固态电池实用化的影响——新玩家登场 解决现有电动汽车盲点（一）

引言：今年以来，全固态电池的新闻越来越多。先是Fisker宣称开发充电1分钟、行驶500公里的固态电池，然后是宝马宣称与SolidPower合作开发下一代电动车用固态电池，现在丰田又宣称将在2020年代前半（即2025年前）实现全固态电池的实用化。如果这些成为现实，将会完全改写现有的动力电池市场竞争格局，国内车企及动力电池厂商需要予以重视。

锂离子二次电池全固态电池将有望实现在EV应用中的商业化，这一目标达成时间最近快速提前至2022年左右并具体化起来，而面向智能手机与物联网终端IoT的应用将在未来的1-3年内更早地实现量产。由于充电速度快、安全性高，有观点认为如果全固态电池能够普及，将有可能重塑电池与电动汽车市场的势力分布。此外，全固态电池还被认为是大幅提高能量密度的途径。

有全固态电池研究人员感慨以前说到要实现实用化，最早可能要到2035年。谁能想到竟然如此之快？3年前，有观点称最早预计可在2025年实现实用化，那时已经是比最初计划提前了10年。而今年，丰田公司副社长Didier Leroy先生在2017年东京车展上提到将全面加速全固态电池的实用化相关开发，争取在2020年代前半实现这一目标。丰田目前的开发团队超过200人，已申请相关专利全球位居第一。 这一发

言则是在2025年基础上，更早地让我们看到了全固态电池实用化的具体时间。

丰田挽回EV滞后感的王牌

丰田所指的2020年代前半，具体是指2022年前后的可能性非常大（注1）。

注1）： 2017年7月日本就有报道称丰田将在22年，在日本国内首先实现全固态电池实用化，尽管后来这一报道被丰田相关技术人员否认，但2017年11月再次有报道称丰田董事长内山田竹志先生向海外媒体宣称全固态电池将在未来4~5年实现实用化投入实际使用。另一方面，也有丰田技术人员称这样的实用化时间会让人困惑，甚至有人冷静地指出Leroy先生公开发表的内容也仅仅只是努力目标。丰田被认为在电动汽车市场滞后于其他竞争对手，所以看起来似乎更多是管理层而不是技术团队期待通过全固态电池消除丰田的滞后感。

TDK将在2018年春实现量产出货

明确全固态电池实用化时间的不止丰田一家（图1），开发EV跑车的美国Fisker公司CEO HenrikFisker先生2017年11月在美国一档电视节目中发表了与丰田非常类似的计划再过4~5年，将在EV汽车上搭载公司独立开发的全固态电池，这会是（电动汽车电池的）新玩家。

图1：2020年前后开始量产，各厂家的全固态电池量产时间（含日经技术推测）与用途。出现类似美国Fisker一样的公司，面向汽车开发的电池，将早1-2年先向智能手机出货。

所谓在汽车开发上4-5年内实用化，这一实用化时期具体指的是主要技术就位，开始讨论材料采购、工厂产能完成的时期。Fisker先生似乎是为了印证这一点，提到在EV上搭载前1-2年内，将首先在智能手机上搭载基于相同技术的电池，为实现这一目标销售，Fisker公司将在2018年1月在美国举办的CES2018展会上展出开发中的全固态电池。

而收购了索尼电池业务的村田制作所，TDK等公司，则更加的势头凶猛。TDK早有计划2017年12月将实现基材表面封装的超小型全固态电池样品出货，2018年4月将实现量产出货。村田制作所则目标2019年实现全固态电池的实用化（注2）。全固态电池具备1）安全性高；2）高输入输出功率密度；3）能量密度高等优势。

注2：村田最初主要是针对IoT（物联网）终端。

而丰田与Fisker公司认为全固态电池将是市场新玩家的理由，主要是针对上述全固态电池优势2与3。其中第3点是与显著提高续航里程紧密关联的，在全固态电池实用化初期能否实现目前尚未可知，而对于第2点，快速实现EV汽车数分钟内80%以上充电的超快充电技术，则即使是实用化初期的全固体电池，实现的可能性也非常高。

现有电动汽车存在很大的盲点

超快速充电是目前EV厂商普遍要求的技术，现有的EV快速充电充满80%大约需要30分钟左右，这个充电时间对于EV的普及将是极大的障碍，以丰田为首的汽车业界，以及一部分车载零部件厂家普遍持有这种观点（图2）。在现有技术基础上，如果要避免高速公路等场景下的长时间充电等待时间，只能是放弃长途旅行，将电动汽车限定在城市通行用途上，或者是通过大量堆积电池来提高续航里程。这两个方向都是痛苦的选择，前者否定了自由去任何地方的汽车本来的独特魅力，而后者则使车辆变得非常笨重，价格也会升高（注3：目前电动汽车的电池价格约为2万日元/Kwh左右，如果增加50kWh，则价格需要增加约100万日元）。或者是大幅提高充电电流与电压，通过将电流与电压提高到150kw甚至350kw，可以使充电时间缩短到10~15分钟，但是这样的话充电电缆以及电池发热造成的功率损失非常大。（注4：制定日本快速充电规格的CHAdeMO协议会在2017年将超快速充电的输出功率定义从现在的50kw提高到150kw。而德国、美国等的汽车厂家则在2015年的Combined Charging System（CCS）规格中规定最大规格的输出功率为350kw，2017年开始，德国的高速公路上将新建400座充电站。

图2：全固态电池是否是EV汽车救世主？以上针对现有EV充电时间长的课题，比较了现有EV与采用全固态电池5分钟左右实现超快速充电的EV使用便利性。现有EV的课题不一定要通过容量增加，而是通过快速充电也能解决。

最短1分钟充电可能吗？

丰田没有透露搭载全固态电池的EV充电具体时间，但Fisker公司表示充电1分钟可行驶500英里（约800km）（该公司CEO Fisker先生发表，注5）。即使不是1分钟，如果是全固态电池，5~6分钟充电80%，从充电基础设施来看也是具备可行性的。这与汽油车加油时间差不多。假设即使能量密度不能增加，这也能很大程度解决EV充电的相关课题。

注5：有观点认为对应1分钟EV充电，充电站的输出功率需要达到1.6MW，实际上是无法实现的。但对于全固态电池的输入功率来说，这绝不是完全荒谬的数值。

在智能手机和物联网终端也具备优势

使用全固态电池进行超快速充电，不仅在电动汽车，同样在智能手机和物联网终端（图3）领域也具备很大的优势。在当下的智能手机，触摸屏终端和无线耳机中，电池占据了壳体内部相当大的一部分空间。为了完全充电，快速充电器通常需要1到2小时才能充满电。如果能将充电时间缩短到5~6分钟，甚至将搭载的电池大幅减少，则很大可能进一步扩展新的产品设计方向以及产品使用方法，注6）。

注6：例如外壳变得更薄更轻。美国星巴克咖啡公司从美国开始推出使用无线充电技术，提供只需要简单地把智能手机放置在咖啡桌上就能实现充电的便利服务。

打开美国苹果的智能手机iPhone X（a）和德国Bragi公司的无线耳机 THEDASH（b）外壳后看到的（全固态电池），以及由TDK和太阳诱电试生产的全固态电池例（c）。在这些产品类型中，可以看到随着充电时间的缩短，产品开发将有可能朝着降低电池容量的方向发展。 （照片：（c）是各公司）

图3智能手机和物联网终端的优势

甚至持续进化为Li空气电池

超快速充电是在全固态电池实用化早期来说最大的吸引点，但不会一直是这一点，因为与现有的液态系锂离子2次电池比较，全固态电池相对更容易改变正负极材料以及电解质的材料。由此，尝试高电压、高容量密度的电极材料，以及更高Li离子传导率、更安全的电解质材料，通过依次改变这些材料，能更大可能性的提高功率密度与能量密度，增加安全性（图4）。目前这些材料的开发与组合等的验证正在快速进展（详细情况可参考本篇第2部分-开发焦点转移到电芯制作，不同用途不同材料），而某汽车制造商的电池工程师也指出汽车制造商专注于全固态电池正是因为有这样一个进化的道路。

如果能量密度显著提高，电池数量减少，EV价格可以与燃油车并驾齐驱，则能极大地提高电动汽车普及的实质性进展。而最终的目标就是正极采用空气极，负极采用金属Li的全固态Li空气电池。不仅安全，而且理论上可实现现有锂离子2次电池10倍以上的能量密度。一旦实现，所有使用电池的设备，如电动车，智能手机，无人机等等的存在方式都将发生巨大的变化。

参考文献：野泽 全固态电池，10年飞跃，日经电子，2015年3月刊，第49-62页。

图4：通过改变材料组合逐一升级性能，日经技术推测的全固态电池技术进化的一个示例。最初的全固态电池产品很大可能是在不改变Li离子2次电池正负极材料的前提下，仅仅是将电解液置换成固态电解质。这种场合下的特征是充电速度以及安全性能提高。之后，预计随着依次将正负极材料替换成高电压或高容量密度的材料，电池的容量密度将得到大幅度提升。2030年代早期，正极采用空气，负极采用金属锂，电解质采用氧化物材料的全固态Li空气电池可能问世。

如果所有汽车都成为电动车

所有汽车成为电动汽车的时代越来越近，而2017年7月则是这一时代的一个重大转折点。法国和英国相继宣布至2040年废止汽油车和柴油机销售，中国也在讨论彻底禁止化石燃料汽车的时期，有一种说法是最早可能是在2030年。甚至更有汽车厂商，例如瑞典的沃尔沃汽车公司宣布，2019年以后其销售的所有汽车都将变更为HEV、EV或PHEV，以期更早实现这一目标。

怀疑论者重点质疑电力基础设施

全球范围内的EV浪潮下，怀疑的声音也是此起彼伏。认为车身装载大量电池太重，价格昂贵，充电时间长，与燃油车相比便利性显著降低无法普及。但是如果是能实现超快速充电的全固态电池可以实用化，则情况就会有所改变，包含充电在内的实际续航里程、以及价格上与燃油车的差异都将消失，而电动车的时代就会真正成为现实。

然而即使如此，怀疑论者还是无法相信，还会有人质疑充电用的电力基础设施是否可以准备好。幸运的是，已经有标准规格的具备350kw输出功率的超快速充电站，5~6分钟内可充电80％，在德国等国家已经开始在高速公路等地方进行部署。但是为了抑制充电电缆等的发热，需要使用水冷电缆，所以在家中安装目前比较困难（图A-1）。

图A-1 即使拥有超快速充电器，电池数量也会不足

保时捷等5家德国汽车公司和美国福特汽车公司的最大输出功率350kw的充电器和机载侧接口的概念图（a）。自2017年起开始在德国高速公路等地方安装。

预计至2020年车用锂离子二次电池（LIB）的产量将为2013年产量的14倍左右，但即使如此能否满足需求还不得而知。如果全球所有的新车真的都变为电动汽车，那么每年全球可能需要5000Gwh的锂离子电池，可能比2020年产量的10倍还要多。

此外也有人对电力供应本身产生质疑。例如日本目前的汽车保有量是8000万台，如果这些汽车全部变为电动汽车，是否具备电力基础设施是主要的争论点。日本现有汽车年平均里程约为1万km，另一方面，电动汽车的电力成本相对较好的车型约为100Wh / km，假设所有电动汽车的电力成本都是100Wh / km，则每年的电力需求量为8000万台×10000km×100Wh / km = 80,000GWh。考虑到运行率，这相当于约15个特种的年发电量。怀疑论者认为对于还有很多核电厂目前处于停止状态的日本，首先这是不现实的。

但是，最近大约5年内太阳能发电、风力发电或生物能源发电等等可再生能源发电，从设备容量来看实际上增加了约50GW。这些设施虽然运行率较低，但年发电量差不多就可以达到上述80,000Gwh。如果在EV全盛时代到来之前，如果我们能够导入与过去5年所增加的设备容量相同容量的额外可再生能源，满足电动汽车的电力需求也不是没有可能的事情。

即便如此，怀疑论者还有可能提出，上述观点是以充电时间的完全均摊为前提，如果假设8000万台汽车一起开始充电那需要怎么办呢？这一质疑实际上是可以站住阵脚的，即使是非快速充电的5kw输出功率，需要的总功率也达到了400GW，这个数字已经远远超出了日本电力系统发电设备容量的2倍，肯定是无法实现的。

对于充电基础设施来说，还必须要安装一个系统来平衡负载。因为即使为了充电将充电器安装在电动汽车上，充电也不是立即开始，这种情况下即使超快速充电也无法发挥作用。那是否有其他解决办法呢？方法是有的，可以准备一个大容量固定式蓄电池并从那里充电（储能电池）。所以为了全面推广与普及电动车，除了安装在车辆上的电池之外，还必须要有用于均衡电力需求的储能电池。

最终怀疑论者会质疑到电池的生产能力上来，而根据日经技术期刊的调查，预计到2020年全球锂离子二次电池的产量将达到450Gwh/年（图A-1（b），这是2013年电池产量的14倍。另一方面，如果全球每年销售1亿辆左右的新车都变为电动汽车，而每台汽车假设为50kwh的电量，则每年需要生产5000GWh/年的电池，再进一步考虑到均衡电量负载，则需求量在此基础上还需要增加1倍，对于2020年的产能来说目前是远远不够的，仅从这一点来看，也可以说蓄电池的市场潜力依然巨大。