2018 年底到 2019 年至今，固態(tài)電池行業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)不少積極消息，有人因此開始提出，2019年可能是固態(tài)電池的元年。

比如國內(nèi)由中國科學(xué)院院士南策文團(tuán)隊投資創(chuàng)辦的清陶能源，去年底表示啟動首條固態(tài)電池生產(chǎn)線，產(chǎn)能規(guī)模為100MWh，目前可以日產(chǎn)1萬顆電芯，主要應(yīng)用在特種安全領(lǐng)域；另一家獲軟銀中國資本投資的輝能，在2013年量產(chǎn)小容量固態(tài)電池后，在今年啟動擴(kuò)產(chǎn)，新廠規(guī)劃產(chǎn)能為1GWh；在日本，包括FDK、TDK宣布完成全固態(tài)電池的產(chǎn)品開發(fā)，不久前日立造船（HitachiZosen）宣布將在大坂筑港工廠生產(chǎn)全固態(tài)電池。

過去幾年，固態(tài)電池行業(yè)較多是募資信息，初創(chuàng)公司又獲得了哪些汽車廠或科技巨頭的投資，而近期這一波的信息開始聚焦在試產(chǎn)、量產(chǎn)、甚至是擴(kuò)產(chǎn)，顯示固態(tài)電池行業(yè)正踏入另一個階段。這也是元年提法的由來。

但電池行業(yè)人士分析，預(yù)期到了2021～2022年左右固態(tài)電池才有望迎來真正的元年。

圖|清陶能源去年底表示啟動首條固態(tài)電池生產(chǎn)線

材料屬性不同，各有其量產(chǎn)挑戰(zhàn)固態(tài)電池是新一代的電池技術(shù)，優(yōu)點在于安全性高：電池沒有漏液問題，損壞、被穿刺時不會產(chǎn)生爆炸或著火；高能量密度：業(yè)界認(rèn)為，固態(tài)電池的密度和結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流與提升電池容量，使重量能量密度（Wh/kg）能提升到400Wh/kg以上；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，固態(tài)電池不需隔膜，厚度比傳統(tǒng)電池輕薄許多，可讓電子產(chǎn)品或汽車在外觀設(shè)計或空間利用上達(dá)到更大的效益。

圖|TDKCeraCharge固態(tài)電池，使用固體陶瓷電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)（來源：TDK）

固態(tài)電池幾種電解質(zhì)材料包括固態(tài)聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（ThinFilm）等，以評估電池好壞三大要素：穩(wěn)定性（體現(xiàn)出來包括安全性、充放電能力等）、量產(chǎn)性、導(dǎo)電性來看，薄膜的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性非常好，但量產(chǎn)難度高，使用半導(dǎo)體濺鍍式制程，在真空環(huán)境下運用化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法等鍍膜制程方法，成本偏高，如果要做到像手機(jī)、IT應(yīng)用的話，需要層層堆疊至少100片薄膜。戴森、蘋果各自收購的固態(tài)電池公司Sakti3和InfinitePowerSolutions皆以此類技術(shù)為主，但行業(yè)內(nèi)傳出戴森已放棄，目前發(fā)展前景不明。

固態(tài)聚合物方面，很多特性跟液態(tài)電池相近，幾乎可以直接套用現(xiàn)有液態(tài)電池的制程和設(shè)備，故量產(chǎn)性高，但穩(wěn)定性、導(dǎo)電性較差，整個模組做好到車子上，電池體積能量密度大約只有100～140Wh/L（瓦時/升）。加上高溫的穩(wěn)定性不佳，可運作的溫度范圍為60～80攝氏度，所以需要搭配使用加熱器，將溫度提高到60度，如此就得額外增加一個熱管理機(jī)制及高壓系統(tǒng)，并影響體積利用率。

像博世（Bosch）收購的Seeo就是固態(tài)聚合物技術(shù)，但Bosch買下Seeo一年半后就宣告放棄，電池行業(yè)人士向DeepTech透露，先前博世求售Seeo，積極尋找買家接手，不少電池公司都收到了收購意愿詢問信。

因此，隨著近幾年來行業(yè)的變化，固態(tài)電池目前有兩大主要陣營，分別是硫化物：豐田、松下、三星、寧德時代等，其導(dǎo)電度非常好，能量密度較佳，但生產(chǎn)困難，由于硫材料非常怕水氣，水氣引起化學(xué)反應(yīng)就變成硫化氫，除了危險性高之外，在制造過程需完全在干燥室中，成本較高，由于制造挑戰(zhàn)多，目前處于實驗室階段，該類技術(shù)領(lǐng)頭羊的豐田則對外表示，目標(biāo)在2020年將自研多年的固態(tài)電池商業(yè)化。

另一個則是氧化物：如輝能、清陶能源、北京衛(wèi)藍(lán)新能源、索尼。其優(yōu)點在于穩(wěn)定性佳，缺點是導(dǎo)電性較差，另外在生產(chǎn)時，氧化物電解質(zhì)彎曲很容易脆裂，不過已經(jīng)有一些業(yè)者克服量產(chǎn)問題，比如輝能通過在電解質(zhì)、正負(fù)極里加入陶瓷相關(guān)技術(shù)，除克服導(dǎo)電性、脆裂問題，電池可彎曲，且實現(xiàn)了卷式生產(chǎn)。

大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用可能在 2021～2022 年

盡管不同電解質(zhì)材料有其挑戰(zhàn)，如前所述，近來固態(tài)電池行業(yè)有越來越多業(yè)者釋出開發(fā)完成、進(jìn)入量產(chǎn)的階段，不過，距離所謂的元年仍有一段差距，因為電池容量很小，商業(yè)應(yīng)用很小量。像是日本 FDK 宣布完成開發(fā)固態(tài)電池，其容量大概是 140μAh（微安時），以現(xiàn)行歐洲電動車大多數(shù)為 80 度電來計算，是 22857Ah（安時），也就是說，一臺車需要的電池，跟FDK所做出來電池容量大小差了一億多倍。另一家TDK開發(fā)的指尖大小的全陶瓷固態(tài)電池已進(jìn)入試產(chǎn)，容量僅為100μAh。

圖|FDK的固態(tài)電池去年底開始樣品出貨（來源：FDK）

剛獲得今年愛迪生發(fā)明獎（EdisonAwards）金牌的輝能科技創(chuàng)始人楊思枏，在接受DeepTech專訪時就直言：“日商的策略看起來偏向是補(bǔ)償被動元件上一些陶瓷電容不足的地方，不完全是要替代現(xiàn)行電池”。不過，這是行業(yè)發(fā)展必經(jīng)的過程，大家都是先從小的東西開始做，固態(tài)電池開始有更多人進(jìn)來，有不同的應(yīng)用，理解、搜尋市場。他進(jìn)一步指出，不論是用于 IoT 裝置，或是像日立造船的固態(tài)電池用于航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)在的量還是很小，其實講元年不太有意義，價格必須合理，出貨量才會跨過一個量級。一個產(chǎn)業(yè)要能成形，至少得達(dá)到一年10億美元的產(chǎn)值才行，如果基于這個商業(yè)邏輯來思考，2021、2022年就有機(jī)會實現(xiàn)。第一個原因是用于電動車的固態(tài)電池屆時將開始出貨，首先，豐田多次公開表示，將在2020年上半年推出全固態(tài)電池，然后于2022年開始銷售搭載固態(tài)電池的全新電動車。另外，輝能也已經(jīng)與國內(nèi)一家國企汽車公司敲定合作，將在2021年開始出貨電動車固態(tài)電池。而在今年1月中國電動汽車百人會上，天際汽車董事長張海亮也表示，預(yù)計到2021年，天際的固態(tài)電池電芯的能量密度將達(dá)到300Wh/kg以上，電池模組（pack）達(dá)到220Wh/kg。所以，綜觀多家車廠的日程表來看，2021～2022年將會陸續(xù)見到由固態(tài)電池驅(qū)動的電動車問世。除了電動車是推動固態(tài)電池發(fā)展的主要驅(qū)動力之外，工業(yè)應(yīng)用的電池需求其實也被看好，像是油田相關(guān)設(shè)備，必須在很低溫或很高溫的環(huán)境下運作，要求電池內(nèi)阻不受影響，固態(tài)電池就成了一個好選擇。

圖|輝能科技創(chuàng)始人楊思枏（來源：Deeptech）

固態(tài)電池與三元電池的能量密度競賽

另一個固態(tài)電池有望在 2021、2022 年迎來元年的原因是，“屆時，電池能量密度可能跟三元電池出現(xiàn)黃金交叉”。楊思枏以豐田公開放出的固態(tài)電池發(fā)展進(jìn)度表（roadmap）以及特斯拉現(xiàn)有的資訊來估算，豐田預(yù)計在2022年量產(chǎn)固態(tài)電池，其第一代架構(gòu)技術(shù)電池芯為450Wh/L，目前Tesla電池芯為715Wh/L，但是，消費者要的不是單看電池芯，而是整個模組，也就是成組效率。特斯拉的電池模組成組效率只有32.5％，固態(tài)電池的成組效率基本上比三元電池來得高，豐田的技術(shù)基本上可以達(dá)到75%。因此，特斯拉是715x32.5%，大約是230～240Wh/L；Toyota為450×75%，大概330～340Wh/L，贏過了特斯拉。當(dāng)然，特斯拉不會在未來幾年不思進(jìn)取，液態(tài)電池要解決這個問題，就是持續(xù)提升電池芯的能量密度。但是，新的問題也隨之而來：高利用率的材料供應(yīng)鏈?zhǔn)欠癯墒?？目前鋰電池行業(yè)往鎳錳鈷（NMC）配比為811的高鎳三元電池邁進(jìn)，供應(yīng)鏈尚未非常成熟，所以更高的能量密度的正極材料、負(fù)極材料的供應(yīng)、成本都是未知數(shù)。另一個問題就是安全性問題?！耙虼耍姵氐阶詈蠛苡锌赡芫蜕簧蟻砹?，發(fā)展開始平緩，固態(tài)電解質(zhì)就會開始超過它。所以，2021～2022年很有可能出現(xiàn)一個所謂的黃金交叉”。一旦當(dāng)固態(tài)電池持續(xù)超越三元電池，“當(dāng)年三元系吃掉磷酸鐵鋰的概念還會再發(fā)生一次，大概那個時間點我在猜想應(yīng)該在2022～ 2025 年，”楊思枏預(yù)測。

但是，他也強(qiáng)調(diào)，“前提是固態(tài)電池必須突破量產(chǎn)問題”，現(xiàn)在行業(yè)要走到證明固態(tài)電池能夠大批量產(chǎn)的階段。

打入軟銀周邊及半導(dǎo)體檢測機(jī)臺

在現(xiàn)階段的固態(tài)電池領(lǐng)域中，能真正做到量產(chǎn)的還不多，輝能主要鎖定氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池，其研發(fā)的陶瓷固態(tài)電池已經(jīng)量產(chǎn)，并在市場上被使用，像是軟銀旗下的 SoftBank SELECTION 周邊產(chǎn)品品牌，就主打采用固態(tài)鋰陶瓷電池的“Power Leaf”產(chǎn)品，像是充電皮套、行李掛牌樣式的移動電池等，甚至半導(dǎo)體制程重要的檢測設(shè)備，因必須在非常低的氣壓跟高溫下運作的特殊性，也使用了輝能的固態(tài)電池。盡管如此，這些應(yīng)用仍屬于很小量。

圖|軟銀PowerLeaf產(chǎn)品，像是充電皮套、行李掛牌樣式的移動電池，采用輝能的固態(tài)鋰陶瓷電池（來源：SoftBank）

楊思枏指出，輝能已經(jīng)脫離實驗室技術(shù)到達(dá)工藝選取，并且進(jìn)入到大量生產(chǎn)的前端階段，但他也直言，固態(tài)電池還有幾個問題需要克服，回到氧化物電解質(zhì)的原始點來看。

第一，它的離子導(dǎo)通能力大約只有硫化物跟液態(tài)電解的1/10～1/20，想克服這個問題考驗各家電池公司的設(shè)計實力。

第二，氧化物材料的有效接觸面積小，“固態(tài)電解質(zhì)最重要的瓶頸就在界面，不管是化學(xué)界面還是物理界面”，氧化物的化學(xué)界面穩(wěn)定度高，但物理界面不容易形成，所以發(fā)展氧化物的業(yè)者，必須解決物理接觸面積不足的問題。

另外，硫化物本身的界面也相對復(fù)雜，如果形成一個不好的界面的話，除了會使離子導(dǎo)動度下降只剩百分之一、甚至是千分之一之外，原子還會遷移、穿透、然后毒化活性材料、固態(tài)電解質(zhì)，造成很不好的影響。

第三，氧化物另一個挑戰(zhàn)是在做壓合、擠壓等集成過程中很容易斷裂，硫化物則比較容易壓成錠。

第四，有些人覺得固態(tài)電池的快充會有問題，但楊思枏認(rèn)為，如果界面阻抗部分能夠被解決的話，那么區(qū)域性的極化問題反而就不存在了，以輝能的產(chǎn)品來說，快充已經(jīng)達(dá)到12分鐘可充滿70％的電量。正因為固態(tài)電池的技術(shù)困難，光靠一家或兩三家公司無法發(fā)展成一個產(chǎn)業(yè)鏈，因此，楊思枏的策略是通過技術(shù)移轉(zhuǎn)的方式建立生態(tài)圈，包括技術(shù)授權(quán)，銷售核心材料、設(shè)備等給有需求的客戶，像是汽車公司、儲能服務(wù)商、工業(yè)設(shè)備商、傳統(tǒng)的電池公司等。由于陸續(xù)簽下車廠、工業(yè)應(yīng)用合作案，輝能正在擴(kuò)建新廠，預(yù)計今年底完成后，固態(tài)電池的年產(chǎn)能將達(dá)1.5GWh。

固態(tài)電池將會成為動力電池的下一個風(fēng)口，國內(nèi)外行業(yè)巨頭已經(jīng)開始進(jìn)行相關(guān)布局，豐田、三星、大眾、寧德時代、本田、戴森、松下、西門子……無論是汽車領(lǐng)域、電池領(lǐng)域、電子電器領(lǐng)域，甚至眾多專注于固態(tài)電池的初創(chuàng)企業(yè)，全都希望能在固態(tài)電池領(lǐng)域率先突破。

有報道稱，日本初創(chuàng)公司NGK Spark Plug計劃將采用陶瓷電解質(zhì)的固態(tài)電池送上月球，以便為后續(xù)的其他探月行動提供更好的后備能源方案。

在美國2019 CES消費電子展上，輝能科技發(fā)布了其“固態(tài)”新能源車電池包設(shè)計——在相同整車容量下，該電池包將體積減少到傳統(tǒng)電池的50%，重量減少70%，該產(chǎn)品還因此獲得2019CES創(chuàng)新獎。

有報道稱，***輝能科技股份有限公司在2018年就已經(jīng)實現(xiàn)固態(tài)電池包的整車廠送樣，并完成多家整車廠的安全與電性能測試，預(yù)計在2019年4月可以正式發(fā)布樣車。

而美國24M公司則在近日成功向其客戶交付了商用半固態(tài)鋰電池，其能量密度超過280Wh/kg。

華為新鮮發(fā)布的折疊屏手機(jī)MateX，雖然并未使用柔性電池，隱約中，似乎也讓人們窺見了未來固態(tài)電池的應(yīng)用軌跡。3C領(lǐng)域的應(yīng)用，可能會成為固態(tài)電池在車上應(yīng)用的完美試驗場，而未來的電動汽車動力領(lǐng)域，也極有可能被固態(tài)電池一匡天下

大眾汽車近日宣布向QuantumScape投資約1億美元，目標(biāo)在2025年前建立固態(tài)電池生產(chǎn)線。QuantumScape目前擁有超過200多項關(guān)于固態(tài)電池的技術(shù)專利。在本輪注資中，大眾將會派遣一位高管擔(dān)任QuantumScape董事會成員，該公司計劃在2025年研發(fā)并擁有可量產(chǎn)的固態(tài)電池。

大眾汽車集團(tuán)研發(fā)負(fù)責(zé)人AxelHeinrich認(rèn)為，固態(tài)電池技術(shù)會成為電動汽車行業(yè)的一個轉(zhuǎn)折點。通過增加在QuantumScape的股份和成立合資企業(yè)，加強(qiáng)和加深與創(chuàng)新伙伴的戰(zhàn)略合作，確保達(dá)成QuantumScape為大眾提供固態(tài)電池技術(shù)的承諾。

從戰(zhàn)略層面，隨著整車企業(yè)開始選擇電氣化路線，特別是圍繞純電動為核心的時候，就不得不考慮未來的出路。嚴(yán)格來說，固態(tài)電池方面的投入競爭還并不激烈。目前的主要動力電池提供商，都在現(xiàn)有的Gen3a，即從NCM523體系或NCM622體系往NCM811的方向去努力，現(xiàn)在確定的動力電池訂單是實實在在的。

圖/ 動力電池的化學(xué)體系發(fā)展

寶馬跟寧德時代（CATL）的采購意向并非只從2021年的iNEXT車型開始，寧德時代從2019年就會為純電動MINI及2020年量產(chǎn)的純電動iX3供應(yīng)電芯。這個切換也表明，三星SDI在往811方向走的時候，速度并沒有后來居上的CATL快，也沒有滿足整車企業(yè)的訴求。

當(dāng)整車企業(yè)花了數(shù)百億美金大力氣去做純電動汽車平臺的時候，對電芯供應(yīng)商的成本和產(chǎn)品優(yōu)化提出了更苛刻的要求。

圖/寶馬動力電池供應(yīng)商在不同平臺切換

因此，電芯企業(yè)在供應(yīng)現(xiàn)在這一代電芯，并往下一代電芯發(fā)展的時候，還是有壓力的。一個是要滿足現(xiàn)有車型平臺的開發(fā)需求，在電芯開發(fā)、優(yōu)化、制造和采購方面聚焦，同時也需要往難度更大的研發(fā)方向走。面對產(chǎn)品跟不上就被切換的威脅，現(xiàn)實來的更重要。

如下圖所示，這一代電池（Gen4）往下一代發(fā)展過程中，整車企業(yè)的角色很重要。對現(xiàn)有產(chǎn)品的開發(fā)，整車企業(yè)的角色更多的是提出需求，在整個產(chǎn)品驗證方向上去做技術(shù)和產(chǎn)品管理。而在下一代電池開發(fā)上，特別是有關(guān)核心專利和難點上面，以下的幾個車企，大概能給我們一些思路：

1，具備開發(fā)基礎(chǔ)的：如豐田，自身持續(xù)在研發(fā)上投入，再和松下合作固態(tài)電池研究，從不同層面去研究和解決問題，準(zhǔn)備Gen4a電芯的小規(guī)模量產(chǎn)。本田和日產(chǎn)的思路也差不多。

2.投資合作的：以大眾和寶馬為例，通過美國科技初創(chuàng)公司來做。

圖/整車企業(yè)需要把時間點提前

寶馬宣布將投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心，開始涉及電芯級別的技術(shù)驗證和開發(fā)，這個研發(fā)中心會有200名工程師，將在2019年春開幕。研發(fā)中心會對電芯不同的化學(xué)成分進(jìn)行研究，驗證在極端氣候環(huán)境下這些電芯性能表現(xiàn)，慢充以及快充的區(qū)別、電池的尺寸以及體積等等。之前寶馬把大量的測試放在第三方TUV實驗室，而這次基本把電芯方面的差異拿回到公司內(nèi)。

圖/ 寶馬電池研發(fā)中心

這種方式是除依靠大學(xué)研究、電芯供應(yīng)商、材料供應(yīng)商之外，可以獨立在電芯級別做設(shè)計開發(fā)和驗證的快速過程。應(yīng)該是想依靠高端的研究人員，來做一些IP，徹底搞懂電芯層面的設(shè)計和過程差異，并配置一些試制電芯的能力。

寶馬還有和SolidPower在固態(tài)電池方面的前端合作。SolidPower是科羅拉多州的一家初創(chuàng)公司，成立于2012年，除了科羅拉多大學(xué)博爾德分校及國防高級研究計劃局的資助外，還獲得過美國空軍，美國國家科學(xué)基金會和美國導(dǎo)彈防御局的資金支持。針對傳統(tǒng)全固態(tài)電池中固體電解質(zhì)和LiCoO2之間界面電阻高，接觸不良的缺陷，SolidPower公司的科學(xué)家們使用ALD(原子層沉積技術(shù))來解決這個問題。SolidPower的電池材料采用100%的無機(jī)材料，無易燃和易揮發(fā)成分，具有優(yōu)異的保質(zhì)期和高溫穩(wěn)定性。放在整個電池系統(tǒng)中看，由于消除了一些與鋰離子系統(tǒng)相關(guān)的安全特征的潛在消費，使得成本大降低。SolidPower目前擁有一座占地7000平方英尺的先進(jìn)生產(chǎn)基地，具備新材料合成、小批量中試材料和電池生產(chǎn)，以及原型設(shè)備組裝和表征能力。

圖/寶馬對于固態(tài)電池的投入也是處在外部依賴和獨立開發(fā)兩方面同時進(jìn)行

全球動力電池產(chǎn)業(yè)供應(yīng)商資源的高度集中化趨勢日益明顯，一方面是現(xiàn)有項目的集中化顯著，在競爭中被掃出局的企業(yè)，可能只能轉(zhuǎn)向下一代電池研發(fā)。只有部分企業(yè)和現(xiàn)有的研發(fā)者投入，形成格局上的分流可能才是比較好的結(jié)果。如果全部電池企業(yè)都去擴(kuò)大規(guī)模，搶占現(xiàn)有的訂單，某種意義上是很困難的。在國外，是通過市場的因素考慮，類似博世放棄鋰電池業(yè)務(wù)，日本的傳統(tǒng)鋰電池企業(yè)逐步放棄跟隨，都體現(xiàn)當(dāng)前時刻做動力鋰電池業(yè)務(wù)的高投入和高風(fēng)險的回報。這個退出過程是基于市場考慮的。而國內(nèi)，短期內(nèi)動力電池企業(yè)先期投入這么多，很難說退就退，而且國內(nèi)的電動汽車的企業(yè)明顯比國外多，大家都有機(jī)會，使得退出期變長，資源（人員、資金）都集中于相對重復(fù)的工作。

小結(jié)：整車企業(yè)目前投資固態(tài)電池技術(shù)，并不是真正認(rèn)為固態(tài)電池已經(jīng)具備現(xiàn)實的裝車特性，相對于鋰電池各個方面的綜合特性，還有很多是新技術(shù)滿足不了的。但是作為技術(shù)演進(jìn)階段，投入到這個領(lǐng)域獲取有限的產(chǎn)出也能帶來可能的知識產(chǎn)權(quán)收益。這方面的產(chǎn)出，并不會單純以專利和論文的形式體現(xiàn)，更多的還是公司的內(nèi)部積累，特別是整車企業(yè)對于下一代電芯的理解形式，這可能是這些投資的真正價值所在。

一、固態(tài)鋰電池概述

顧名思義，固態(tài)電池含有固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)，不同于現(xiàn)有液態(tài)形式的電池。按照國家《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，到2025年，純電動汽車動力電池的能量密度目標(biāo)為400Wh/kg，2030年目標(biāo)為500Wh/kg。就目前廣泛采用的三元電池來說，現(xiàn)階段存在的技術(shù)瓶頸使其很難達(dá)到上述目標(biāo)。

“想要達(dá)到2020年及以后的動力電池能量密度發(fā)展要求，實現(xiàn)能量密度大于500Wh/kg的目標(biāo)，現(xiàn)有的液體電解質(zhì)電池體系恐怕無能為力。作為下一代面向500Wh/kg的電池技術(shù)路線，固態(tài)電池體系的研發(fā)已成為剛需。新能源汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展需要新的技術(shù)儲備，固態(tài)鋰電池則有望成為下一代車用動力電池主導(dǎo)技術(shù)路線，它不只是未來二次電池的重要發(fā)展方向，也是當(dāng)前的重要任務(wù)?！敝袊茖W(xué)院物理研究所研究員陳立泉近日表示。

全固態(tài)鋰電池，是一種使用固體電極材料和固體電解質(zhì)材料，不含有任何液體的鋰電池，主要包括全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)金屬鋰電池，差別在于前者負(fù)極不含金屬鋰，后者負(fù)極為金屬鋰。

在目前各種新型電池體系中，固態(tài)電池采用全新固態(tài)電解質(zhì)取代當(dāng)前有機(jī)電解液和隔膜，具有高安全性、高體積能量密度，同時與不同新型高比能電極體系(如鋰硫體系、金屬-空氣體系等)具有廣泛適配性，可進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度，從而有望成為下一代動力電池的終極解決方案，引起日本、美國、德國等眾多研究機(jī)構(gòu)、初創(chuàng)公司和部分車企的廣泛關(guān)注。

二、固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢及目前存在的技術(shù)缺陷

相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，固態(tài)鋰電池具有顯著優(yōu)點：

(1)高安全性能：傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。而很多無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。

(2)高能量密度：固態(tài)鋰電池負(fù)極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達(dá)到300～400Wh/kg甚至更高;其電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達(dá)5V以上，可匹配高電壓電極材料，進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度;沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度;安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡化，提高系統(tǒng)能量密度。

(3)循環(huán)壽命長：有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。

(4)工作溫度范圍寬：固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機(jī)固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達(dá)到300℃，從而避免正負(fù)極材料在高溫下與電解液反應(yīng)可能導(dǎo)致的熱失控。

(5)生產(chǎn)效率提高：無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機(jī)構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。

(6)具備柔性優(yōu)勢：全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。

盡管全固態(tài)鋰電池在多方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但同時也有一些迫切需要解決的問題：

對于全固態(tài)電池的研發(fā)來說，解決上述問題的核心在于固態(tài)電解質(zhì)材料發(fā)展以及界面性能的調(diào)控與優(yōu)化。

三、固態(tài)鋰電池的技術(shù)路徑和研究熱點

3.1 固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)路徑

電解質(zhì)材料的性能很大程度上決定了電池的功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能及使用壽命。常見的固態(tài)電解質(zhì)可分為聚合物類電解質(zhì)和無機(jī)物電解質(zhì)兩大類。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)

由于聚氧乙烯(PEO)相比于其它聚合物基體具有更強(qiáng)的解離鋰鹽的能力,且對鋰穩(wěn)定，因此目前研究熱點以PEO及其衍生物為主。

聚合物電解質(zhì)潤濕電極能力差,活性材料脫嵌鋰必須通過極片傳輸?shù)诫姌O表面進(jìn)行,使得電池工作過程中極片內(nèi)活性物質(zhì)的容量不能完全發(fā)揮，將電解質(zhì)材料混入電極材料中或者替代粘結(jié)劑,制備成復(fù)合電極材料,填補(bǔ)電極顆粒間的空隙,模擬電解液潤濕過程,是提高極片中鋰離子遷移能力及電池容量發(fā)揮的一個有效方法。PEO基電解質(zhì)由于結(jié)晶度高，導(dǎo)致室溫下導(dǎo)電率低，因此工作溫度通常需要維持在60～85℃，電池系統(tǒng)需裝配專門的熱管理系統(tǒng)。此外，PEO的電化學(xué)窗口狹窄，難以與高能量密度正極匹配，因此需對其改性。

目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基電解質(zhì)固態(tài)電池已經(jīng)商用，于英國少量投放城市租賃車，其工作溫度要求60~80℃，正極采用LFP和LixV2O8，但目前Pack能量密度僅為100Wh/kg。

無機(jī)固體電解質(zhì)

無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)主要包括氧化物和硫化物。氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類，其中研究熱點是用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)。

以LiPON為電解質(zhì)材料制備的氧化物電池倍率性能及循環(huán)性能都比較優(yōu)異，但正負(fù)極材料必須采用磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等方法制成薄膜電極，同時不能像普通鋰離子電池工藝一樣加入導(dǎo)電材料,且電解質(zhì)不能浸潤電極,使得電極的鋰離子及電子遷移能力較差，只有正負(fù)極層都做到超薄,電池電阻才能降低。因此,無機(jī)LiPON薄膜固態(tài)鋰電池的單個電池容量不高，不適合用于制備Ah級動力電池領(lǐng)域。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)由氧化物固態(tài)電解質(zhì)衍生而來，由于硫元素的電負(fù)性比氧元素小，對鋰離子的束縛較小，有利于得到更多自由移動的鋰離子。同時，硫元素半徑大于氧元素，可形成較大的鋰離子通道從而提升導(dǎo)電率。目前三星、松下、日立造船+本田、Sony都在進(jìn)行硫化物無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)。但空氣敏感性、易氧化、高界面電阻、高成本帶來的挑戰(zhàn)并不容易在短期內(nèi)徹底解決，因此距離硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池最終獲得應(yīng)用仍有很遠(yuǎn)距離。

總之，無機(jī)固體電解質(zhì)發(fā)揮單一離子傳導(dǎo)和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，用于全固態(tài)鋰離子電池中，具有熱穩(wěn)定性高、不易燃燒爆炸、環(huán)境友好、循環(huán)穩(wěn)定性高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢，同時有望應(yīng)用在鋰硫電池、鋰空氣電池等新型鋰離子電池上，是未來電解質(zhì)發(fā)展的主要方向。

3.2 界面性能的調(diào)控與優(yōu)化

固體電解質(zhì)存在與電極間界面阻抗大，界面相容性較差，同時充放電過程中各材料的體積膨脹和收縮，導(dǎo)致界面容易分離等問題。使用鋰金屬負(fù)極也存在固相接觸阻抗大，界面反應(yīng)，效率低等問題。目前解決的主要方向如下：

固態(tài)電池是最有希望率先產(chǎn)業(yè)化的下一代電池技術(shù)

固態(tài)電池體系革命更小。鋰硫電池、鋰空氣等體系需更換整個電池結(jié)構(gòu)框架，難題更多也更大，而固態(tài)電池主要在于電解液的革新，正極與負(fù)極可繼續(xù)沿用當(dāng)前體系，實現(xiàn)難度相對小。

鋰金屬負(fù)極兼容，通過固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)。鋰硫、鋰空氣均需采用鋰金屬負(fù)極，而鋰金屬負(fù)極更易在固態(tài)電解質(zhì)平臺實現(xiàn)。

固態(tài)電池作為距離我們最近的下一代電池技術(shù)已成為科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的共識，是后鋰電時代的必經(jīng)之路。

三大技術(shù)路線產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

固態(tài)電池的三大體系各有優(yōu)勢，其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無機(jī)陶瓷電解質(zhì)。

縱覽全球固態(tài)電池企業(yè)，有初創(chuàng)公司，也不乏國際廠商，企業(yè)之間獨踞山頭信仰不同的電解質(zhì)體系，未出現(xiàn)技術(shù)流動或融合的態(tài)勢。歐美企業(yè)偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系的產(chǎn)業(yè)化難題，其中以豐田、三星等巨頭為代表。

聚合物體系工藝最成熟，率先誕生EV級別產(chǎn)品，其概念性與前瞻性引發(fā)后來者加速投資研發(fā)，但性能上限制約發(fā)展，與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合將是未來可能的解決路徑;

氧化物體系中，薄膜類型開發(fā)重點在于容量的擴(kuò)充與規(guī)?；a(chǎn)，而非薄膜類型的綜合性能較好，是當(dāng)前研發(fā)的重點方向;硫化物體系是最具希望應(yīng)用于電動車領(lǐng)域的固態(tài)電池體系，但處于發(fā)展空間巨大與技術(shù)水平不成熟的兩極化局面，解決安全問題與界面問題是未來的重點。

產(chǎn)業(yè)化尚處早期，前景已有保障

市場化產(chǎn)品能量密度較低。現(xiàn)階段固態(tài)電池量產(chǎn)產(chǎn)品很少，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍處于早期。唯一實現(xiàn)動力電池領(lǐng)域量產(chǎn)的博洛雷公司產(chǎn)品能量密度僅為100Wh/kg，對比傳統(tǒng)鋰電尚未具備競爭優(yōu)勢。

高性能的實驗室產(chǎn)品將為產(chǎn)業(yè)化奠基。從海外各家企業(yè)實驗與中試產(chǎn)品來看，固態(tài)電池能量密度優(yōu)勢已開始凸顯，明顯超過現(xiàn)有鋰電水平。

在我國，固態(tài)鋰電的基礎(chǔ)研究起步較早，在“六五”和“七五”期間，中科院就將固態(tài)鋰電和快離子導(dǎo)體列為重點課題，此外，北京大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)天津18所等院所也立項進(jìn)行了固態(tài)鋰電電解質(zhì)的研究，并在此領(lǐng)域取得了不錯的進(jìn)展。

未來，隨著產(chǎn)業(yè)投入逐漸加大，產(chǎn)品性能提升的步伐也望加速。

固態(tài)電池對鋰電產(chǎn)業(yè)鏈的影響

除了電解質(zhì)，固態(tài)電池在其他電池部件上的選擇與傳統(tǒng)鋰電也有一定差異。

電極材料采用與固態(tài)電解質(zhì)混合的復(fù)合電極。結(jié)構(gòu)上，固態(tài)電池正負(fù)極與傳統(tǒng)電極的最大區(qū)別在于:為了增加極片與電解質(zhì)的接觸面積，固態(tài)電池的正負(fù)極一般會與固態(tài)電解質(zhì)混合。

例如在正負(fù)極顆粒間熱壓或填充固態(tài)電解質(zhì)，或者在電極側(cè)引入液體，形成固-液復(fù)合體系，這都與傳統(tǒng)鋰電單獨混合極片漿料并在鋁/銅箔上涂布不同。

而在材料選擇上，由于固態(tài)電解質(zhì)普遍更高的電化學(xué)窗口，高鎳高壓正極材料更容易搭載，未來也將持續(xù)沿用新的正極材料體系，負(fù)極材料上，多采用硅、金屬鋰等高容量負(fù)極，充分發(fā)揮固態(tài)電池的優(yōu)勢。

電極與電解質(zhì)之間存在緩沖層。緩沖層的加入能起到改善電極與電解質(zhì)界面性能的作用。其成分可以為凝膠化合物、Al2O3等。

隔膜仍然存在，電池實現(xiàn)全固態(tài)后消失?，F(xiàn)階段的大部分固態(tài)電池企業(yè)的產(chǎn)品仍需添加少量液態(tài)電解液以緩解電極界面問題、增加電導(dǎo)率，因此隔膜仍然存在與電池中以用來阻隔正負(fù)極，避免電池短路。

這種折中的解決方法同時擁有固態(tài)電池的性能優(yōu)勢，在技術(shù)難度上也更加易于實現(xiàn)。而隨著技術(shù)推進(jìn)，未來電解液用量會越來越少，當(dāng)過渡到完全不含液體或液體含量足夠小時，電池將取消隔膜設(shè)計，體系已能滿足安全需求。

多采用軟包的封裝技術(shù)。除去液態(tài)電解液后，固態(tài)電池的封裝與PACK上比傳統(tǒng)鋰電更靈活、更輕便，因此將采用軟包封裝。

▌階段發(fā)展之路:步步為營，梯次滲透

展望未來發(fā)展趨勢，技術(shù)上步步為營，應(yīng)用上梯次滲透，固態(tài)電池階段發(fā)展之路已經(jīng)明晰。

結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)階段電池體系包含部分液態(tài)電解質(zhì)以取長補(bǔ)短。而技術(shù)發(fā)展過程中將逐漸減少液體的使用，從半固態(tài)電池到準(zhǔn)固態(tài)電池，最終邁向無液體的全固態(tài)電池。

應(yīng)用領(lǐng)域上，有望率先發(fā)揮安全與柔性優(yōu)勢，應(yīng)用于對成本敏感度較小的微電池領(lǐng)域，如RFID、植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等;技術(shù)進(jìn)步后，再逐漸向高端消費電池滲透;隨著產(chǎn)品的成熟，最終大規(guī)模踏入電動車與儲能市場，從高端品牌往下滲透，實現(xiàn)下游需求的全面爆發(fā)。

大環(huán)境下，未來幾年是國際車企全面進(jìn)軍新能源汽車的關(guān)鍵時期，海外龍頭紛紛把發(fā)展新能源列入既定戰(zhàn)略，其中不乏看好固態(tài)電池前景的龍頭車企。

豐田已投入200多人進(jìn)行固態(tài)電池開發(fā)，目標(biāo)在2025年前推出產(chǎn)品，寶馬正與固態(tài)電池公司SolidEnergy合作共同開發(fā)固態(tài)電池，大眾表示看好固態(tài)電池前景，并入股研發(fā)固態(tài)電池的創(chuàng)業(yè)公司QuantumScape。

此外，從今年5月起，日本政府將出資16億日元，聯(lián)合國內(nèi)豐田、本田、日產(chǎn)、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學(xué)、三菱化學(xué)等大型汽車廠商、電池和材料廠商，共同研發(fā)固態(tài)電池。巨頭們的加碼布局與資本的加速注入，行業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道。

此外，未來有望通過規(guī)模效應(yīng)快速降本。回溯傳統(tǒng)鋰電成本曲線，14年時單位成本接近3元/Wh，而隨著產(chǎn)能迅速擴(kuò)張，目前成本已降至1.2元Wh/kg左右。

固態(tài)電池作為一項顛覆性技術(shù)，技術(shù)一旦突圍成功，行業(yè)成長曲線料將獲指數(shù)級增長，工業(yè)化大批量生產(chǎn)將使成本問題迎刃而解，傳統(tǒng)鋰電的降本邏輯有望得到復(fù)制。

參考SNEresearch的動力電池出貨量預(yù)測，若固態(tài)電池能在2022年實現(xiàn)市場化并逐步提升滲透，到2025年固態(tài)電池在動力電池中的市場空間大約能達(dá)到60億元左右。

毋庸置疑，鋰電產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€可以看至少10年的行業(yè)，而新技術(shù)的開發(fā)與崛起也將不斷強(qiáng)化行業(yè)的估值與前景。在行業(yè)看好與多方布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)有望獲得超速發(fā)展。

固態(tài)電池承載著電池安全與能量全面提升的光榮使命，未來有望成為行業(yè)的新爆發(fā)點與關(guān)鍵性技術(shù)保障，政策在逐漸褪去，市場正回歸理性，當(dāng)新能源汽車回歸商品屬性時，還有技術(shù)在前方保駕護(hù)航。