聊一聊固態電池，固態電池牛在哪裡？

今天來聊一聊固態電池。

近幾年，各家鋰電池生產企業正在將鋰離子電池的能量密度推向理論的極限。比如三元鋰離子電池的能量密度超過260Wh/Kg，磷酸鐵鋰超過160Wh/Kg，為了追求更高的能量密度，電池廠目前更多的是從電池結構設計來提高電池包整體的能量密度，比如寧德的CTC和比亞迪的CTB技術，以及兩家的麒麟電池和刀片電池。

但是作為鋰電池的另外一種技術路線，固態電池的能量密度理論上可以達到500Wh/Kg以上，可以輕鬆實現現在電動車整車廠夢想的續航1000Km的，所以許多人認為固態電池是動力電池和電動車的下一個革命性的風口。

1.固態電池牛在哪裡？

首先當然是能量密度可以大幅提升。

以往的鋰電正極材料，特別是高電壓的正極材料會和電解液溶解發生副反應，正極表面會發生不可逆相變（鋰析出）而不敢採用。採用固態電解質後，就能使用提高電池能量密度的高電壓正極材料，可使得能量密度顯著提升。

充電速度變得更快。

負極決定電池的充電速度，採用固態電解質後，就不存在電解液不會與鋰金屬產生劇烈反應，可實現十分鐘內快充、快放的功能，6C充放電妥妥的。

安全性提高。

鋰離子電池的電解液是可燃的，一旦電池受到撞擊，洩露之後揮發就容易造成電池起火。而固態電解質是不易燃的，即便隔膜刺穿，也不會洩露、揮發，安全性可大幅提高。

低溫不怕電量跳水。

鋰離子電池的電解液在低溫下黏度會變大，離子傳導速度變慢，造成外電路電子遷移速度不匹配，電池出現嚴重極化，充放電容量出現急劇降低，採用固態電解質將不受低溫環境所影響。不過這也不絕對，因為有些固態電池的技術是需要在一定溫度才能充分發揮作用，所以低溫電量不跳水的說法，其實有待商榷。

迴圈壽命更長。

影響鋰離子電池迴圈壽命之一就是鋰離子數量在不斷減少，鋰離子在遷移到負極表面時，部分鋰離子沒有進入負極活性物質形成穩定的化合物，獲得電子後沉積在負極表面成為金屬鋰，且不再參與後續迴圈過程，導致電池容量下降。固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質介面膜的問題，大大提升鋰電池的迴圈壽命，理想狀態為 45，000次。

以上種種，的確是預計得比較理解的優勢，看起來固態電池是妥妥地替代液體電池的技術方案，但事實上液體電池和固態電池的開發研究幾乎是同時起步，但市場認可的程度卻天壤之別。

2.固態電池的技術路線

固態電池中最理想的正極材料鋰金屬，理論能量密度可以達到4000Wh/Kg。但與液態電池中的鋰化合物不同，鋰以金屬形態存在時極其活潑，易與電解液中的鋰鹽發生化學反應，引發熱失控，需要固態電解質搭配，所以固態電池的道理很簡單。但在直接使用鋰金屬（碳酸鋰很貴，金屬鋰也不便宜）作為正極之前，人們嘗試了硫化物（日韓為主）、固體聚合物（歐洲為主），氧化物（中美）為主。這三種技術路線都存在相應的基礎缺點。

硫化物是當今動力電池中固態電池最有前途的固態電池材料類別之一，因為硫化物有較高鋰離子電導率，硫化物的最大缺點是其電化學穩定性差，這導致正極和負極側的介面電阻高。對鋰金屬的穩定性和防止生成枝晶的仍然是硫化物固態電池的主要挑戰，另外硫化物電解質中的鋰離子導電率跟液態相近但是易氧化產生有毒氣體。

固體聚合物材料的優勢在於靈活性和良好加工性方面，在過去幾十年中，已經研究了聚合物基質、鋰鹽和大量新增劑的許多不同組合。聚合物材料的最大問題是室溫下相對較低的離子電導率，聚合物電解質需要加熱到 60℃才可以獲得足夠的導電率。

氧化物材料有較高的機械強度，目前是國內主攻的方向。石榴石型結構是所有材料中在鋰金屬存在下穩定而不需要額外的保護層。但是，氧化物材料硬而脆，需要高溫燒結，這使得整體加工成本高且工藝複雜，最大的問題是氧化物電解質中鋰離子的電導率比液態要低很多。

3.固態電池的前景如何？

看一個在網上廣為流傳的資訊吧，2017年，一家總部設在加州安納海姆的美國電動汽車公司Fisker釋出了一項剛完成申請的全固態鋰電池專利：宣稱實現充電1分鐘，續航800公里。2016年釋出的T家的Model 3約346公里續航。Fisker公司表示全固態鋰電池會在2023年量產，而且價格只有鋰電池的三分之一。之前一直沒有見到量產的搭載固態電池的跑車下線，直到2021年，Fisker公司宣佈已徹底放棄全固態電池計劃。

國內企業在2015年前後開始研發固態電池，比歐美日大約晚了些。但得益於中國新能源的迅速發展和巨大的市場，現在的發展勢頭還不錯，目前頭部的幾家固態電池專案和公司有：清陶能源、寧德時代、贛鋒鋰業、北京衛藍、輝能科技，當然還有其他不斷加入的新勢力。

在技術路線上，國內的創業團隊普遍選擇折中方案：半固態電池——因為半固態電池在技術上比所有固態技術更簡單，在製作工藝上也沒有固態電池那麼高的挑戰性，真正宣佈其量產產品都是以高鎳三元為正極材料，氧化物半固態電解質、矽基負極的半固態電池。也許市場更容易接受，可以讓固態電池的研究團隊活下來，積蓄力量向真正的固態電池來挑戰。

業界對動力電池效能考核有 六個要素：能量密度、安全性、成本、充電速度、耐溫性和良品率。這些要素決定了一塊電池能否被市場認可。固態電池的目標如果是替代液體電池的話，那麼就一定得把成本控制到電動車消費者可以接受的成本，而且要使用 8 年（比如充電3天一次，連續8年）不明顯衰減，實際目前應用的鋰離子電池充放電壽命超過 3000 次，固態電池現在在技術路線不定、工藝標準不成型的前提下，成本還高高在上，想要實現量產並大規模替代，其實路還很長。

資料和圖片均來自網路