引言：今年以來，全固態電池的新聞越來越多。先是Fisker宣稱開發充電1分鐘、行駛500公里的固態電池，然后是寶馬宣稱與SolidPower合作開發下一代電動車用固態電池，現在豐田又宣稱將在2020年代前半（即2025年前）實現全固態電池的實用化。如果這些成為現實，將會完全改寫現有的動力電池市場競爭格局，國內車企及動力電池廠商需要予以重視。

鋰離子二次電池全固態電池將有望實現在EV應用中的商業化，這一目標達成時間最近快速提前至2022年左右并具體化起來，而面向智能手機與物聯網終端IoT的應用將在未來的1-3年內更早地實現量產。由于充電速度快、安全性高，有觀點認為如果全固態電池能夠普及，將有可能重塑電池與電動汽車市場的勢力分布。此外，全固態電池還被認為是大幅提高能量密度的途徑。

有全固態電池研究人員感慨以前說到要實現實用化，最早可能要到2035年。誰能想到竟然如此之快？3年前，有觀點稱最早預計可在2025年實現實用化，那時已經是比最初計劃提前了10年。而今年，豐田公司副社長Didier Leroy先生在2017年東京車展上提到將全面加速全固態電池的實用化相關開發，爭取在2020年代前半實現這一目標。豐田目前的開發團隊超過200人，已申請相關專利全球位居第一。 這一發

言則是在2025年基礎上，更早地讓我們看到了全固態電池實用化的具體時間。

豐田挽回EV滯后感的王牌

豐田所指的2020年代前半，具體是指2022年前后的可能性非常大（注1）。

注1）： 2017年7月日本就有報道稱豐田將在22年，在日本國內首先實現全固態電池實用化，盡管后來這一報道被豐田相關技術人員否認，但2017年11月再次有報道稱豐田董事長內山田竹志先生向海外媒體宣稱全固態電池將在未來4~5年實現實用化投入實際使用。另一方面，也有豐田技術人員稱這樣的實用化時間會讓人困惑，甚至有人冷靜地指出Leroy先生公開發表的內容也僅僅只是努力目標。豐田被認為在電動汽車市場滯后于其他競爭對手，所以看起來似乎更多是管理層而不是技術團隊期待通過全固態電池消除豐田的滯后感。

TDK將在2018年春實現量產出貨

明確全固態電池實用化時間的不止豐田一家（圖1），開發EV跑車的美國Fisker公司CEO HenrikFisker先生2017年11月在美國一檔電視節目中發表了與豐田非常類似的計劃再過4~5年，將在EV汽車上搭載公司獨立開發的全固態電池，這會是（電動汽車電池的）新玩家。

圖1：2020年前后開始量產，各廠家的全固態電池量產時間（含日經技術推測）與用途。出現類似美國Fisker一樣的公司，面向汽車開發的電池，將早1-2年先向智能手機出貨。

所謂在汽車開發上4-5年內實用化，這一實用化時期具體指的是主要技術就位，開始討論材料采購、工廠產能完成的時期。Fisker先生似乎是為了印證這一點，提到在EV上搭載前1-2年內，將首先在智能手機上搭載基于相同技術的電池，為實現這一目標銷售，Fisker公司將在2018年1月在美國舉辦的CES2018展會上展出開發中的全固態電池。

而收購了索尼電池業務的村田制作所，TDK等公司，則更加的勢頭兇猛。TDK早有計劃2017年12月將實現基材表面封裝的超小型全固態電池樣品出貨，2018年4月將實現量產出貨。村田制作所則目標2019年實現全固態電池的實用化（注2）。全固態電池具備1）安全性高；2）高輸入輸出功率密度；3）能量密度高等優勢。

注2：村田最初主要是針對IoT（物聯網）終端。

而豐田與Fisker公司認為全固態電池將是市場新玩家的理由，主要是針對上述全固態電池優勢2與3。其中第3點是與顯著提高續航里程緊密關聯的，在全固態電池實用化初期能否實現目前尚未可知，而對于第2點，快速實現EV汽車數分鐘內80%以上充電的超快充電技術，則即使是實用化初期的全固體電池，實現的可能性也非常高。

現有電動汽車存在很大的盲點

超快速充電是目前EV廠商普遍要求的技術，現有的EV快速充電充滿80%大約需要30分鐘左右，這個充電時間對于EV的普及將是極大的障礙，以豐田為首的汽車業界，以及一部分車載零部件廠家普遍持有這種觀點（圖2）。在現有技術基礎上，如果要避免高速公路等場景下的長時間充電等待時間，只能是放棄長途旅行，將電動汽車限定在城市通行用途上，或者是通過大量堆積電池來提高續航里程。這兩個方向都是痛苦的選擇，前者否定了自由去任何地方的汽車本來的獨特魅力，而后者則使車輛變得非常笨重，價格也會升高（注3：目前電動汽車的電池價格約為2萬日元/Kwh左右，如果增加50kWh，則價格需要增加約100萬日元）。或者是大幅提高充電電流與電壓，通過將電流與電壓提高到150kw甚至350kw，可以使充電時間縮短到10~15分鐘，但是這樣的話充電電纜以及電池發熱造成的功率損失非常大。（注4：制定日本快速充電規格的CHAdeMO協議會在2017年將超快速充電的輸出功率定義從現在的50kw提高到150kw。而德國、美國等的汽車廠家則在2015年的Combined Charging System（CCS）規格中規定最大規格的輸出功率為350kw，2017年開始，德國的高速公路上將新建400座充電站。

圖2：全固態電池是否是EV汽車救世主？以上針對現有EV充電時間長的課題，比較了現有EV與采用全固態電池5分鐘左右實現超快速充電的EV使用便利性。現有EV的課題不一定要通過容量增加，而是通過快速充電也能解決。

最短1分鐘充電可能嗎？

豐田沒有透露搭載全固態電池的EV充電具體時間，但Fisker公司表示充電1分鐘可行駛500英里（約800km）（該公司CEO Fisker先生發表，注5）。即使不是1分鐘，如果是全固態電池，5~6分鐘充電80%，從充電基礎設施來看也是具備可行性的。這與汽油車加油時間差不多。假設即使能量密度不能增加，這也能很大程度解決EV充電的相關課題。

注5：有觀點認為對應1分鐘EV充電，充電站的輸出功率需要達到1.6MW，實際上是無法實現的。但對于全固態電池的輸入功率來說，這絕不是完全荒謬的數值。

在智能手機和物聯網終端也具備優勢

使用全固態電池進行超快速充電，不僅在電動汽車，同樣在智能手機和物聯網終端（圖3）領域也具備很大的優勢。在當下的智能手機，觸摸屏終端和無線耳機中，電池占據了殼體內部相當大的一部分空間。為了完全充電，快速充電器通常需要1到2小時才能充滿電。如果能將充電時間縮短到5~6分鐘，甚至將搭載的電池大幅減少，則很大可能進一步擴展新的產品設計方向以及產品使用方法，注6）。

注6：例如外殼變得更薄更輕。美國星巴克咖啡公司從美國開始推出使用無線充電技術，提供只需要簡單地把智能手機放置在咖啡桌上就能實現充電的便利服務。

打開美國蘋果的智能手機iPhone X（a）和德國Bragi公司的無線耳機 THEDASH（b）外殼后看到的（全固態電池），以及由TDK和太陽誘電試生產的全固態電池例（c）。在這些產品類型中，可以看到隨著充電時間的縮短，產品開發將有可能朝著降低電池容量的方向發展。 （照片：（c）是各公司）

圖3智能手機和物聯網終端的優勢

甚至持續進化為Li空氣電池

超快速充電是在全固態電池實用化早期來說最大的吸引點，但不會一直是這一點，因為與現有的液態系鋰離子2次電池比較，全固態電池相對更容易改變正負極材料以及電解質的材料。由此，嘗試高電壓、高容量密度的電極材料，以及更高Li離子傳導率、更安全的電解質材料，通過依次改變這些材料，能更大可能性的提高功率密度與能量密度，增加安全性（圖4）。目前這些材料的開發與組合等的驗證正在快速進展（詳細情況可參考本篇第2部分-開發焦點轉移到電芯制作，不同用途不同材料），而某汽車制造商的電池工程師也指出汽車制造商專注于全固態電池正是因為有這樣一個進化的道路。

如果能量密度顯著提高，電池數量減少，EV價格可以與燃油車并駕齊驅，則能極大地提高電動汽車普及的實質性進展。而最終的目標就是正極采用空氣極，負極采用金屬Li的全固態Li空氣電池。不僅安全，而且理論上可實現現有鋰離子2次電池10倍以上的能量密度。一旦實現，所有使用電池的設備，如電動車，智能手機，無人機等等的存在方式都將發生巨大的變化。

參考文獻：野澤 全固態電池，10年飛躍，日經電子，2015年3月刊，第49-62頁。

圖4：通過改變材料組合逐一升級性能，日經技術推測的全固態電池技術進化的一個示例。最初的全固態電池產品很大可能是在不改變Li離子2次電池正負極材料的前提下，僅僅是將電解液置換成固態電解質。這種場合下的特征是充電速度以及安全性能提高。之后，預計隨著依次將正負極材料替換成高電壓或高容量密度的材料，電池的容量密度將得到大幅度提升。2030年代早期，正極采用空氣，負極采用金屬鋰，電解質采用氧化物材料的全固態Li空氣電池可能問世。

如果所有汽車都成為電動車

所有汽車成為電動汽車的時代越來越近，而2017年7月則是這一時代的一個重大轉折點。法國和英國相繼宣布至2040年廢止汽油車和柴油機銷售，中國也在討論徹底禁止化石燃料汽車的時期，有一種說法是最早可能是在2030年。甚至更有汽車廠商，例如瑞典的沃爾沃汽車公司宣布，2019年以后其銷售的所有汽車都將變更為HEV、EV或PHEV，以期更早實現這一目標。

懷疑論者重點質疑電力基礎設施

全球范圍內的EV浪潮下，懷疑的聲音也是此起彼伏。認為車身裝載大量電池太重，價格昂貴，充電時間長，與燃油車相比便利性顯著降低無法普及。但是如果是能實現超快速充電的全固態電池可以實用化，則情況就會有所改變，包含充電在內的實際續航里程、以及價格上與燃油車的差異都將消失，而電動車的時代就會真正成為現實。

然而即使如此，懷疑論者還是無法相信，還會有人質疑充電用的電力基礎設施是否可以準備好。幸運的是，已經有標準規格的具備350kw輸出功率的超快速充電站，5~6分鐘內可充電80％，在德國等國家已經開始在高速公路等地方進行部署。但是為了抑制充電電纜等的發熱，需要使用水冷電纜，所以在家中安裝目前比較困難（圖A-1）。

圖A-1 即使擁有超快速充電器，電池數量也會不足

保時捷等5家德國汽車公司和美國福特汽車公司的最大輸出功率350kw的充電器和機載側接口的概念圖（a）。自2017年起開始在德國高速公路等地方安裝。

預計至2020年車用鋰離子二次電池（LIB）的產量將為2013年產量的14倍左右，但即使如此能否滿足需求還不得而知。如果全球所有的新車真的都變為電動汽車，那么每年全球可能需要5000Gwh的鋰離子電池，可能比2020年產量的10倍還要多。

此外也有人對電力供應本身產生質疑。例如日本目前的汽車保有量是8000萬臺，如果這些汽車全部變為電動汽車，是否具備電力基礎設施是主要的爭論點。日本現有汽車年平均里程約為1萬km，另一方面，電動汽車的電力成本相對較好的車型約為100Wh / km，假設所有電動汽車的電力成本都是100Wh / km，則每年的電力需求量為8000萬臺×10000km×100Wh / km = 80,000GWh。考慮到運行率，這相當于約15個特種的年發電量。懷疑論者認為對于還有很多核電廠目前處于停止狀態的日本，首先這是不現實的。

但是，最近大約5年內太陽能發電、風力發電或生物能源發電等等可再生能源發電，從設備容量來看實際上增加了約50GW。這些設施雖然運行率較低，但年發電量差不多就可以達到上述80,000Gwh。如果在EV全盛時代到來之前，如果我們能夠導入與過去5年所增加的設備容量相同容量的額外可再生能源，滿足電動汽車的電力需求也不是沒有可能的事情。

即便如此，懷疑論者還有可能提出，上述觀點是以充電時間的完全均攤為前提，如果假設8000萬臺汽車一起開始充電那需要怎么辦呢？這一質疑實際上是可以站住陣腳的，即使是非快速充電的5kw輸出功率，需要的總功率也達到了400GW，這個數字已經遠遠超出了日本電力系統發電設備容量的2倍，肯定是無法實現的。

對于充電基礎設施來說，還必須要安裝一個系統來平衡負載。因為即使為了充電將充電器安裝在電動汽車上，充電也不是立即開始，這種情況下即使超快速充電也無法發揮作用。那是否有其他解決辦法呢？方法是有的，可以準備一個大容量固定式蓄電池并從那里充電（儲能電池）。所以為了全面推廣與普及電動車，除了安裝在車輛上的電池之外，還必須要有用于均衡電力需求的儲能電池。

最終懷疑論者會質疑到電池的生產能力上來，而根據日經技術期刊的調查，預計到2020年全球鋰離子二次電池的產量將達到450Gwh/年（圖A-1（b），這是2013年電池產量的14倍。另一方面，如果全球每年銷售1億輛左右的新車都變為電動汽車，而每臺汽車假設為50kwh的電量，則每年需要生產5000GWh/年的電池，再進一步考慮到均衡電量負載，則需求量在此基礎上還需要增加1倍，對于2020年的產能來說目前是遠遠不夠的，僅從這一點來看，也可以說蓄電池的市場潛力依然巨大。