试产、量产消息一波波，固态电池或许在2021年迎来元年

2018 年底到 2019 年至今，固态电池行业陆续出现不少积极消息，有人因此开始提出，2019 年可能是固态电池的元年。

　　比如国内由中国科学院院士南策文团队投资创办的清陶能源，去年底表示启动首条固态电池生产线，产能规模为 100MWh，目前可以日产 1 万颗电芯，主要应用在特种安全领域；另一家获软银中国资本投资的辉能，在 2013 年量产小容量固态电池后，在今年启动扩产，新厂规划产能为 1GWh；在日本，包括 FDK、TDK 宣布完成全固态电池的产品开发，不久前日立造船（Hitachi Zosen）宣布将在大坂筑港工厂生产全固态电池。

　　过去几年，固态电池行业较多是募资信息，初创公司又获得了哪些汽车厂或科技巨头的投资，而近期这一波的信息开始聚焦在试产、量产、甚至是扩产，显示固态电池行业正踏入另一个阶段。这也是元年提法的由来。

　　但电池行业人士分析，预期到了 2021～2022 年左右固态电池才有望迎来真正的元年。

　　图|清陶能源去年底表示启动首条固态电池生产线（来源：清陶能源）

　　材料属性不同，各有其量产挑战

　　固态电池是新一代的电池技术，优点在于安全性高：电池没有漏液问题，损坏、被穿刺时不会产生爆炸或着火；高能量密度：业界认为，固态电池的密度和结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流与提升电池容量，使重量能量密度（Wh/kg）能提升到 400Wh/kg 以上；轻薄以及可挠曲性的潜力：使用电解液的传统锂电池，必须在阴极和阳级之间加入隔膜来防止短路，一般来说隔膜的厚度约 20～30 微米，固态电池不需隔膜，厚度比传统电池轻薄许多，可让电子产品或汽车在外观设计或空间利用上达到更大的效益。

　　图|TDK CeraCharge 固态电池，使用固体陶瓷电解质代替液体电解质（来源：TDK）

　　固态电池几种电解质材料包括固态聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（Thin Film）等，以评估电池好坏三大要素：稳定性（体现出来包括安全性、充放电能力等）、量产性、导电性来看，薄膜的稳定性和导电性非常好，但量产难度高，使用半导体溅镀式制程，在真空环境下运用化学气相沉积法或物理气相沉积法等镀膜制程方法， 成本偏高，如果要做到像手机、IT 应用的话，需要层层堆叠至少 100 片薄膜。戴森、苹果各自收购的固态电池公司 Sakti3 和 Infinite Power Solutions 皆以此类技术为主，但行业内传出戴森已放弃，目前发展前景不明。

　　固态聚合物方面，很多特性跟液态电池相近，几乎可以直接套用现有液态电池的制程和设备，故量产性高，但稳定性、导电性较差，整个模组做好到车子上，电池体积能量密度大约只有 100～140 Wh/L（瓦时/升）。加上高温的稳定性不佳，可运作的温度范围为 60～80 摄氏度，所以需要搭配使用加热器，将温度提高到 60 度，如此就得额外增加一个热管理机制及高压系统，并影响体积利用率。

　　像博世（Bosch）收购的 Seeo 就是固态聚合物技术，但 Bosch 买下 Seeo 一年半后就宣告放弃，电池行业人士向 DeepTech 透露，先前博世求售 Seeo，积极寻找买家接手，不少电池公司都收到了收购意愿询问信。

　　因此，随着近几年来行业的变化，固态电池目前有两大主要阵营，分别是硫化物：丰田、松下、三星、宁德时代等，其导电度非常好，能量密度较佳，但生产困难，由于硫材料非常怕水气，水气引起化学反应就变成硫化氢，除了危险性高之外，在制造过程需完全在干燥室中，成本较高，由于制造挑战多，目前处于实验室阶段，该类技术领头羊的丰田则对外表示，目标在 2020 年将自研多年的固态电池商业化。

　　另一个则是氧化物：如辉能、清陶能源、北京卫蓝新能源、索尼。其优点在于稳定性佳，缺点是导电性较差，另外在生产时，氧化物电解质弯曲很容易脆裂，不过已经有一些业者克服量产问题，比如辉能通过在电解质、正负极里加入陶瓷相关技术，除克服导电性、脆裂问题，电池可弯曲，且实现了卷式生产。

　　大规模商业应用可能在 2021～2022 年

　　尽管不同电解质材料有其挑战，如前所述，近来固态电池行业有越来越多业者释出开发完成、进入量产的阶段，不过，距离所谓的元年仍有一段差距，因为电池容量很小，商业应用很小量。

　　像是日本 FDK 宣布完成开发固态电池，其容量大概是 140μAh（微安时），以现行欧洲电动车大多数为 80 度电来计算，是 22857Ah（安时），也就是说，一台车需要的电池，跟 FDK 所做出来电池容量大小差了 一亿多倍。另一家 TDK 开发的指尖大小的全陶瓷固态电池已进入试产，容量仅为 100μAh。

　　图|FDK 的固态电池去年底开始样品出货（来源：FDK）

　　刚获得今年爱迪生发明奖（Edison Awards）金牌的辉能科技创始人杨思枏，在接受 DeepTech 专访时就直言：“日商的策略看起来偏向是补偿被动元件上一些陶瓷电容不足的地方，不完全是要替代现行电池”。不过，这是行业发展必经的过程，大家都是先从小的东西开始做，固态电池开始有更多人进来，有不同的应用，理解、搜寻市场。

　　他进一步指出，不论是用于 IoT 装置，或是像日立造船的固态电池用于航空航天领域，现在的量还是很小，其实讲元年不太有意义，价格必须合理，出货量才会跨过一个量级。一个产业要能成形，至少得达到一年 10 亿美元的产值才行，如果基于这个商业逻辑来思考，2021、2022 年就有机会实现。

　　第一个原因是用于电动车的固态电池届时将开始出货，首先，丰田多次公开表示，将在 2020 年上半年推出全固态电池，然后于 2022 年开始销售搭载固态电池的全新电动车。另外，辉能也已经与国内一家国企汽车公司敲定合作，将在 2021 年开始出货电动车固态电池。

　　而在今年 1 月中国电动汽车百人会上，天际汽车董事长张海亮也表示，预计到 2021 年，天际的固态电池电芯的能量密度将达到 300Wh/kg 以上，电池模组（pack）达到 220Wh/kg。所以，综观多家车厂的日程表来看，2021～2022 年将会陆续见到由固态电池驱动的电动车问世。

　　除了电动车是推动固态电池发展的主要驱动力之外，工业应用的电池需求其实也被看好，像是油田相关设备，必须在很低温或很高温的环境下运作，要求电池内阻不受影响，固态电池就成了一个好选择。

　　图|辉能科技创始人杨思枏（来源：Deeptech）

　　固态电池与三元电池的能量密度竞赛

　　另一个固态电池有望在 2021、2022 年迎来元年的原因是，“届时，电池能量密度可能跟三元电池出现黄金交叉”。

　　杨思枏以丰田公开放出的固态电池发展进度表（roadmap）以及特斯拉现有的资讯来估算，丰田预计在 2022 年量产固态电池，其第一代架构技术电池芯为 450 Wh/L，目前 Tesla 电池芯为 715 Wh/L，但是，消费者要的不是单看电池芯，而是整个模组，也就是成组效率。

　　特斯拉的电池模组成组效率只有 32.5％，固态电池的成组效率基本上比三元电池来得高，丰田的技术基本上可以达到 75%。因此，特斯拉是 715 x 32.5%，大约是 230～240 Wh/L；Toyota 为 450 × 75%，大概 330～340 Wh/L，赢过了特斯拉。

　　当然，特斯拉不会在未来几年不思进取，液态电池要解决这个问题，就是持续提升电池芯的能量密度。但是，新的问题也随之而来：高利用率的材料供应链是否成熟？目前锂电池行业往镍锰钴（NMC）配比为 811 的高镍三元电池迈进，供应链尚未非常成熟，所以更高的能量密度的正极材料、负极材料的供应、成本都是未知数。另一个问题就是安全性问题。

　　“因此，三元电池到最后很有可能就升不上来了，发展开始平缓，固态电解质就会开始超过它。所以，2021～2022 年很有可能出现一个所谓的黄金交叉”。

　　一旦当固态电池持续超越三元电池，“当年三元系吃掉磷酸铁锂的概念还会再发生一次，大概那个时间点我在猜想应该在2022～ 2025 年，”杨思枏预测。

　　但是，他也强调，“前提是固态电池必须突破量产问题”，现在行业要走到证明固态电池能够大批量产的阶段。

　　打入软银周边及半导体检测机台

　　在现阶段的固态电池领域中，能真正做到量产的还不多，辉能主要锁定氧化物电解质固态电池，其研发的陶瓷固态电池已经量产，并在市场上被使用，像是软银旗下的 SoftBank SELECTION 周边产品品牌，就主打采用固态锂陶瓷电池的“Power Leaf”产品，像是充电皮套、行李挂牌样式的移动电池等，甚至半导体制程重要的检测设备，因必须在非常低的气压跟高温下运作的特殊性，也使用了辉能的固态电池。

　　尽管如此，这些应用仍属于很小量。

　　图|软银 Power Leaf 产品，像是充电皮套、行李挂牌样式的移动电池，采用辉能的固态锂陶瓷电池（来源：SoftBank）

　　杨思枏指出，辉能已经脱离实验室技术到达工艺选取，并且进入到大量生产的前端阶段，但他也直言，固态电池还有几个问题需要克服，回到氧化物电解质的原始点来看，第一，它的离子导通能力大约只有硫化物跟液态电解质的 1/10 ～ 1/20 ，想克服这个问题考验各家电池公司的设计实力。

　　第二，氧化物材料的有效接触面积小，“固态电解质最重要的瓶颈就在界面，不管是化学界面还是物理界面”，氧化物的化学界面稳定度高，但物理界面不容易形成，所以发展氧化物的业者，必须解决物理接触面积不足的问题。

　　另外，硫化物本身的界面也相对复杂，如果形成一个不好的界面的话，除了会使离子导动度下降只剩百分之一、甚至是千分之一之外，原子还会迁移、穿透、然后毒化活性材料、固态电解质，造成很不好的影响。

　　第三，氧化物另一个挑战是在做压合、挤压等集成过程中很容易断裂，硫化物则比较容易压成锭。

　　第四，有些人觉得固态电池的快充会有问题，但杨思枏认为，如果界面阻抗部分能够被解决的话，那么区域性的极化问题反而就不存在了，以辉能的产品来说，快充已经达到 12 分钟可充满 70％的电量。

　　正因为固态电池的技术困难，光靠一家或两三家公司无法发展成一个产业链，因此，杨思枏的策略是通过技术移转的方式建立生态圈，包括技术授权，销售核心材料、设备等给有需求的客户，像是汽车公司、储能服务商、工业设备商、传统的电池公司等。由于陆续签下车厂、工业应用合作案，辉能正在扩建新厂，预计今年底完成后，固态电池的年产能将达 1.5GWh。