新能源電池技術(shù)之固態(tài)電池

不論是新能源車(chē)或儲能設備，最重要的關(guān)鍵零部件之一就是電池，這幾年電池行業(yè)的一項挑戰就是拉高能量密度、追求更安全的方式，不論是嘗試新的正極、負極材料；或是提高鎳錳鈷（NMC）三元電池鎳的比重；也有人致力于研發(fā)不同于傳統鋰電池的技術(shù)，像是使用氫燃料電池的氫能源車(chē)。而固態(tài)電池（Solid-State Battery）就是被視為是下世代的電池技術(shù)。

什么是固態(tài)電池

全固態(tài)電池到底是一種什么樣的技術(shù)？

如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒(méi)有氣體、沒(méi)有液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的電池。

而考慮到現在人們日常生活中最為常見(jiàn)的電池為鋰離子電池，我們在這里將默認把“全固態(tài)鋰離子電池”當做全固態(tài)電池的代表（暫時(shí)忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池）。

一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結構殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內部以離子形式傳導。

電解液技術(shù)是鋰電池的核心技術(shù)之一，也是現在電池工業(yè)中利潤很高的一個(gè)組成部分。

其中Li+（鋰離子）在內電路中，通過(guò)電解質(zhì)（electrolyte）傳導

但是鋰電池用久后有的會(huì )鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至會(huì )發(fā)生危險（比如近來(lái)的扭扭車(chē)的電池爆炸事件，導致了相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)和電池企業(yè)遇到了全面的困難）。

另外一般來(lái)說(shuō)，現在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會(huì )急劇縮短，安全性能會(huì )也出現很大的問(wèn)題（所以特斯拉MODEL S會(huì )有一套嚴格的電池溫控系統，就是為此）。

實(shí)際上，以上所說(shuō)的幾個(gè)安全方面的問(wèn)題都是與我們現在電池用的有機體系的電解液直接相關(guān)的。

而為了解決電池安全問(wèn)題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)全固態(tài)電池，也就是把傳統的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質(zhì)材料。

那么說(shuō)來(lái)說(shuō)去，相比于我們生活中最常見(jiàn)的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)主要有哪些呢？ 

固態(tài)電池的優(yōu)勢

優(yōu)勢之一：薄--體積小

實(shí)際上，體積能量密度對于電池來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數，如果就應用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，要求從高到低是消費電子產(chǎn)品》家用電動(dòng)汽車(chē)》電動(dòng)公交車(chē)。

如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做的體積更小。

電子產(chǎn)品中的可用空間往往很有限，很多產(chǎn)品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質(zhì)量已經(jīng)被電池占據，而且在廣大生產(chǎn)廠(chǎng)商和消費者希望對電池進(jìn)一步提高容量（增加續航）和壓縮體積（便攜美觀(guān)和便于設計）的要求下，高壓實(shí)、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當仁不讓的主流產(chǎn)品。

傳統鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)占據了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。

而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機和無(wú)機陶瓷材料兩個(gè)體系），正負極之間的距離（傳統上由隔膜電解液填充，現在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低 --因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。

不僅如此，很多經(jīng)過(guò)物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個(gè)微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機電系統）領(lǐng)域中。

能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應各種新型小尺寸智能電子設備的應用，而在這一點(diǎn)上傳統的鋰離子電池的技術(shù)是很難達到的。

目前許多納米材料實(shí)用的一大關(guān)鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過(guò)低，導致如果基于這些材料制成產(chǎn)品，往往相同質(zhì)量下占據體積過(guò)大，即體積能量密度偏低，完全無(wú)法滿(mǎn)足一般工業(yè)品的要求。

所以現在的納米（電池）材料科研中往往選擇了不報道這方面的參數，原因不難理解。

優(yōu)勢之二：柔性化的前景

全固態(tài)電池可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來(lái)更多的功能和體驗。

實(shí)際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì )變得有柔性。

相應的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì )有明顯的提高，通過(guò)使用適當的封裝材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

實(shí)際上，以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星

不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠不只以上的柔性電池，經(jīng)過(guò)電池材料結構優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng )新應用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會(huì )給我們帶來(lái)越來(lái)越多的驚喜。

優(yōu)勢之三：更安全

作為一種能量存儲器件，實(shí)際上所有電池在熱力學(xué)實(shí)質(zhì)上都不可能是絕對安全的。

但是電池實(shí)際應用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統等。

目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點(diǎn)，在這里用“不夠理想”來(lái)評價(jià)現在電池的安全性，應該是一個(gè)比較合適的評價(jià)。

優(yōu)勢之四：輕--能量密度高

使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì )發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。

此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問(wèn)題可以得到一定的緩解。

綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個(gè)較大幅度的提升：現在許多實(shí)驗室中，都已經(jīng)可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。

從能量密度的數據上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

固態(tài)電池的技術(shù)路線(xiàn)

固態(tài)電池領(lǐng)域有不同的技術(shù)路線(xiàn)，固體電解質(zhì)可大致分為三類(lèi)：無(wú)機電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE，Solid Polymer Electrolyte）、復合電解質(zhì)。目前較多業(yè)者投入研究的材料包括固態(tài)聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（Thin Film）等。像是戴森、蘋(píng)果各自收購的固態(tài)電池廠(chǎng) Sakti3 和 Infinite Power Solutions，皆以薄膜為主，但制程復雜，量產(chǎn)難度高，先前市場(chǎng)傳出戴森、蘋(píng)果有意放棄，故現階段發(fā)展狀況不太明朗，而豐田、松下（Panasonic）、三星、寶馬、寧德時(shí)代投入硫化物電解質(zhì)，輝能、索尼則是聚焦在氧化物。

蘋(píng)果從 2012 年就開(kāi)始積極布局固態(tài)電池及充電技術(shù)的專(zhuān)利，2013 年收購了 Infinite Power Solutions。近兩三年汽車(chē)廠(chǎng)布局固態(tài)電池的消息大幅浮上臺面，像是豐田對外宣示將在 2022 年對外銷(xiāo)售搭載固態(tài)電池的電動(dòng)車(chē)。另外，大眾汽車(chē)（Volkswagen）投資了由《麻省理工科技評論》 TR35 青年創(chuàng )業(yè)家 Jagdeep Singh 參與創(chuàng )立的固態(tài)電池初創(chuàng )公司 QuantumScape，去年 6 月加碼投資，并取得 QuantumScape 一席董事，預計在 2025 年建立固態(tài)鋰電池產(chǎn)線(xiàn)。

而過(guò)去的電池大國日本，陸續舍棄掉鋰電池后，已經(jīng)將研究重點(diǎn)轉向固態(tài)電池，日本科學(xué)技術(shù)振興機構（JST）、日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機構 （NEDO）都積極推動(dòng)，這些動(dòng)態(tài)讓外界開(kāi)始關(guān)注這項技術(shù)

市場(chǎng)關(guān)注的固態(tài)電池公司一覽

固態(tài)電池的技術(shù)瓶頸

目前，包括韓國三星、日本豐田和我國寧德時(shí)代在內的眾多電池和汽車(chē)廠(chǎng)商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，已有部分電池進(jìn)入裝車(chē)測試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問(wèn)題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。

首先，高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。目前固態(tài)電池材料發(fā)展很快，但綜合應用較為欠缺。

作為固態(tài)電池的核心材料，目前在固體鋰離子導體的單一指標上已有所突破，但綜合性能尚不能滿(mǎn)足大規模儲能需求?，F今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統的要求仍有不小的差距。

1、固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。

在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過(guò)程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩定。 

2、在固態(tài)鋰電池中，除了電解質(zhì)和電極之間的界面，電極內部還存在復雜的多級界面，電化學(xué)以及形變等因素都會(huì )導致接觸失效影響電池性能。

再次，長(cháng)期使用時(shí)穩定性不理想也是長(cháng)壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。固態(tài)電池在服役過(guò)程中結構與界面會(huì )隨時(shí)間發(fā)生退化，但退化對電池綜合性能的影響機制尚不明確，難以實(shí)現長(cháng)效應用。 

所以，構建高性能固態(tài)電池需要從兩方面入手，一是構建高性能的固態(tài)電解質(zhì)，二是提高界面的相容性和穩定性。

從某種意義上講，汽車(chē)的演變歷史就是電池的進(jìn)化過(guò)程。若論起源，電動(dòng)汽車(chē)也已經(jīng)有了180多年的歷史，出現時(shí)間與燃油車(chē)不相上下?？摄U酸電池、鎳氫電池均未使電動(dòng)汽車(chē)的地位有所突破。直至磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池的升級才使得部分消費者逐步接受電動(dòng)汽車(chē)。

若固態(tài)電池商用化，電動(dòng)汽車(chē)將加速取代內燃機車(chē)的步伐。誰(shuí)率先掌握這項技術(shù)，也將在未來(lái)競爭格局中握有更大的話(huà)語(yǔ)權。