中國儲能網訊：不論是新能源車或儲能設備，最重要的關鍵零部件之一就是電池，這幾年電池行業(yè)的一項挑戰(zhàn)就是拉高能量密度、追求更安全的方式，不論是嘗試新的正極、負極材料，或是提高鎳的比重，像是鎳錳鈷（NMC）三元電池的配比從原來的 5：3：2，提高到 6：2：2，甚至是到 8：1：1，也有人致力于研發(fā)不同于傳統(tǒng)鋰電池的技術，像是使用氫燃料電池的氫能源車，而固態(tài)電池（Solid-State Battery）就是被視為是下世代的電池技術。
產業(yè)界投入固態(tài)電池研究，聲勢最大的就是豐田（Toyota），蘋果、戴森（Dyson）、電池芯巨頭們如三星旗下的 SDI、LG 的 LG Chem 也沒缺席，不過，當其他公司還在研發(fā)或試產，有一家公司搶先實現(xiàn)小容量固態(tài)電池量產及出貨，這家名不見經傳的輝能（ProLogium），其實在幾年前就已經獲得軟銀中國資本（SBCVC）投資，而據(jù) DT 君了解，軟銀中國更持續(xù)加碼投資，輝能剛于 2019 年 1 月完成由軟銀中國資本領投、金額 1.5 億美元的 D 輪融資，將用以擴廠，新廠規(guī)劃產能為 1GWh，預計今年底完成建置。
圖 | 輝能主要投資方為軟銀中國資本（圖片來源：軟銀中國資本官網）
什么是固態(tài)電池？
大多數(shù)消費電子產品或新能源車采用的鋰離子電池有四大關鍵元素，分別是正極材料、負極材料、隔膜（separator）以及液體的電解質（電解液）。電解液是在陽極和陰極之間傳輸離子，若電池充電速度過快，鋰離子和電解質反應可能會形成枝晶（dendrite）或金屬須晶，進而形成短路，另外凝膠聚合物隔膜失效也會引起電極短路，使得手機或新能源車的電池爆炸事件偶有所聞。
使用電解液的電池可稱為液態(tài)電池，而固態(tài)電池，顧名思義，就是以固體材料來代替現(xiàn)有鋰離子電池中使用的液體成分。
簡單來說，固態(tài)電池有三大優(yōu)點：電池不會漏液，當損壞、被穿刺時不會產生爆炸或著火，所以高安全性就是第一個也是最大的優(yōu)勢。二是高能量密度，業(yè)界認為，固態(tài)電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流與提升電池容量，使能量密度能提升到 400Wh/kg 以上，優(yōu)于一般的鋰電池。
三是輕薄以及可撓曲性的潛力，使用電解液的傳統(tǒng)鋰電池，必須在陰極和陽級之間加入隔膜來防止短路，一般來說隔膜的厚度約 20～30 微米，而固態(tài)電池不需隔膜，且固態(tài)電解質的厚度大約是 3～4 微米，所以厚度比傳統(tǒng)電池輕薄許多，如此可讓電子產品或汽車在外觀設計或空間利用上達到更大的效益，其可撓曲性也符合目前可折疊屏幕手機、穿戴裝置的需求。
固態(tài)電池領域有不同的技術路線，固體電解質可大致分為三類：無機電解質、固態(tài)聚合物電解質（SPE，Solid Polymer Electrolyte）、復合電解質。目前較多業(yè)者投入研究的材料包括固態(tài)聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（Thin Film）等。像是戴森、蘋果各自收購的固態(tài)電池廠 Sakti3 和 Infinite Power Solutions，皆以薄膜為主，但制程復雜，量產難度高，先前市場傳出戴森、蘋果有意放棄，故現(xiàn)階段發(fā)展狀況不太明朗，而豐田、松下（Panasonic）、三星、寶馬、寧德時代投入硫化物電解質，輝能、索尼則是聚焦在氧化物。
蘋果從 2012 年就開始積極布局固態(tài)電池及充電技術的專利，2013 年收購了 Infinite Power Solutions。近兩三年汽車廠布局固態(tài)電池的消息大幅浮上臺面，像是豐田對外宣示將在 2022 年對外銷售搭載固態(tài)電池的電動車。另外，大眾汽車（Volkswagen）投資了由《麻省理工科技評論》 TR35 青年創(chuàng)業(yè)家 Jagdeep Singh 參與創(chuàng)立的固態(tài)電池初創(chuàng)公司 QuantumScape，去年 6 月加碼投資，并取得 QuantumScape 一席董事，預計在 2025 年建立固態(tài)鋰電池產線。
而過去的電池大國日本，陸續(xù)舍棄掉鋰電池后，已經將研究重點轉向固態(tài)電池，日本科學技術振興機構（JST）、日本新能源產業(yè)技術開發(fā)機構 （NEDO）都積極推動，這些動態(tài)讓外界開始關注這項技術。
圖 | 投入固態(tài)電池的玩家（圖片來源：Yole Développement）
市場關注的固態(tài)電池公司一覽
（ 整理：DeepTech 深科技 ）
輝能又是什么來頭？
這家在大眾眼中陌生的公司，其實成立已經超過 10 年。輝能科技創(chuàng)始人楊思枏算是臺灣電子業(yè)的老將，臺灣大學化工系、臺灣大學材料所畢業(yè)后，先在電池公司臺灣超能源任職，之后加入富士康集團旗下的軟性印刷電路板（FPC）廠鴻勝，擔任 RD 負責人，看好固態(tài)電池的未來性，他將電池與軟板的專業(yè)結合，創(chuàng)立了輝能。
圖 | 輝能科技創(chuàng)始人楊思枏（來源：輝能）
輝能以陶瓷電解質取代隔膜和電解液，開發(fā)出鋰陶瓷電池（LCB，Lithium Ceramic Battery），第一款產品“可撓曲鋰陶瓷電池”（FLCB，F(xiàn)PC Lithiun-Ceramic Battry），就是把軟板作為基材和封裝材，讓電池可以彎曲，最高彎曲次數(shù)達 1 萬次，后續(xù)又推出高容量鋰陶瓷電池（PLCB）。
很幸運的，第一款 FLCB 電池就讓輝能在當時拿下指標性的訂單。2013 年 HTC 推出 One max 智能手機，一起搭配推出 HTC Power Flip Case 配件，外觀是一個掀蓋式皮套，但里頭內置了電池。One max 手機背后上有三個接觸點，與皮套接觸時就能充電。當時雖沒有太多人注意到這顆電池與一般液態(tài)鋰電池有什么差異，但其實是說明了小容量的固態(tài)電池得以實現(xiàn)量產，這個項目也成為輝能第一個開始獲利的案子。
圖 | 輝能的可撓曲鋰陶瓷電池（來源：DT君）
之后，陸續(xù)不少有高度安全、防爆需求的客戶便主動找上門來，例如英國手機配件公司 Tech21 專門做防護型的手機背蓋，因為想要做有加電池的背蓋，且對于摔落的防爆有很高的要求，就看上了輝能的固態(tài)電池。
另外還有智能安全帽業(yè)者，該公司開發(fā)的安全帽具備藍牙連接、耳麥通話、測速等功能，所以安全帽里頭需要內置電池，但騎車難免有發(fā)生車禍意外的風險，總不能騎士跌倒沒事，卻因為跌倒了導致安全帽電池爆炸，那可就出大事，因此客戶同樣是為了固態(tài)電池高安全性的特點，而愿意花較高的成本采購，其他的客戶還有半導體設備商。
圖 |大容量固態(tài)電池的市場應用推進（圖片來源：Yole Développement）
實現(xiàn)小容量固態(tài)電池的量產，轉攻布局新能源車市場
有了這些消費性電子及穿戴裝置的客戶帶來穩(wěn)定的收入，累積了數(shù)年小容量固態(tài)電池的量產經驗之后，在三年前輝能開始將研發(fā)重點望向了更大的市場—電動車，開發(fā)出高電壓鋰陶瓷電池（BLCB）。
做小容量的固態(tài)電池跟汽車使用的大容量電池，有很大的技術差異，首先，汽車需要很高的電壓，現(xiàn)有新能源車電池組的做法是將很多顆電池芯采用“外部串聯(lián)”的方式，將其串聯(lián)起來，而輝能利用“雙極”（BiPolar）技術，特色是在電池芯內部直接做串并聯(lián)，單顆電池芯的額定電壓可從 7.4 伏（2串），到目前汽車行業(yè)規(guī)范的最高電壓 60 伏（15串），如此可以省掉外部串聯(lián)的空間，也有助簡化復雜的電池管理設計機制。
那么，為什么液態(tài)電池不能做 BiPolar 技術？一般液態(tài)電池的電解液在超過 4～5 伏的時候，電解液就會崩解，電池不穩(wěn)定就有安全風險，因此目前只有固態(tài)電池能做到 BiPolar。
輝能在今年 CES 上對外展示了用于新能源車的固態(tài)電池包（含電池芯），在相同的整車容量下，該電池包體積只有傳統(tǒng)電池的一半、重量則是傳統(tǒng)電池的 7 成，輝能利用多維度串并聯(lián) BiPolar＋3D 技術，創(chuàng)造單顆 85.2 伏高電壓與 20KWh 大容量的電池芯，所以只要 4 顆電池便能構成一個 80KWh 的新能源車電池包。
圖 | 輝能開發(fā)用于新能源車的固態(tài)電池包，在相同的整車容量下，該電池包體積只有傳統(tǒng)電池的一半、重量則是傳統(tǒng)電池的 7 成（來源：DT君）
這是什么概念呢？以特斯拉 Model 3 電池組容量 80.5KWh，使用了 4416 個電池來看，那么，輝能的電池數(shù)量大約只有 Model3 的 1/1104。電池數(shù)量用得少，電池管理系統(tǒng)得以簡化，節(jié)省電池芯封裝材料與連接電池芯之間的線材，而且固態(tài)電池安全性高，沒有爆炸風險，因此吸引了許多車廠、電池廠的人特地到輝能的攤位查看。
據(jù)了解，目前輝能已與一家歐系汽車集團談定合作，預計最快 2019 下半年會有一臺搭載其固態(tài)電池的樣車對外亮相。
不跟電池芯大廠捉對廝殺，以合作或授權方式進入中國、歐洲
盡管固態(tài)電池有不少好處，但目前仍遭遇不少難題，特別是大容量的電池，不同的固態(tài)電解質材料各有其優(yōu)缺點，中國科學院物理研究所研究員李泓博士在 2018 第六屆“汽車與環(huán)境”創(chuàng)新論壇上表示，聚合物全固態(tài)鋰電池主要短板是必須在 60 度以上工作，容易短路；薄膜全固態(tài)鋰電池循環(huán)性好，適應高電壓，但不易放大容量。
另外，氧化物全固態(tài)鋰電池的安全性和穩(wěn)定性佳，但做到大規(guī)模量產還沒有完全實現(xiàn)。因此，固態(tài)電池到最后應用仍有距離。
再者，目前固態(tài)電池的成本仍是遠高于液態(tài)鋰電池，有數(shù)倍的差距。為了拉近固態(tài)電池與液態(tài)鋰電池的成本差距，輝能也改變生產模式，過去采取“片式”生產，現(xiàn)在可改為“卷式”生產（roll to roll），并且擴大自有產能，也與汽車廠或電池芯廠合作，目前輝能已與多家大陸、歐美車企合作，并通過車企的電性及安規(guī)測試。
電池行業(yè)可說是巨頭林立的行業(yè)，因為資本投資大、進入門檻也高，像是電池芯有 SDI、LG Chem，在中國更有寧德時代、比亞迪，對于新進者或初創(chuàng)公司來說，往往玩不起大資本的游戲，特別是汽車行業(yè)，車廠往往會希望電池能在當?shù)厣a，小型以研發(fā)為主的電池芯業(yè)者更沒有四處在海外設廠的資金，輝能很清楚自己的定位，不與巨頭廝殺，還可以合作，例如授權專利技術，讓有興趣的電池芯廠或車企可以自行生產制作國產固態(tài)電池。
圖 | 輝能所研發(fā)的固態(tài)電池極層（inlay）（來源：DT君）
此外，輝能也準備跟歐系的車廠在歐洲共同設立 “固態(tài)鋰陶瓷電池聯(lián)盟”（Solid State Lithium Ceramic Battery Aliiance），為全球被授權的合作伙伴提供交流技術與市場標準的平臺，縮短固態(tài)電池技術的研發(fā)時程，越過技術、安全和量產三個挑戰(zhàn)，實現(xiàn)固態(tài)電池落地商業(yè)化。
“我們就做好研發(fā)，把技術轉到當?shù)兀苯犹峁?Turn Key 服務，銷售核心材料與 10 億級瓦時的量產設備，因為最重要目的是把固態(tài)電池技術讓越多人用越好，”輝能的高管對 DT 君說。
盡管目前大容量固態(tài)電池的量產，仍有挑戰(zhàn)，但毫無疑問，電池的安全性和高能量密度是行業(yè)追求的兩個關鍵方向，隨著初創(chuàng)公司、行業(yè)巨頭、科研機構的研發(fā)推動，固態(tài)電池未來的商業(yè)性是很值得期待。
