跨越達爾文海，淺談電動汽車和動力電池技術發展趨勢

為了應對「排放門」和全球各國日益嚴格的汽車排放法規要求，大眾汽車制定了「Together-Strategy 2025」策略，並在2016年6月宣布：截至2025年將發布30款純電動汽車EV，並且銷量目標將達到200萬-300萬輛(佔大眾所有車型銷量的20-25%)，相當激進的計劃。戴姆勒也宣布截至2022年將發布20款純電動汽車EV和插電式混合電動車PHEV(佔總銷量25%)。寶馬也將截至2025年的電動汽車xEV的銷量比例設定在25%。特斯拉、通用、福特也宣布截至2020年將發布10-13款EV和PHEV。隨著全球電動汽車的快速增長，電池製造商也在熱火朝天的擴產、改進鋰離子電池(LIB)性能。

對於電動汽車的普及，產業分析師們也難得的達成了非常一致的看法：不斷提高電池能量密度、功率密度、快充能力，同時還要不斷降低成本。在成本方面，大眾市場總監Richardo Tomaz在採訪中說到：現在電芯成本到了1.5元/Wh左右的水平並不稀奇，因為Tesla(電池包：190USD/kWh)和GM(電芯：145USD/kWh)走得更快一步，成本甚至更低(儘管有評論懷疑是否是虧錢)，大眾甚至制訂了更為激進的2020 成本目標(模塊及其製造成本：93USD/kWh)。

而在，逐年退坡的補貼政策也把降成本的壓力轉嫁到了電池上。在提高能量密度的同時，成本通常會增加，充電時間也會增加，這幾個參數之間看起來總是矛盾般的存在。例如，30kWh的日產聆風在50kW快充模式充滿80%的電量需要30min不到(有網友報道二十多分鐘也能充到80%)，日產計劃通過提高充電電壓，從而把充電功率從50kW提高到150kW，但是即使這樣，充電也仍然需要20min左右。當然，我們看到現在歐洲也已經在布局350kW的快充了，但是是否能快速的鋪開充電基礎設施還需要觀察。目前而言，跟加油時間相比，快充技術仍然是個影響電動車普及的重要因素之一。

下表列出了傳統汽油車、HEV、PHEV、EV、燃料電池車FCV 、天然氣汽車等的一些優缺點，其中，EV在續駛里程、充電時間、成本三個方面的劣勢再目前還是大家比較關注的，PHEV、FCV在成本上也是面臨挑戰。

作為下一代鋰離子電池技術，全固態鋰離子電池被寄予厚望，它具有更高的能量和功率密度，還具備快速充電特性，電解質也不存在泄漏的隱患，被認為是應用於電動汽車的有力競爭者。

下圖對比了幾種類型電池的能量、功率密度特性。從圖中可以看到，全固態電池在能量和功率特性上超過了如今的鋰離子電池。在能量特性方面稍遜於鋰硫電池、鎂離子電池和鋰空氣電池等新型電池。回顧固態電解質的研究歷史，多種電解質材料都得到了廣泛的研究。在2011-2016期間，東京工業大學的Ryoji Kanno教授發現了鋰、鍺、磷、硫基超離子導體，它們作為固態電解質 的離子導電率都超過液態電解液。2016年， Ryoji Kanno和豐田汽車的Yuki Kato博士等報道了新的超離子導體，實驗室的研究數據顯示：其中一種Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3材料的離子導電率高達25mS/cm，另一種Li9.6P3S12材料也顯示出較高的電化學穩定性(∼0V vs.鋰)，試驗電池的工作溫度範圍很寬，在-30~100攝氏度之間，功率特性優於液態電解液的電池，快充性能極好，達到18C，循環壽命在500次容量保持率為75%。當然，這些實驗室的研究成果還需要投入很多進一步的研究才能達到產業化的階段。

在科技轉化為商品的發展過程中，通常會用「魔鬼之河Devil's River」、「死亡之谷Valley of Death」和「達爾文海Darwin's sea」來形容從基礎研究、產品開發和大規模商業化的幾個階段：

跨越魔鬼之河：需要克服基礎研究和應用研究之間的困難和障礙

跨越死亡之谷：需要克服應用研究和商業化的之間的困難和障礙

跨越達爾文海：需要克服產品化和商業化之間的困難和占該，或者尋找新的商業模式

下圖概括了鋰離子電池跨越上述三個階段的時間，同時也對全固態電池的階段進行了預測。全固態電池的研究可以追溯到19世紀70年代，如今經過40多年了，一些新的超離子導體逐步被發現，這使得固態電池有機會逐漸從研究階段向產品開發階段推進變得有可能，這就可以看作是跨越了魔鬼之河。當很多人問到全固態電池什麼時候可以實現商業化這個問題時，或許用這句話可以概括：它還需要穿越「死亡之谷」和「達爾文海」。正如如今的鋰離子電池也是經過十多年才跨越三個階段，而全固態電池或許還有更長的路要走完剩下的兩個階段，或許還需要10-20年？

參考

Future Automobile Power System Committee

Solid electrolytes open doors to solid-state batteries. Tokyo Tech News.

Nature Energy 1, Article number: 16030(2016).doi:10.1038/nenergy.2016.30