背景的科研院校，有著政府背景的研究所，甚至是軍方資助的神秘機構。

不管怎樣，全球數百上千位物理學、化學、電學的頂級專家學者，在成千萬上億美金的研發資金的支撐下，圍繞著固態電池這一戰略制高點，從技術研發到商業量產，展開了一場爭奪戰。

日本

以豐田為首，日本在固態電池領域有著領先於世界的布局，包括本田、松下在內的公司都宣稱將下一代電池研發的重點放在固態電池上。

但需要特別注意的是，因為日本島國的封閉性思維，他們不願意分享自己的研究成果，而是選擇最大化自己技術路線的商業利益（例如燃料電池專利開放只有幾年的時間窗口，剛好夠其他國家和公司開發產品，等量產的時候他們就來收割）。

有了這方面的「歷史教訓」，中國一般都會選擇不會跟著日本的路線走，比如移動通信制式、HEV的技術路線等，我國都明顯表現出有意避開日本技術路線的意圖。

豐田：固態電池的狂熱擁躉

今年7月，日本媒體爆出一記重磅消息，豐田計劃在2022年推出固態電池量產汽車。隨後，一位豐田發言人表示，不會立即就此事發表評論。

5個月後的12月，豐田方面突然宣布：計劃在2020年推出10款電動車，並將下一代固態電池商業化。隨後，這一消息也在豐田負責材料工程的高管Shigeki Suzuki處得到證實：豐田將於2020年全面實現全固態電池商業化。

這意味著，豐田又單方面將固態電池的商業化提前了2年。

這是相當大膽的行為，特別是發生在謹慎保守的豐田身上，則更加令人不可思議。

業內人士分析，以豐田以往的性格，如果其看好固態電池路線，基本上就意味著豐田已經攻克了這條技術路線中的絕大多數難題，比較有把握量產了。

實際上，至少在十幾、二十年前，豐田就已經秘密組織了一支上百人的頂尖人才團隊進行固態電池、空氣電池的研發工作。

這一支囊括了土田靖、小谷幸成、上野幸義、濱重規、中本博文、長瀨浩、神谷正人、布賴恩·海登、蒂里·勒蓋爾、鄧肯·史密斯、克里斯托弗·李在內的專家隊伍默默研發了十幾年時間，為豐田申請了多達30項專利（至今豐田在固態電池方面的專利數量遙遙領先）。

囿於商業保密，外界對豐田在這一領域的具體進展不得而知。雖然豐田一直低調進行，保持神秘，但是業界依然公認其技術進度應該排世界第一。

按照電解液形態劃分，固態電池分為全固態和准固態（介於固態和液態之間的妥協路線）。根據電解液的材質不同，全固態又有著氧化物、硫化物和聚合物之分，而豐田走的就是全固態中的硫化物材質路線。

就目前已知的是，豐田不僅獲得了固體電解質材料、固態電池的製造技術等方面的專利，甚至還研發了一整套的正極材料和硫化物固體電解質材料回收的技術路線和回收工序。

2010年，豐田正式推出硫化物固態電池，到2014年，其實驗室中的固態電池的能量密度已經達到400Wh/kg。

歐洲

長期以來，一直佔據全球產業鏈的頂端而謀取高額利潤的歐洲發達國家都認為鋰電池產業是一個低附加值行業（這種低端產業應該由亞洲人來做），而沒有對電池產業形成足夠的重視。這就造成今天歐洲缺乏規模化的鋰電企業，鋰電產業鏈也一直都沒能建立起來的局面（不過，比利時的Umicore優美科公司一直是全球正極材料巨頭，這算個例外）。

所以，在這一輪的動力電池大潮中，歐洲被踢出局的命運早已被註定。但作為傳統汽車強國和車企巨頭的聚集地，歐洲的車企巨頭也只能奮起直追。

例如大眾計劃投入500億歐元的巨資用於固態電池的研發，寶馬也選擇與美國電池製造商Solid Power合作，開發新一代固態電池技術，並把量產時間定在2026年。

縱觀歐洲在固態電池領域的布局，其最大的特點就在於由於缺乏當地薄弱的產業鏈條的支撐，所以大多數公司只能選擇與亞洲或美國的各地合作，或者乾脆開啟買買買的模式。

法國的Bolloré

在歐洲，法國的望族Bolloré（博洛雷）家族掌控之下的子公司BatScap是世界公認的在固態電池領域有著深度布局的代表，只是和豐田不同，BatScap選擇全固態中的聚合物技術路線。BatScap的固態電池由於負極材料採用金屬鋰，電解質採用聚合物薄膜，因此又被稱為金屬鋰聚合物電池。

BatScap的電池的最大優勢是已經接受了量產和市場的實地檢驗，得益於1822年就成立了的Bolloré集團在交通、運輸、能源等方面不計投入的長遠布局，使得BatScap的電池可以迅速地落地。

早在2011年10月，Bolloré就開始利用自主開發的電動汽車「Bluecar」和電動巴士「Bluebus」在法國巴黎及其郊外提供汽車共享服務「Autolib」。幾年來已累計投入了3000輛搭載30kWh的由BatScap製造的固態電池，並在當地建立了900座服務站和4500台充電設備，累計用戶近20萬人，每天的利用次數約為1.8萬次，由此積累了大量的數據和運營經驗。

但是，需要特別指出的是Bolloré雖然成為第一家將固態電池進行規模商業化的公司，但是實際輸出能量密度仍然較低，其能量密度僅為100Wh/kg，遠低於其理論水平。

美國

美國和歐洲同病相憐，但情況卻稍微好一點。歐洲的動力電池產業已不存在重振的可能性，不過美國卻較早地認識到其本土鋰電產業非常薄弱的現實，並提早作出布局。

例如2008年美國政府就將戰略方向從氫能和燃料電池轉向鋰電池，一方面成立了多達上百家的電池相關的風投公司，另一方面積極向全球鋰電產業鏈進行拓展和布局。

Sakti3：三巨頭之一

美國Sakti3是業內公認的可以和日本的豐田與歐洲的Bolloré並列的技術成熟度較高、技術沉澱較深的固態電池研發三巨頭之一，同時也是固態電池第三條技術路線——全固態中的氧化物電解質材料路線的踐行者。

氧化物技術路線，是三者裡面難度最大的。

2008年，瑪麗·塞思特里創辦了Sakti3。值得一提的是這位前密歇根大學工程學教授還是位頗有些情懷的人，這從她為新公司取得名字中就可以看出來：Sakti是梵文「能量」的意思，3代表了鋰元素的原子數。

Sakti3公司最優質的資產或許正是創始人塞思特里自己，這位每周工作超過100小時的女強人致力於電池技術的研究已有20年，並且擁有70餘項專利。

Sakti3號稱開發出了能量密度達到1000 Wh/kg的固態電池，並稱未來實現商業化量產之後，成本只有當前鋰電池的20%，可以把搭載其電池的電動汽車成本控制在2.5萬美元。

創建之後這家位於密歇根州安阿伯市的公司獲得通用汽車、日本工業巨頭伊藤商社、密歇根州政府以及風投公司共計3千萬美元的投資。不過最終在2015年被英國富豪詹姆斯·戴森，也就是戴森吸塵器和電吹風的發明者收購。

戴森收購Sakti3除了能夠近水樓台，將Sakti3的固態電池率先應用在電吹風和吸塵器上之外，顯然還有更大的野心。戴森已明確宣布，已經在去年8月出資14億美元，興建一座大量生產固態電池的工廠，最終目的是為了打造出「戴森」牌子的電動汽車產品。

Sakti3目前存在的最大問題是其採用薄膜沉澱工藝的製造技術，簡而言之就是將薄膜進行一層層的堆積。這就造成其成本居高不下，且在未來降低成本的可能性也不算太大。

Seeo：背靠博世好乘涼

2016年，德國汽車零部件巨頭博世收購了Seeo，使得這家美國的固態電池創業公司一時聲名鵲起，開始進入到人們的視線。

2007年，作為大名鼎鼎的美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室在固態電池領域的創業項目，Seeo公司正式建立。Seeo可謂是含著金湯匙出生，因為他是勞倫斯伯克利國家實驗室唯一授權擁有核心專利的電池公司。要論這家勞倫斯伯克利國家實驗室有多牛，只需要知道一點就夠了：研發了美國第一顆原子彈和氫彈，與之相關的13個科學家及組織獲得過諾貝爾獎。

Seeo主要基於化學工程師哈尼·埃托尼在勞倫斯伯克利國家實驗室發明的一種電池技術，埃托尼說，他發明的這款固態電池相當於一個公文包大小，單位重量的儲電量是當今液態鋰電池的兩到三倍。

埃托尼道出了Seeo在這一領域的核心競爭力，Seeo的干聚合物薄膜固態電池，已經拿出來的樣品電池組能量密度是 130-150Wh/kg，這顯然不是一個很好看的數字，不過其宣稱在今年這個數字可以提升到300Wh/kg的水平。

創立之初，Seeo也一度成為資本市場的寵兒，先後經歷了多輪融資，投資方甚至包括了谷歌和三星，直到去年被博世收購。

這裡多說一句關於博世在固態電池領域的布局，這家全球最大的汽車零部件巨頭近年來在新能源汽車領域的布局可謂是激流勇進。

在收購了Seeo之後，博世又與日本的GSYUASA電池公司和三菱重工合資建立一家新工廠，主要產品也是固態電池。其中GSYUASA電池公司是由日本的兩家電池巨頭GS（統一）和YUASA（湯淺）合併而來，其實力不容小覷。

問題是，當歐美日都在不約而同地向固態電池領域奮力突擊，搶佔戰略高地之時，已將新能源產業放在國計民生髮展的重中之重的中國，怎麼能在一旁甘心做看客？

曾有一位多年專註鋰電池技術的研究，在美國高校任教的華人教授對建約車評闡述了如下觀點，讓筆者在瞬間民族自豪感爆棚。如下：

1、在美國，包括固態電池在內的電池前端技術領域的主要研發力量依舊以華人為主；

2、雖然美國的各類鋰電池研發機構很多，研發力量也較為強大，但這位教授說業內人士時常能夠深切體會到與中國相比，依舊有所差距，甚至差距還在不斷拉大。這主要體現在美國本土的整個電池產業鏈遠不如中國的健全和完善。

3、全球最健全和發達的動力電池產業鏈都集中在中國，為動力電池技術的發展提供了最豐沃的土壤。

中國

蓬勃發展的新能源產業，為中國本土的動力電池產業崛起提供了最佳的歷史機遇，如同中國有機會在下一個汽車工業時代實現彎道超車，中國的動力電池技術也將極有可能打破國外的封鎖，成為引領尖端技術發展的決定性力量。

在中國，無論是國家級的科研院所，抑或是電池企業，都紛紛加註固態電池力量，搶佔未來動力電池賽道。

贛鋒鋰業：第一個吃螃蟹

今年8月18日，一則消息被放出，幾乎震驚了整個國內鋰電池產業界。固態電池專家，原中科院材料所研究員許曉雄博士與中國鋰礦上市公司贛鋒鋰業達成戰略合作協議，在寧波推進固態電池技術的中試，目標在3年內實現固態電池產業化。

這裡要說的是許曉雄，作為科技部「十二五」新能源領域「全固態鋰離子儲能電池」項目的負責人，長期致力於固態電池技術的研發，公開資料顯示，其至今已申請專利30餘項(國際專利6項、中國專利27項)，其中已授權專利11項。

他和中國科學院寧波材料技術與工程研究所的其他成員，包括姚霞銀、萬紅利、楊菁、黃禎、姚霞銀、趙鋒東、朱駿等在內的多名成員研發出了全固態鈉電池的複合正極材料、全固態鈉電池電解質以及一種全固態鈉電池的製備方法和理論。

在許曉雄團隊與贛鋒鋰業發布合作協議的4個月之後，贛鋒鋰業在12月5日發布公告，將設立全資子公司浙江鋒鋰，以自有資金不超過2.5億元投資建設一條年產億瓦時級的第一代固態鋰電池研發中試生產線，項目建設期2年。

所謂中試就是產品正式投產前的試驗，是產品在大規模量產前的較小規模試驗。企業在確定一個項目前，在進行試驗室試驗、小試、中試後，基本上就可以正式量產了。

贛鋒鋰業敢投2.5億元，並讓許曉雄做企業法人代表，很大程度上意味著許曉雄團隊的固態電池技術已基本成熟。

根據測算，贛鋒鋰業生產的第一代固態鋰電池電芯的能量密度可達240 Wh/kg，按照單車500千克電池組估算，80KWh的電量可以實現480公里的續航，且千次循環後最大電量仍有90%，充電僅需12分鐘充滿。

陳立泉：先行者

中國工程院院士陳立泉一直以來都是國內固態電池的積極推動者，他認為只有全固態電池可以勝任進一步提高電池能量密度到500Wh/kg的歷史任務，並在呼籲應該儘快啟動全固態電池的研發產業化工作。

1978年，陳立泉首次發起並倡導固態金屬鋰電池的研究和固態離子學的相關基礎研究；1980年成立了中國第一個固態電池領域的實驗室——中國科學院物理研究所固態離子學實驗室；直到2000年，中科院物理所的研究焦點轉移到納米離子學，同時開始大力研究攻克固態電池關鍵技術問題；2016年，創立以固態電池為研發重點的北京衛藍新能源科技有限公司。

除陳立泉之外，北京衛藍還囊括了一批國內頂尖專家，包括陳立泉的老搭檔李泓，作為中國科學院物理研究所研究員，其參與了包括高能量密度鋰離子電池硅基負極材料開發、金屬鋰及固態電池技術研究等多個國家級項目的研發。

目前，北京衛藍已經研發並掌握了固態電池技術領域的多項關鍵性技術，包括金屬鋰表面處理、原位形成SEI膜技術、固態電解質、鋰離子快導體製備技術以及高電壓電池集成技術、陶瓷膜優化技術和集流體解決方案。

寧德時代：積極儲備備戰

去年12月，寧德時代研發經理郭永勝在一次活動場合表示，寧德時代已開始積極布局動力電池下一代技術，其中較為集中在在固態鋰電池方面，同時也從一家電池生產製造企業的角度出發，將研發的一個重點放在了固態電池的製造工藝上面。

作為國內動力電池巨頭，寧德時代已在固態電池的儲備研發上進行布局，其在固態電池上的解決思路是對正極材料做了一些保護，可以提高兼容的性能。

同時，由於硫化物對空氣的敏感性造成製造過程面臨很大的挑戰。固態電池的整個製造工藝跟傳統的鋰電池是完全不一樣的，所以寧德時代在固態電池的研發過程中，將固態電池的製造問題，在生產設備和工藝等方面進行同步的跟進研發。

就目前已知的信息是，寧德時代目前已經設計製造出了容量為 325 mAh的聚合物電芯，並表現出較好的高溫循環性能：300周循環以上剩餘82%。

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