近年來，不少汽車廠商都透露過基于固態(tài)電池打造電動汽車的計劃。例如“Fisker申請固態(tài)鋰電池專利，最高續(xù)航800km，充電1分鐘”、“大眾計劃研發(fā)續(xù)航1000km固態(tài)電池”等新聞屢見不鮮。這背后的“黑科技”——固態(tài)電池到底有什么能耐？離實際應用還有多遠？我們就來具體聊一下固態(tài)電池的現(xiàn)狀和前景。

●根據(jù)電解質(zhì)的不同可分為液態(tài)、半固態(tài)、準固態(tài)、全固態(tài)四大類。

●現(xiàn)有體系的鋰電池能量密度很難突破300Wh/kg，基于安全和能量密度上的優(yōu)勢，固態(tài)電池已成為未來鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。

●準固態(tài)電池將以聚合物復合電解質(zhì)為主，薄膜固態(tài)電池以氧化物復合電解質(zhì)為主，全固態(tài)電池以硫化物復合電解質(zhì)為主。

●目前快充型電池主要在客車領(lǐng)域應用較多，未來快充型動力電池的消費結(jié)構(gòu)將會向用車、專用物流車偏移。

一、固態(tài)電池有哪些優(yōu)點

目前，動力電池全球化競爭日益激烈，雖然中國企業(yè)在本輪競爭中占據(jù)了市場規(guī)模優(yōu)勢，但歐美、日韓等企業(yè)已經(jīng)在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。有不少專家呼吁建議，應該關(guān)注固體電池發(fā)展的問題。盡管目前固態(tài)電池還多處于試驗階段，離走向產(chǎn)業(yè)化還有一定時間。但為了搶占未來發(fā)展的制高點，各企業(yè)對固態(tài)電池的研發(fā)已快馬加鞭，市場需求或推動固態(tài)電池量產(chǎn)提前。

按照《中國制造2025》確定的技術(shù)目標，2020年鋰電池能量密度到300Wh/kg，2025年能量密度達到400Wh/kg，2030年能量密度達到500Wh/kg。但是基于高鎳三元+硅碳負極材料，現(xiàn)有體系的鋰電池的能量密度很難突破300Wh/kg。而固態(tài)鋰電池的能量密度大約為傳統(tǒng)鋰電池的2.5—3倍，且杜絕了電池破裂或高溫等意外帶來的燃燒隱患。

全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。

電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應用案例；氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)；硫化物電導率最高，是未來主要方向。

既然固態(tài)電池有這么多優(yōu)點，為什么沒有大力推廣呢？這是因為固態(tài)電解質(zhì)具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負極材料上著手。電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰(zhàn)，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。

總體來看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。筆者認為，2020年前采用高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn)500 Wh/Kg。

二、全球產(chǎn)業(yè)加速布局

目前，全球范圍內(nèi)約有 20 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)。2017年，關(guān)于固態(tài)鋰電池分別有1198篇文獻與117篇專利。其中1096篇文獻集中在金屬鋰負極、固態(tài)電解質(zhì)，以及固態(tài)電解質(zhì)與正負極界面等基礎(chǔ)問題研究，其他有102篇文獻探討了固態(tài)鋰電池的組裝及相關(guān)測試結(jié)果，以硫系和氧化物電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池居多。文獻方面，中國發(fā)表的數(shù)量占據(jù)第一位，國際發(fā)明專利方面則是日本占據(jù)一半以上。

●法國Bollore

法國博洛雷集團（Bolloré）從2011年就開始嘗試固態(tài)電池在電動車領(lǐng)域的商業(yè)化，其自主研發(fā)的電動汽車Bluecar搭載了子公司Batscap生產(chǎn)的30kWh金屬鋰聚合物電池，續(xù)航為120km。大約有2900輛Bluecar投放到了巴黎汽車共享服務項目Autolib，這也是國際上第一個采用固態(tài)鋰電池的電動汽車案例。

『Bluecar在巴黎Autolib汽車共享服務亭充電』

BatScap選擇全固態(tài)中的聚合物技術(shù)路線，正極材料采用LFP，負極材料采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚環(huán)氧乙烷（PEO），但其Pack能量密度僅為100Wh/kg，且工作溫度要求60~80℃，必須持續(xù)將電池加熱至60°C以上來維持電池內(nèi)部的導電能力。

●德國博世+美國SEEO

成立于2007年的SEEO是美國勞倫斯伯克利國家實驗室唯一授權(quán)擁有核心專利的電池公司，2015年博世（BOSCH）收購美國SEEO，并與日本GS YUASA（湯淺）公司、三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽極鋰離子電池。當時SEEO開發(fā)的固態(tài)電池就已實現(xiàn)350Wh/kg的能量密度，約是同等體積鋰電池的兩倍能量。但在2018年初，由于博世的戰(zhàn)略變化，不再自行生產(chǎn)電池，也就宣告放棄對SEEO的投入。

●英國戴森+美國Sakit3

美國Sakti3創(chuàng)辦于2008年，號稱開發(fā)出了能量密度達到1000Wh/kg的固態(tài)電池，并稱未來實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)之后，成本只有當前鋰電池的20%，可以把搭載其電池的電動汽車成本控制在2.5萬美元。2015年Sakti3被戴森以9000萬美金的價格全資收購，之后戴森宣布投資14億美元建造電池廠，發(fā)展固態(tài)鋰電池技術(shù)。

戴森計劃在2020年量產(chǎn)首款電動車產(chǎn)品，電池組為一種可拆卸的盒式固態(tài)電池組，安裝在傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機艙的位置。

●日本38家機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)全固態(tài)鋰電池

2018年6月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）宣布啟動新一代高效電池“全固態(tài)電池”核心技術(shù)的開發(fā)。該項目預計總投資100億日元（約合5.8億元人民幣），豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術(shù)機構(gòu)將共同參與研究，計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)，到2030年前后將每千瓦時電池組的成本降至鋰電池的三分之一左右，將快速充電時間也縮短至三分之一（10分鐘）。

其中，豐田被認為現(xiàn)階段硫化物固態(tài)電池龍頭。其2010年就推出硫化物固態(tài)電池，2014年該電池實驗原型能量密度達到400Wh/kg。2017年12月，豐田聯(lián)合松下對外宣布將共同開發(fā)全固態(tài)電池。根據(jù)規(guī)劃，豐田將在2020年實現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。

三、國內(nèi)企業(yè)蓄勢待發(fā)

中國固態(tài)鋰電池處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，清華大學、北大深圳研究院、電子科大、國防科大、中科院物理所、化學所、寧波材料所、青島能源所、上海硅酸鹽所等單位已開始固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料、固態(tài)鋰電池制造裝備及電芯制造技術(shù)的研發(fā)。同時，國內(nèi)鋰電池材料及電芯優(yōu)勢企業(yè)，如寧德時代、比亞迪、中航鋰電、貝特瑞、力神、贛鋒鋰業(yè)等，也已開始布局固態(tài)鋰電池技術(shù)開發(fā)。

●寧德時代

寧德時代投入固態(tài)電池研發(fā)已有幾年時間，在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關(guān)的研發(fā)工作。其招股說明書中表明，下一代電池研發(fā)重點就是全固態(tài)鋰電池。但從官方介紹的情況來看，離商業(yè)化仍然比較遠。在制造工藝方面，寧德時代初步提出以下工藝路線：正極材料與離子導體的均勻混合與涂覆；經(jīng)過一輪預熱壓，形成連續(xù)的離子導電通道；經(jīng)過二次涂覆LPS之后，再進行熱壓，全固態(tài)化之后可以去掉孔隙；再涂覆緩沖層后與金屬鋰復合疊加。

●比亞迪

比亞迪2016年中期業(yè)績會議透露，公司認為固體電池將是鋰電池未來的方向，已經(jīng)在嘗試小規(guī)模使用，并確定將在未來10年，最快5年內(nèi)提供該類型產(chǎn)品。2017年8月，比亞迪申請了一種全固態(tài)鋰離子電池正極復合材料及一種全固態(tài)鋰離子電池的發(fā)明專利。

●國軒高科

國軒高科固態(tài)電池的研發(fā)主要在海外進行，2018年2月，國軒高科透露正在美國和日本分別開發(fā)下一代動力電池生產(chǎn)技術(shù)工藝與生產(chǎn)設備，相關(guān)產(chǎn)品將使用半固態(tài)電池技術(shù)。目前，國軒高科半固態(tài)電池技術(shù)已處于實驗室向中試轉(zhuǎn)換階段，計劃2019年建設中試線。

●贛鋒鋰業(yè)

2017年8月，贛鋒鋰業(yè)通過引進寧波材料所的固態(tài)電池博士團隊，正式切入固態(tài)電池板塊，目標在3年內(nèi)實現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。隨后，贛鋒鋰業(yè)公告稱將投資2.5億元，于2018年底建成億瓦時級第一代固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線，并實現(xiàn)送樣；在2019年12月完成3億元固態(tài)電池銷售，并分別推動二代固態(tài)鋰電池技術(shù)成熟，實現(xiàn)三代固態(tài)鋰電池可研。根據(jù)測算，贛鋒鋰業(yè)生產(chǎn)的第一代固態(tài)鋰電池電芯的能量密度可達240Wh/kg，按照單車500kg電池組估算，80kWh的電量可以實現(xiàn)480km的續(xù)航，且千次循環(huán)后最大電量仍有90%，充電僅需12分鐘充滿。

●珈偉股份

2017年12月，珈偉股份子公司珈偉龍能發(fā)布了其首款快充類固態(tài)電池產(chǎn)品。珈偉龍能科技具備一期1億Wh高性能動力電池，采用類固態(tài)快充技術(shù)；2018年二期擬再次投產(chǎn)2GWh電池產(chǎn)能。公司生產(chǎn)的電池正極采用改性的鐵鋰和三元，負極則使用鈦酸鋰和納米化的石墨。然而，珈偉股份發(fā)布的電池與全固態(tài)電池技術(shù)不甚相同，此次珈偉股份生產(chǎn)的類固態(tài)電池為凝膠狀（類固態(tài)）電池，采用了隔膜，非完全意義的固態(tài)電池。

全文總結(jié)：

從全球范圍來看，全固態(tài)電池預計會在2020年到2025年開始批量應用。在這個過程中，還有很多的基礎(chǔ)科研和工藝技術(shù)問題要突破，現(xiàn)在展示了一個希望，從綜合指標上看，還不能滿足動力電池的技術(shù)，希望一步步往前走，逐步改善現(xiàn)有鋰電池兼顧能量密度和安全性方面的挑戰(zhàn)。我國應加大發(fā)展固態(tài)鋰電池的力度，爭取在未來5年內(nèi)研發(fā)出高能量密度、高安全，且綜合性能優(yōu)異的固態(tài)鋰電池，并推向產(chǎn)業(yè)化應用。