今日看点：新能源汽车固态电池之梦

中国战略新兴产业融媒体记者 艾丽格玛

上周，丰田电动汽车部门BEV Factory总裁加藤武郎宣布，4年后，丰田将开启“充电10分钟、行驶1200公里”的新电动汽车时代。

(资料图)

在说明会现场，丰田展示了两款锂离子电池新品。其中“性能版”电池通过对能量密度的改进来提升车辆续航，据称可实现1000km续航，快充20分钟即可达到80%电量，成本可降低20%；“普及版”则采用了目前搭载于HEV车型上的双极性镍氢电池的双极结构，续航里程比以往车型增加20%，快充30分钟可将电量充至80%，成本降低40%。

曾几何时，“固态电池普及之日，就是燃油车退出历史舞台之时”的豪言在耳。但如今，一家车企推出小批量试验版的固态电池已经无法在业内引起太大波动，“跳票”劣迹累累的固态电池在很多人心中已经成了黄粱一梦，甚至有人断言，半固态电池就是电池“进化”的终点了。

那么，固态电池到底是什么？它又为何从资本青睐的完美电池变成可望而不可即的“高岭之花”？

完美的电池“圣杯”

我们现在通常所用的锂离子电池，都是由正极、负极、隔膜和电解液组成的。传统的锂离子电池和其他类型的电池通常使用液体或凝胶电解质来传递离子，而固态电池，顾名思义，就是使用固体电极和电解质，代替传统液体或凝胶电解质的电池。

>>锂离子电池（左）和固态电池（右）的结构。图片来源：Samsung SDI

商业上使用的锂离子电池有一个隔板，用液体电解质溶液将阴极和阳极分开。而在固态电池中，正极、负极和固态电解质被连续堆叠在一起，形成一个固定的单元。具有固体电解质的固态电池显示出更高的稳定性和固体结构，提高了安全性。

从应用方面来看，液态电池的发展现在已经到了一个“极限”值。

磷酸铁锂电池的能量密度一般在140-160wh/kg；三元锂电池的能量密度则是在200-300Wh/kg。

但是，如果想要进一步达到1000km续航里程，B级电动汽车理论上需装配容量为150度的电池包，电芯的能量密度需达到400Wh/kg以上，循环寿命应支撑10-20年的服役时长；航空级电芯循环寿命需达到2000次以上。可以说，400Wh/kg、2000次稳定循环，这两个关键数据可以使二次电池真正成为现代交通电动化进程中的共性关键技术。然而，现有的电池体系，无法同时满足高能量密度、高安全、长循环的性能要求。

同时，液态电池的电解液溶剂具有易挥发、低闪点的特点，在较高温度下易燃易爆，且具有一定毒性，负极表面还容易形成锂枝晶，刺穿隔膜造成正负极短路，导致电池起火。

与之相对的，全固态电池由于采用了不可燃的固态电解质取代易燃、易爆的有机电解液，有望在高能量密度的条件下实现高安全和长循环。相对于传统电池，固态电解质具有更高的离子导电性，能够更快地传递离子，在低温环境下的性能也更好，不像液体电解质那样容易受到低温影响。

中科院院士欧阳明高教授曾公开表示：“在现有的各种探索中，最有可能成为下一代动力电池的就是固态锂电池。”

普遍认为，固态电池的优点体现在这几个方面。

安全性好。液态电解质的电池易燃易爆，容易造成安全隐患。固态电解质相较于目前普遍使用的电解液具有优良的热稳定性，可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等。大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路，不会在高温下发生副反应，不会因产生气体而发生燃烧。

能量密度高。全固态电解质电池可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以大大减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。固态电池允许适配高能正极与锂金属负极，目前固态电池的实验室数据已超过400Wh/kg，突破传统液态锂电池的能量密度天花板。

循环寿命长。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象，大幅提升了锂电池的循环性和使用寿命，理想情况能够达到45000次左右。

这些优点使得车企试图在电动汽车上复制手机的“快充”技术时，都需要选择固态电池路线。

固态电池的发展早在1950年代已经开始，但是，第一代固态电池的能量密度和电池组电压都很低，而且内阻非常高。

从1970年代开始，出现了一些具有高离子导电率的固态电解质，1983年出现了使用氮化锂作为固态电解质构建的、循环寿命超过200次的固态锂金属电池；同年出现的固态薄膜电池则实现了2000次长循环。随后，多种氧化物、硫化物及聚合物固态电解质材料相继被发现，2011年发现的硫化物电解质LGPS具有与液态电解质相当的离子导电率，是全固态电池发展历史上的重要里程碑。

2021年，哈佛大学李鑫、叶露涵团队研究的“三明治”结构的固态电解质达到了充放电循环1万次、最快3分钟充满电。2022年，刘思捷等人制备了柔性、高电导的复合固态电解质薄膜，实现了全固态纽扣电池2万次的超长循环。

商业化批量生产遥遥无期

然而，历经几十年的研究，各家企业的商业化大规模生产固态电池计划却一再“跳票”延迟。可见其技术还面临着一些现实问题需要突破。

固态电解质作为全固态电池的核心材料，研究其体相与表界面的锂离子输运机制至关重要。这是进一步提升离子导电率、创制新型固态电解质材料、改善全固态电池性能、推动固态离子学科发展的科学基础。

而高机械强度的固态电解质其实仍然难以完全抑制锂金属枝晶的生长，造成全固态电池的快速容量衰减与安全隐患。固态电池的界面阻抗过大，固态电解质与电极材料之间的是以固态状态存在联系的，因此电极与电解质之间的有效接触较弱，离子在固体物质中传输动力学低，也就会造成界面阻抗过大的问题。厘清锂金属在固-固界面的界面电化学过程及其枝晶生长过程是实现高比容锂金属负极长效稳定循环的先决条件。

全固态电池中的离子输运、界面电化学等物理化学过程具有鲜明的多场耦合特征，也就是温度场、应力场、湿度场等多个物理场的叠加问题。因此，全面考量多场耦合效应，建立真实工况下全固态电池复杂体系的物理化学模型，揭示其多场耦合下的失效、失控机制是优化全固态电池电化学性能的重要科学支撑。

此外，从实验室到规模化制造，也依然存在着很多问题。制造固态电池是一个大工程，不仅意味着成本管理的重新考量，更重要的是整个供应链条、生产线的重新设计。各家企业面临的问题也是五花八门。

2021年，曾经信誓旦旦表示固态锂电池会在2023年量产的美国电动汽车公司Fisker，宣布彻底放弃固态电池计划，原因是无法落地。其创始人无奈地接受了当初雄心勃勃的尴尬，“固态电池是一种这样的技术，当你觉得你已经完成了90%，几乎达到目标时，然后你意识到剩下的10%比前面的90%困难得多。”

而另一家成功将固态电池规模化运作的法国公司博洛雷，其固态电池能量密度仅有100Wh/kg，远远低于市场预期。2019年，这一项目正式宣布破产。

今年早些时候，丰田首席技术官前田正彦对媒体表示，“坦率地说，情况并不乐观。”因为，事实证明，硫化物固态电池的开发非常复杂，对于液态电解质，所需要的只是浸入电极，但是固体电解质则需要特殊的技术粘合材料。

此外，还有宣布与大众合作启动生产线建设的明星企业QuantumScape，宣称其固态电池预计在2025年可投产，但是其采用的无机氧化物固态电解质层，重量是传统锂电隔膜的10倍以上，由于固态电解质离子电导率低，影响了放电倍率和低温工况下的性能，该公司不得不在电池正极侧添加不少于20%质量的氧化物提供离子电导。这些非活性物质的增加，使得电池的能量密度降低，有媒体报道，QuantumScape电池能量密度可能还不到350Wh/kg，很难达到固态电池理论能量密度的峰值水平。其安全性也令人生疑，当提到该公司造出并交付给汽车客户的首批原型固态电池时，其创始人、CEO兼董事长Jagdeep Singh提到这批电池产品的可靠性“仍有很大提升空间”。

同时，在生产方面，固态电池对材料的加工精度要求也很高。QuantumScape研发的固态电池，大尺寸、超薄陶瓷制备、800℃烧结成型、表面目视无缺陷的苛刻要求，让良品率非常低。

面对这些商业化难题，国内不少厂商另辟蹊径，走出了一条液态、半固态到全固态的发展路线。

卫蓝新能源、SES、浙江锋锂等电池厂商就从全固态转向了半固态的典型代表。今年3月，卫蓝新能源首席科学家、创始人李泓曾透露，卫蓝新能源开发了一款混合固液电解质动力电池，将在蔚来ET7车型上量产应用。据了解，其单次充电1000km，电池包电量达到150kWh，单体能量密度达到360Wh/kg。宁德时代前段时间在上海车展中正式发布的凝聚态电池，也算是半固态电池，单体能量密度达到500Wh/kg，远超现有主流液态电池的能量密度。

半固态电池量产上车，是一个很重要的时间节点。根据工信部公告显示，蔚来将有三款车开始使用半固态电池。赣锋锂业控股子公司赣锋锂电在其官方微信公众号上宣布，搭载赣锋锂电三元固液混合锂离子电池的纯电动SUV赛力斯-SERES-5规划于2023年上市。岚图汽车在旗下首款轿车追光的发布会上也宣布，追光搭载82kWh电池包，将成为行业首个量产装车的半固态电池。

半固态虽然名字上跟固态电池很相似，可实际上与液态锂离子电池关系更近。而且，如果无法做到根本性的大容量、快充、高安全性，不管它的名称是否与“固态”有关，本质上仍然也只是个暂时的折衷方案。

而且，就算暂时选择了半固态电池，仍然有很多厂商未完全放弃对于全固态电池的研发。

2021年5月，宁德时代就曾表示，已经可以完成固态电池的样品；今年1月，公开资料显示宁德时代新增了两项有关固态电池的专利，分别为“一种固态电解质的制备方法”和“一种硫化物固态电解质片及其制备方法”。比亚迪近期也在股东会上透露，目前在电池方面的研发人员超过1万多人，同时其内部对于固态电池和钠离子电池的研发都依然在进行中。

谁能率先摘取胜利之果？

新能源电池领域的科技水平发展越来越快，目前在固态电池领域也迎来新的增长情况，申请已公开专利1932件，并于2020年达到了申请量的阶段性顶峰，该年专利申请量为历年之最共计465件。截止2022年4月15日，固态电池公开专利为226件，申请专利量为12件。

虽然现在固态电池还未正式应用在汽车上，但在消费电子、无人机等终端设备之上，却已经得到了不少的应用。根据欧阳明高的预测，固态电池真正在汽车领域大规模商业化应用，大概的时间是在2025-2030年之间。

各国政府近年陆续出台政策扶持新能源汽车行业，多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划：2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变，2030年研发出商业化全固态电池。

欧洲谋求在固态电池领域翻盘，各大车企纷纷投资固态电池初创企业。法国波诺雷集团是第一家也是目前唯一一家真正实现全固态电池量产的公司。2011年，该集团以聚合物作为固态电解质，锂金属作为负极成功制备全固态电池，并以此为供能装置，批量生产了250辆电动汽车。但此款电动汽车仅装配30度电，续航约为250km，还需要将电池运行环境温度维持在60℃左右。

2020年，美国SolidPower公司宣布第一代全固态锂金属软包电池产线已进入试验阶段，可制备能量密度为320Wh/kg的全固态电池，预计在2025进行批量生产。

目前全球范围内，日本企业的固态电池技术较为领先，许多日韩企业选择抱团研发。自从2008年开始牵头研发固态电池以来，丰田签署的合作伙伴有很多，截至2022年专利累积到1300多项。正如本文开头所说，丰田电动汽车部门宣布，2027年前后开启固态电池电动汽车新时代。

韩国的三星集团已于2022年开始建设全固态电池试产线，计划于2027年正式投产。韩国还是唯一由政府出面、组织固态电池在内的一揽子“先进电池技术”攻关项目的国家。4月20日，韩国宣布，将由政府和企业共同出资20万亿韩元（约合1050亿元人民币），目标则是“维持韩国在动力电池领域的绝对实力”。

尽管固态电池面临一些挑战，但研究和开发工作仍在进行中，并取得了一些进展。可以看到，许多科研机构和企业仍在投入大量资源进行固态电池技术的研究和商业化开发，例如努力开发新的制造方法和工艺，以降低成本并提高制造效率。同时，材料科学和工程领域的创新也有助于开发更经济高效的固态电池材料和组件。

从技术研发、规模量产，到成本控制、商业运作，每一步都有着曲折和坎坷，但在固态电池这条路上，所有人都还在同一条跑道上全力冲刺，想尽办法接近那个代表着无限梦想的胜利之果。到底需要多久才能实现？谁又会成为那个最终的赢家？让我们拭目以待。

>>丰田的固态电池概念车。

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