（文/程文智）這幾年隨著電動汽車滲透率的快速提升，固態(tài)電池受到國內(nèi)外企業(yè)，及研究者的廣泛關注與重視，發(fā)展迅速。目前固態(tài)電池的市場參與者眾多，有車企、電池企業(yè)、投資機構，也有科研機構。

所謂的固態(tài)電池，就是使用固體電極和固體電解液的電池。由于用固態(tài)電解質代替了電解液和隔膜，首先，固態(tài)電池的熱穩(wěn)定性更高，不會出現(xiàn)內(nèi)部短路；其次是固態(tài)電解質具有更高的本征安全性；還有理論上來說，固態(tài)電池具有更穩(wěn)定的界面，使用壽命會更長；另外，固態(tài)電池的能量密度還可以進一步提升。

固態(tài)電池面臨的難點

從目前的推進速度來看，我們離全固態(tài)電池還有一段距離，預計要到2030年以后才能實現(xiàn)商用。因為目前還面臨幾大難點沒有解決：
一是從材料方面來看，固態(tài)電解質不能同時兼顧高離子電導率和穩(wěn)定性；
二是從界面上來看，剛性的固-固接觸，不能保證離子在原子層級高效傳輸；
三是枝晶生長方面，鋰枝晶生長很容易刺穿固態(tài)電解質；
四是電池制造方面，現(xiàn)有的固態(tài)電解質成本比較高。

也就是說，從材料、界面、枝晶生長和電池制造上來看，目前的全固態(tài)電池還不能夠滿足現(xiàn)在的需求。高安全，高比能的全固態(tài)電池，離我們還有一段距離，但現(xiàn)有商用的液態(tài)電池又不能滿足我們?nèi)找姘l(fā)展的對電池能量密度的需求情況下，半固態(tài)電池就應運而生了。

半固態(tài)電池更適合目前的電池發(fā)展路徑，因為半固態(tài)電池的安全性比液態(tài)電池更高；與現(xiàn)有電池產(chǎn)線的兼容性更高，易于產(chǎn)業(yè)化；而且能給個解決界面問題。

最近，歐陽明高院士工作站四川新能源汽車創(chuàng)新中心有限公司固態(tài)電池研發(fā)總監(jiān)朱高龍博士對固態(tài)電池的關鍵技術問題做了一個在線分享，他將固態(tài)電池分為5種構型，并且詳細說明了這5種構型電池的現(xiàn)有研發(fā)水平和需要攻克的關鍵技術。

固態(tài)電池構型1及需要攻克的關鍵技術

不論是液態(tài)電池，還是半固態(tài)，或者固態(tài)電池的結構都是一樣的，一般兩邊分別是正負極（如圖1），中間是電解液，用來完成負離子的輸運，實現(xiàn)能量的存儲和轉換。電芯又分為圓柱、軟包和方殼；電芯通過串并聯(lián)的方式組合成一個模組或PACK，來滿足汽車，或者其他應用的需求。

圖1：單片電池結構示意圖

固態(tài)電池構型1，其實就相當于在液態(tài)電池的構型上，引入了固態(tài)電解質涂層，涂層可以在隔膜上，也可以在正負極上。

圖2：固態(tài)電池構型1結構

朱高龍博士指出，這看上去跟液態(tài)電池沒有什么區(qū)別，但其實里面有很多know-how，主要在材料的選型、間隔設計，以及材料配方方面體現(xiàn)出來。

圖3：固態(tài)電池構型1的特點

但好處是，構型1使用的設備跟現(xiàn)有設備的兼容性非常高。另外，從技術成熟度上來說，很多廠商都有了長期的積累，很多關鍵點都得到了解決。比如涂敷的厚度現(xiàn)在可以做到非常均勻地分布，從幾十納米，到幾個納米，甚至是幾百微米都可以做到很一致的分布；另外涂層的配方，包括電解質的粒徑、結構、配比、粘接劑、助劑成分等都能做到很好的調(diào)控。

構型1的特點是能夠保證電性能的同時，提升電池安全性，但問題是安全性提升還不夠。朱高龍感嘆，如果該技術能夠將鎳90的安全性提升到鎳50的安全性指標，那現(xiàn)在電池的能量密度將會有一個大幅提升。

固態(tài)電池構型2面臨的技術難點

在固態(tài)電池構型1種，我們對隔膜涂敷了一層陶瓷涂層，安全性有了很大的提升，但液態(tài)電池內(nèi)還存在大量的有機電解液，有機電解液會與正極釋放出來的氧氣發(fā)生反應，產(chǎn)生大量的熱，導致電池的安全失效。

因此在固態(tài)電池構型2種，引入了原位固化技術，即引入膠態(tài)/固態(tài)電解質，將電解液給固化起來，不讓電解液流動，防止在釋氧過程種的持續(xù)反應，從而進一步提高安全性能。

圖4：固態(tài)電池構型2遇到的技術關鍵點

但是該技術還沒有完全成熟，主要難點是固化后，整體電池的安全性，或者通過率會有一個大幅提升，但是熱箱的測試可能達不到要求，電池的性能，特別是倍率性能會有迅速的衰減。

所以，在固化配方上，比如單體選擇，固化之后，無論是膠態(tài)的，還是完全固態(tài)的；離子導率，選擇隔膜作為基底，以及隔膜內(nèi)離子輸運的表現(xiàn)都需要特別關注；此外，還需要關注的是固態(tài)電解質的引發(fā)劑，比如說有的引發(fā)劑雖然能夠使單體能夠很好地固化，但固化后引發(fā)劑本身不太穩(wěn)定，從而導致半固態(tài)電池的安全性反而不如液態(tài)電池。

朱高龍強調(diào)，這里想象是很美好的，但這里面材料的選擇是非常關鍵的。

構型2目前表現(xiàn)出來的最大特點是，針刺通過率大幅提升。所以原位固化技術廣泛受到了企業(yè)的關注，比如蔚來在原位固化的設備、方法、以及配方方面已經(jīng)取得了不少的成績。

他特別指出，各個企業(yè)都有這方面的布局，怎么高效地使固態(tài)電解質在固化之后，還能發(fā)揮出離子輸運的能力，以及電池安全性能，已經(jīng)成為了我們將要攻克的難點。

固態(tài)電池構型3現(xiàn)有研發(fā)水平即待攻關的關鍵技術
對固態(tài)電池構型2進行了一個迭代升級，使用密封膠在單片電芯上，將兩邊封起來，讓電解液不能四處流動，這樣就能做到電芯內(nèi)部的串聯(lián)，從而減少非必要結構件的使用，大幅度提升固態(tài)電池的存儲效率，從而提高電芯的能量密度。這就是另一種構型，即固態(tài)電池構型3。

圖5：半固態(tài)電池現(xiàn)有研發(fā)水平及待攻關的關鍵技術

在構型3的關鍵點在于電解液量的控制和封膠技術，這樣的技術類似于在結構上的創(chuàng)新。比如比亞迪的刀片電池，寧德時代的CTP/CTC電池等。

它的特點是針刺通過率及熱箱性能大幅提升，遇到的問題是固態(tài)電解質密度大，能量密度有損失，能量密度于安全性能的平衡。

固態(tài)電池構型4面臨的技術難點

固態(tài)電池構型4，主要就是把液態(tài)電池中的隔膜與電解液替換成了固態(tài)電解質。經(jīng)過多年的試驗，大家發(fā)現(xiàn)液態(tài)電池種的隔膜和電解液是影響電池的安全性能的主要因素。因此，提升電池安全性能最為有效的辦法就是減少電解液的用量，從而很容易想到新型導鋰離子聚合物電解質、無機的陶瓷電解質，或者是聚合物電解質膜與無機固態(tài)電解質混合的電解質。

要求就是需要這種電解質穩(wěn)定，一致性高，與正負極有很好的兼容性。同樣在這里面，隔膜和隔膜內(nèi)的電解液，換成聚合物電解質或無機固態(tài)電解質。在正極同樣可以用到原位固化的技術，或者直接加入膠態(tài)或固態(tài)電解質，也同樣可以使用封膠的技術，這相當于在原來固態(tài)電池中做一個整體升級。

在2015年時，法國的電池制造商Bollore生產(chǎn)出來了聚合物電解質固態(tài)電池。從以前的開發(fā)經(jīng)驗來看，Bollore公司其實用的是聚合物電解質，聚合物電解質在60℃時，會軟化，類似于果凍或者膠態(tài)的性質。這種情況下與正負極的界面接觸得很好，本身在60℃下，本身有比較高的離子導率，這樣就會形成一個類似于液態(tài)電池的一個狀況。就是有良好的接觸，特別是電極與活性材料，電極與電解質之間有一個很好的接觸。這樣保證了離子定向輸運的快速，高效地運行，從而實現(xiàn)在整車上的應用。

構型4最主要的缺陷有兩點，一是聚合物電解質需要在高溫下運行，難以匹配高電壓的正極材料，比如說三元，高鎳的一些正極材料；二是聚合物電解質軟化之后，具備了一定的流動性，是否還安全也存在一些疑問；三是在高溫下運行，會浪費一部分的能量；四是離子導率提升不了；五是在常溫下是固態(tài)的，會存在固態(tài)電解質與正負極固固接觸比較困難，特別是聚合物還有一定的彈性，會導致離子穿過負極，到達電解質膜時，阻抗會變得很大。

也就是說除了高離子導率問題，還有固固接觸的問題。這就是為什么固態(tài)電池的發(fā)展路線會從半固態(tài)逐漸過渡到全固態(tài)。

有兩個方面的原因，一是聚合物的半固態(tài)，離子導率非常難以提升，后續(xù)如果要做成全固態(tài)，還是會面臨固固接觸的問題。二是聚合物的物質，它的熱穩(wěn)定性，還是沒有全固態(tài)熱穩(wěn)定性高。

全固態(tài)電池構型5

第5種類型，就是固態(tài)電池的終極目標------全固態(tài)電池，就是里面完全排除了電解液的使用。正極和負極內(nèi)也是固態(tài)電解質來進行離子輸運，這會使得安全性大幅提升，同時，負極可以使用金屬鋰，整體提高電池的能量密度。

新聞報道里常說的固態(tài)電池具有高能量密度，其實不是因為固態(tài)電池本身的能量密度高，而是因為固態(tài)電池可以匹配這種高比能的新型正負極材料。才能夠把固態(tài)電池的能量密度做進一步的提升。

如果常規(guī)下，跟液態(tài)電池一樣使用同樣的石墨負極，正極有磷酸鐵鋰，或者三元材料的話，其他成分都不變，只是把電解液和隔膜換成固態(tài)，其實能量密度是降低的。

相對于日本和歐美來說，國內(nèi)在固態(tài)電池方面的投入起步相對比較晚，整體研發(fā)水平跟日本比還有一定的差異，這里的差異主要體現(xiàn)在固態(tài)電解質的合成。

為什么目前固態(tài)電池還沒有大量產(chǎn)業(yè)化呢？其實，最主要的原因是電解質的合成成本高，推廣起來困難；第二個更關鍵的因素就是固固接觸的界面問題。因為一旦到了全固態(tài)，全是固固接觸的話，如何保證良好的界面，以及充放電過程中，還是共型的接觸，保證離子的輸運等。

比如相對腳軟的硫化物電解質就需要一個比較大的壓力，大概要200~500MPa才能保證在初步第一次壓完之后，正極和固態(tài)電解質，以及負極和固態(tài)電解質有一個良好的接觸，接觸好，離子的定向輸運才能保證電池能量輸送出來，或者存儲進去。也就是說一定要保證固態(tài)電解質與電極的良好接觸。

要保證良好的接觸，就需要這樣大的壓力。這個壓力在目前來講，特別是電池后續(xù)的制備制造過程中，200~500MPa的壓力就變得比較困難。就算能達到，又怎么能保證效率。這是全固態(tài)電池發(fā)展的一個關鍵因素。

能保證3到400平方厘米的面積下，能夠快速壓片的技術也是后續(xù)電池組裝中非常關鍵的一個技術。

同時，非常明顯的一點就是全固態(tài)電池，完全顛覆了前面幾種電池構型的產(chǎn)線，它的加工方法和加工形式可能就發(fā)生了改變。

也就是說，全固態(tài)電池的關鍵點就是高離子導率、穩(wěn)定的固態(tài)電解質的開發(fā)，以及電池裝配工藝。遇到的問題是成本高，工藝要求高，規(guī)模化困難。