搶占下一代鋰電技術(shù)制高點：固態(tài)電池離商業(yè)化還有多遠？

過去幾年，動力電池的技術(shù)突飛猛進，但安全隱患和里程焦慮仍然是其難以擺脫的“魔咒”。與此同時，固態(tài)電池在爭論和質(zhì)疑聲中成為行業(yè)新寵，隨著各路巨頭的入場，固態(tài)電池的未來也漸漸明朗。

近期越來越多的汽車品牌宣布推出全固態(tài)電池：豐田宣布推出全球首款全固態(tài)電池，而福特和寶馬正在測試全固態(tài)電池。全固態(tài)電池能否在電動汽車市場再次改變游戲規(guī)則？

不單單是車企，動力電池巨頭們也在不約而同的布局固態(tài)電池：寧德時代投資33億建設(shè)21C創(chuàng)新實驗室，用于金屬鋰電池、全固態(tài)電池等下一代電池研發(fā)；LG化學表示將在2025年至2027年間實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化；松下計劃在2025年推出一款使用固態(tài)電池的電動車。

一時間，固態(tài)電池成了產(chǎn)業(yè)巨頭的隱形戰(zhàn)場。固態(tài)電池為何有這么大的吸引力，當前的發(fā)展進度又是如何？

鋰電池所面臨的困境

我們目前純電動汽車使用的電池主要是鋰離子電池。電池基本上由正極材料、負極材料、電荷可以通過電解質(zhì)以及將正極材料和負極材料分開以使它們彼此不接觸的隔板組成。目前用于電動汽車的電池的基本結(jié)構(gòu)是相同的。

如今電動汽車的發(fā)展勢頭強勁，電動車的銷量也屢創(chuàng)新高，但是電池的安全隱患一直是懸在電動汽車頭上的“達摩克利斯之劍”。實際上電動車的安全隱患，要算在液態(tài)鋰電池頭上。一旦電池受到擠壓、沖擊，就會導致隔膜破裂，造成正負極短路，同時鋰電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，加上液態(tài)電解質(zhì)里易燃的有機溶劑，結(jié)果就是電池起火甚至爆炸。

一直以來車企和動力電池企業(yè)都在竭盡全力的提升電池安全性能。比如在電解液中添加阻燃劑；優(yōu)化BMS熱管理系統(tǒng)；采用高強度、耐高溫的電池隔膜，可惜治標不治本。

與液態(tài)鋰離子電池不同，固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)替代了液態(tài)鋰離子電池的液態(tài)電解質(zhì)、隔膜。固態(tài)電池潛力巨大，有希望獲得安全性更高、單體能量密度更高（＞350 Wh/kg）和壽命更長（＞5000 次）的動力電池。

另一個問題是隔板的厚度必須保持在一定水平以達到最低安全性，這直接影響電池的厚度。在為電動汽車包裝電池時，再薄也因為電解液和隔板的原因，很難做到低于一定水平，仍然極大地影響了車內(nèi)的空間和各種系統(tǒng)的布置。

因此，電池開發(fā)商和汽車制造商長期以來一直關(guān)注新型二次電池。所以注意力都集中在了全固態(tài)電池上。全固態(tài)電池的基本結(jié)構(gòu)實際上與鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)沒有太大區(qū)別。最大的不同是沒有隔板和電解液，相反，固體電解質(zhì)取代了隔膜和液體電解質(zhì)。

全球汽車制造商之所以熱衷于開發(fā)全固態(tài)電池，是因為消費者對里程的需求依然強勁。雖然目前還處于發(fā)展階段，但預計隨著廠商積極投入，全固態(tài)電池的市場滲透將很快到來。并且全固態(tài)電池極有可能成為電動汽車市場爆發(fā)式增長的催化劑。

何謂固態(tài)電池？

鋰離子在正負電極間可逆嵌入是鋰離子電池的電化學基礎(chǔ)，其發(fā)展實際上是基于上世紀七十年后一系列的創(chuàng)新理念和關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。1991年索尼公司推出商業(yè)化液態(tài)鋰離子電池，隨后液態(tài)鋰離子電池進入快速發(fā)展階段。

如果簡單做一番電池發(fā)展史的回顧，車用動力電池至少經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展。首先是鉛酸電池，然后是鎳氫電池，直到如今的液態(tài)鋰離子電池。然而，液態(tài)鋰離子電池并不是技術(shù)的終點，能量密度“天花板”非常明顯。所以，下一代電池是什么？固態(tài)鋰電池即是一條看上去還不錯的備選路線。

由于對更高能量密度和更高安全性電池的追求，各國加緊固態(tài)電池的研發(fā)，以期搶占技術(shù)的制高點。固態(tài)電池顧名思義指的就是以固體作為電解質(zhì)和導電介質(zhì)的電池，這種電池在原料和生產(chǎn)路徑上都和目前普遍采用的液體電解質(zhì)電池存在著巨大的差異。

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，2025年動力電池的能量密度目標為400Wh/kg，2030年目標為500Wh/kg。想達到2030年的目標，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線恐難擔大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。

顯而易見，液態(tài)鋰電池與固態(tài)電池對比，固態(tài)電池的優(yōu)點很多。從理論上來看，固態(tài)電池可以解決絕大多數(shù)目前液體電解質(zhì)電池令人頭疼的問題，可以說是未來新能源汽車的救世主。

· 高能量密度：達5V以上，可匹配高電壓電極材料；

· 高安全性：不可燃、 耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)；

· 柔性優(yōu)勢：可制備成薄膜電池和柔性電池，更簡易安全；

· 循環(huán)壽命長：固體電解質(zhì)有望避免界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜的問題，循環(huán)性有望提升；

· 工作范圍寬：無機固體電解質(zhì)最高溫度能到300℃；

· 體積?。嚎s短正負極間距，降低電池厚度。

另外值得補充說明的是，液態(tài)鋰電池往往需要先將單體電芯封裝完成后先并聯(lián)再串聯(lián)，若想省流程直接串聯(lián)，則會導致正負極短路。而固態(tài)電池由于內(nèi)部不含液體，不存在短路的問題，可直接串聯(lián)組裝。

還有，液態(tài)鋰離子電池是需要冷卻系統(tǒng)來防止其使用過程中溫度過高。對于固態(tài)電池，因為其高安全性，可簡化甚至不需要冷卻系統(tǒng)。所以，固態(tài)電池的實際量產(chǎn)過程中，其成組成本會更低，整個生產(chǎn)流程更簡單。

與其說固態(tài)電池是“顛覆”液態(tài)鋰電池，倒不如說固態(tài)電池是液態(tài)鋰電池的升級版究極體。

再講固態(tài)電池的分類。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心部件， 在很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。固態(tài)電池按照其電解質(zhì)的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線。

· 聚合物固態(tài)電解質(zhì)率先實現(xiàn)應(yīng)用，但存在高成本和低電導率兩個致命問題。目前主流的聚合物固態(tài)電解質(zhì)是聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)及其衍生材料。2011年法國Bollore公司推出固態(tài)電池為動力系統(tǒng)的電動車，聚合物固態(tài)電池率先實現(xiàn)商業(yè)化。聚合物電解質(zhì)在室溫下導電率低，能量上限不高，升溫后離子電導率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商業(yè)化的難度。

· 氧化物固態(tài)電解質(zhì)綜合性能好，LiPON薄膜型全固態(tài)電池已小批量生產(chǎn)，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場。LLZO型富鋰電解質(zhì)室溫離子導電率為10-4S/cm、電化學窗口寬、鋰負極兼容性好，被認為是最有吸引力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一，制約其發(fā)展的重要因素是電解質(zhì)和電極之間界面阻抗較大， 界面反應(yīng)造成電池容量衰減。

· 硫化物固態(tài)電解質(zhì)電導率最高，研究難度最高，開發(fā)潛力最大，如何保持高穩(wěn)定性是一大難題。LGPS電解質(zhì)的離子電導率高達1.2x10-2S/cm，可與液態(tài)電解質(zhì)相媲美。雖然硫化物電解質(zhì)與鋰電極的界面穩(wěn)定性較差，但由于離子電導率極高、電化學穩(wěn)定窗口較寬（5V以上），受到了眾多企業(yè)的青睞，尤其是日韓企業(yè)投入了大量資金進行研究。

其中聚合電解質(zhì)屬于有機電解質(zhì)，擁有界面相容性和機械加工性，易量產(chǎn)，靈活性好等優(yōu)點，但是室溫離子導電率低，難以適配高；氧化物和硫化物屬于無機電解質(zhì)，氧化物固態(tài)電解質(zhì)擁有離子導電率較高、循環(huán)性優(yōu)異且易生產(chǎn)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。硫化物相對于液態(tài)相媲美的電導率相比，具有電導率高的優(yōu)點。

目前氧化物體系進展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進展。氧化物的綜合發(fā)展性較為均衡，其他兩種的電解質(zhì)均存在高成本或研發(fā)難度大等問題，不能達到大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的要求。

此外，如果選擇了金屬鋰為負極材料，正極材料的選擇可以更多，將不再局限于三元或磷酸鐵鋰，甚至可以選擇不含鋰的材料，比如硫化物或空氣，也就是更為超前的鋰硫電池和鋰空氣電池。當然，這些是更遠的技術(shù)路線了。

從全球來看，約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高?？蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)，但均尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。歐美主要是聚合物體系，美國側(cè)重固液混合技術(shù)。在亞洲，中日韓主要是氧化物、硫化物體系。中國近年多家企業(yè)建立氧化物固態(tài)電池生產(chǎn)線。目前來看氧化物體系進展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進展。

固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。依據(jù)電解質(zhì)分類，鋰電池可分為液態(tài)、半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)四大類，其中半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池。

固態(tài)電池的迭代過程中，液態(tài)電解質(zhì)含量將從20wt%降至0wt%，電池負極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至500Wh/kg，電池工作溫度范圍擴大三倍以上。預計在2025年前后，半固態(tài)電池可以實現(xiàn)量產(chǎn)，2030年前后實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化仍需時間

既然固態(tài)電池這么好，為什么車企不趕緊“升級”，還是用的傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池？究其原因，用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，解決了部分問題的同時，也帶來新的煩惱。在固態(tài)電池正是量產(chǎn)之前，還有幾個關(guān)鍵問題亟待攻克。

· 固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率偏低。所謂離子電導率指的是鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)移動的順暢情況。固態(tài)電池的電導率普遍低于液態(tài)離子電導率，比如聚合物電解質(zhì)，其離子電導率甚至比液態(tài)離子電導率差了多個數(shù)量級。

· 固體電解質(zhì)與電極間的界面阻抗較大。傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)與正負極之間是固液接觸，界面潤濕性良好，可以說是“嚴絲合縫”，界面之間不會產(chǎn)生大的阻抗。但是固態(tài)電解質(zhì)和正負極是固固接觸，接觸效果差了一大截，所以鋰離子在界面之間的傳輸阻力更大。

因為固態(tài)電池的低電導率和高界面阻抗，讓鋰離子在電池內(nèi)部傳輸效率過低，影響了電池的快充能力和循環(huán)壽命，同時也無法讓電池的容量正常釋放。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)取決于電池技術(shù)和工藝的突破。一旦電池體系、電極與電解質(zhì)相匹配的工藝確定，可以較快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

固態(tài)電池的生產(chǎn)可組合傳統(tǒng)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)電池電芯制備不存在革命性創(chuàng)新，只是電極和電解質(zhì)制造環(huán)境要求更高， 需要在惰性氣體保護下或在干燥間內(nèi)進行，這與制造超級電容器、鋰離子電容器等空氣敏感儲能器件的生產(chǎn)環(huán)境相似。

向全固態(tài)鋰電池過渡是鋰電技術(shù)進步的重要趨勢；目前，全球都在加快固態(tài)電池的研發(fā)，雖然距離產(chǎn)業(yè)化尚需時間，但如電解質(zhì)或負極材料選擇與改性、電池工藝革新都應(yīng)是一步一步探索的過程。

不可否認，動力電池的技術(shù)日新月異，對電動車的發(fā)展可謂功不可沒。伴隨著新能源汽車的滲透率不斷提升，市場對于動力電池的要求越來越高，有著明顯短板的傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池已經(jīng)很難適應(yīng)未來的節(jié)奏。

作為業(yè)內(nèi)公認的下一代電池路線，固態(tài)電池可以完美解決傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的缺點，國內(nèi)外的企業(yè)都對其寄予厚望，紛紛加快固態(tài)電池的研發(fā)速度，希望搶占市場先機。

作為和電動汽車一樣嶄新的事物，固態(tài)電池得到資本高度青睞的同時，也在經(jīng)受著同樣力度的質(zhì)疑。其中，最常被大寫加粗的懷疑角度是：量產(chǎn)進度。這個問題的答案，我們可以從世界各大知名汽車公司的固態(tài)電池上車時間表中一窺端倪。

固態(tài)電池在所有緯度都超越液態(tài)鋰離子電池是不爭的事實，但從各大汽車公司的時間表上不難發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池的共性：商業(yè)化時間太久，2030年已是最樂觀的估計。

如今固態(tài)電池已經(jīng)有了不少實質(zhì)性的進展，但是技術(shù)和成本仍舊是擋住固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化道路的兩座大山，這不是短期內(nèi)能跨越的，參照主流固態(tài)電池企業(yè)的規(guī)劃，量產(chǎn)時間普遍在2025年之后，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化估計是10年之后的事情。

因為無法落地，此前一直在研發(fā)固態(tài)電池的Fisker公司已經(jīng)宣布放棄對固態(tài)電池的進一步研究。Fisker創(chuàng)始人Henrik Fisker表示，“當你覺得完成了90%的研發(fā)工作時，你會發(fā)現(xiàn)，剩下的10%要比前面90%更加艱難?！?/p>

當然，作為下一代鋰電技術(shù)的制高點，固態(tài)電池之所以吸引這么多企業(yè)投資，證明其還是有一定優(yōu)勢的。但是，固態(tài)電池要想與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池一較高下，電池降本至關(guān)重要。

彭博新能源財經(jīng)預計，固態(tài)電池將首先在高端電動汽車中采用，其成本將在2032年下降至與傳統(tǒng)鋰離子電池的同等水平。

對于下場的玩家來說，不得不直面的問題是：固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化將會重塑現(xiàn)有的鋰電池供應(yīng)鏈，像隔膜和液態(tài)電解質(zhì)企業(yè)，如果不能及時轉(zhuǎn)型升級，將面臨被“顛覆”的結(jié)局。

回顧歷史，10年其實其實也是一個并不長的維度。10年前中國的純電動汽車銷量還不足1萬輛，到了2020年，中國純電動汽車銷量已超過100萬輛。如今在行業(yè)看好與各路企業(yè)布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進程有望獲得超預期發(fā)展。