中國儲能網(wǎng)訊：近日，獲得德國大眾及上汽集團等多家車企等投資的固態(tài)電池公司QuantumScape表示，其鋰金屬電池將很快應用到汽車和卡車上，引起產(chǎn)業(yè)圈和資本圈的重點關注。且Quantum Scape于今年11月上市。

百靈研究特邀固態(tài)電池資深專家，就這個主題來做個深入解析。

1. 為什么要發(fā)展固態(tài)電池

續(xù)航里程是制約電動汽車發(fā)展的核心原因，提升續(xù)航里程主要靠提升電池能量密度，而鋰離子電池能量密度主要是由正負極的材料體系決定的，現(xiàn)有正負極材料體系的限制下，鋰離子電池包的極限能量密度難以達到要求。

如果希望提高能量密度，需要更換正負極材料，比如負極用上鋰金屬，但鋰金屬負極對于電池的要求很高，也就因此有了固態(tài)電池。

#插曲# 其實金屬負極電池早于石墨負極電池

鋰電池早期就是鋰金屬負極+固態(tài)電解質(zhì)材料，鋰金屬電池曾被Moli公司商業(yè)化。但鋰金屬在電池的充放電過程中會形成“枝晶”并快速長大，刺破隔膜造成內(nèi)短路，使得電池內(nèi)部熱量急劇聚集、溫度極速上升，最終會導致電池的起火爆炸。當時，在尋求解決鋰枝晶問題時，發(fā)現(xiàn)石墨能緩解鋰枝晶問題，鋰離子電池由于石墨負極的發(fā)現(xiàn)，被日本sony推向市場。

#插曲完#

石墨負極適用于能量密度低的場景，如希望能量密度，就需要重新面對鋰金屬負極，解決抑制鋰枝晶的問題。固態(tài)電解質(zhì)有希望提高電池安全性。這也就是固態(tài)電池被大家關注的原因。

2. 當前主流固態(tài)電池的實際情況

當前主流液態(tài)電解質(zhì)電池里，液態(tài)電解液占整個電池的質(zhì)量分數(shù)15%~25%。現(xiàn)在通常所說固態(tài)電池，比如國內(nèi)北京衛(wèi)藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、臺灣輝能等產(chǎn)品，實際上是固液混合電池，電解液含量在1%到10%不等。而嚴格定義的全固態(tài)電池是沒有任何電解液的，也就是說電解液的質(zhì)量分數(shù)占比為0，這種電池內(nèi)完全由固態(tài)電解質(zhì)作為導體介質(zhì)。

3. 固態(tài)電池優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點

1) 高安全性：固態(tài)電解質(zhì)比液態(tài)電解液的燃點高很多，不易燃且不會發(fā)生流動和滲漏。

2) 提升能量密度：固體形態(tài)可抑制鋰枝晶的生長，能夠使鋰金屬負極成為可能。鋰金屬負極電池能量密度能夠提升35%以上，如果用高鎳三元NCM811作為正極，電池能量密度就可達500Wh/kg以上，用磷酸鐵鋰做正極，電池能量密度也可以達到300Wh/kg以上。

3) 減少活性物質(zhì)，提升能量密度：鋰離子電池兩面在同一個集流體里，一個是正極，一個是負極，因此它的內(nèi)部必須是并聯(lián)，需要有外部的串并聯(lián)裝備，所以有一部分非活性的成分。但固態(tài)電池可以用雙極技術(shù)在電池內(nèi)部直接串聯(lián)；不需要非活性成分，也不需要冷卻系統(tǒng)，由于固態(tài)電池去除了非活性成分，固態(tài)電池能量密度能夠提升很多，提升40%的空間。

4) 使得柔性化成為可能：固態(tài)電解質(zhì)不怕滲漏也不怕?lián)p壞，電池可以實現(xiàn)拉伸幅度300%以上。這種可彎曲的電池可用于可穿戴及形變量很大的地方。

3.2 缺點

1) 界面阻抗增加，導致體積變化大：固態(tài)電池正負極因無電解質(zhì)，通過面與面接觸實現(xiàn)快速的導鋰，會增加界面阻抗，使得能量消耗在內(nèi)部且無法實現(xiàn)快充。且正極和負極充放電過程中體積是變化的，在達到10%以上。基于此，在電池循環(huán)的過程中，固固界面的接觸存在一個很大的問題。這也導致了固態(tài)電池量產(chǎn)難度加大，還不能像鋰離子電池一樣迅速產(chǎn)業(yè)化。

2) 成本高昂：由于產(chǎn)業(yè)尚處于初期，所以固態(tài)電池材料成本較為高昂，如典型氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料——鋰鑭鋯氧（LLZTO），目前售價為200美元/公斤，而如果是硫化物，更前沿一些的鋰硅磷硫材料或鋰磷硫材料，價格均在10萬美金/公斤以上，成本非常高昂。

4. 固態(tài)電池主要的技術(shù)路線及分類（更正：圖中氫化物實際為氧化物）

目前全固態(tài)鋰電池主要分為4種不同的技術(shù)路線：

1）薄膜全固態(tài)：正、負極、固態(tài)電解質(zhì)都非常薄（厚度為微米級別），通過化學氣相沉積（CVD）或者物理氣相沉積（PVD）的方式來實現(xiàn)，這種技術(shù)路線電池容量小，能量密度較低（因為總體容量較低）。但循環(huán)性較好，適應高電壓，典型代表如LiPON的薄膜固態(tài)電解質(zhì)材料，主要用于電子器件等高精尖的產(chǎn)業(yè)，也可能應用于對安全性能要求高的場景，但不適用于電動汽車、無人機、航空航天設備等場景。

2）聚合物全固態(tài)：材料體系主要是聚環(huán)氧乙烷（PEO）體系。主要優(yōu)點是容易加工，可以制備大容量電芯、機械性較軟，各項性能和目前使用的電解液（本質(zhì)是有機溶劑）有類似之處。因此生產(chǎn)線基接近于聚合物固態(tài)電池生產(chǎn)線，所以是最容易利用現(xiàn)有的設備通過改造實現(xiàn)量產(chǎn)的固態(tài)電池。主要缺點：1） 離子電導率最低，必須加熱到60或85℃以上，離子電導率才會提升，接近10-3 S/cm，2） 容易短路（由于聚合物較為柔軟，因此鋰枝晶容易穿透固態(tài)電解質(zhì)，造成短路）；3） 能量密度有局限，由于聚合物是有機物，電化學穩(wěn)定性不好，跟磷酸鐵鋰兼容性好，跟三元兼容性不好，導致能量密度無法提升。

3）氧化物全固態(tài)：導電率高于聚合物，氧化物的離子電導率可達到10-4~10-5 S/cm，通過摻雜能夠達到10-3 S/cm的級別，所以可以在低溫下實現(xiàn)導鋰，而且可耐受高電壓，比聚合物明顯在高電壓下更穩(wěn)定。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。主要缺點：1）氧化物的機械性能堅硬，如果用其制作電解質(zhì)片，較容易脆裂；2）固-固接觸也不是太好，造成大容量電芯很難制備。但就目前國內(nèi)來說，氧化物體系最為流行。例如以衛(wèi)藍為代表的國產(chǎn)品牌等多使用氧化物作為電池材料。

4）硫化物全固態(tài)：硫化物本身的離子電導率最高、接觸性又好，所以它整體的離子電導率性能非常好。是全固態(tài)電池未來最可能的技術(shù)路線。但該產(chǎn)品產(chǎn)品價格非常高、空氣穩(wěn)定性較差。硫化物在空氣中，尤其是與水接觸后，直接就產(chǎn)生H2S，H2S不僅有毒，而且也有臭味。這是使用中的最大問題，限制了它的廣泛應用。

5. 國內(nèi)外主要固態(tài)電池公司以產(chǎn)業(yè)化進度 根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，固態(tài)電池將在2025年逐步實現(xiàn)商業(yè)化，在2030年成為動力電池主要技術(shù)路線。在此背景下，世界上主要國家均在大力布局該領域：

1）歐美

主要包括Cymbet、Quantum Scape、SolidPower、Polyplus、24M、 Sakti3等公司：

Cymbet：美國的一家薄膜固態(tài)電池公司，做薄膜全固態(tài)；

24M：麻省理工蔣業(yè)明教授創(chuàng)立（A123創(chuàng)辦者），目前做的是半固態(tài)的概念，把正負極都做厚。 與英國戴森合作的Sakti3。曾經(jīng)比較輝煌，目前已經(jīng)倒閉，但曾經(jīng)比較輝煌。

Quantum Scape：近期比較熱門的公司，且已在美股上市，已獲得大眾、德國大陸及國內(nèi)上汽集團等車企的投資；

美股SEEO公司，獲得德國博世的投資 德國寶馬自己在做固態(tài)電池。

2）中國 目前中國宣稱做固態(tài)電池的有很多，比如清陶、衛(wèi)藍、贛峰鋰業(yè)、無錫海特等。且CATL等電池龍頭企業(yè)均在大力研發(fā)固態(tài)電池，但未對外大規(guī)模宣布。此外，上汽、國軒高科等都在做。

3）韓國 韓國主要有三家，現(xiàn)代、LG化學、三星。三星2020年3月份時候在Nature Energy上發(fā)表了1000多循環(huán)的硫化物全固態(tài)電池，這也是目前公開數(shù)據(jù)中最好的硫化物全固態(tài)電池。

4）日本 日本投入固態(tài)電池的公司非常多，而且現(xiàn)在基本都是聯(lián)合開發(fā)，像豐田、松下、日立、NGK，都在一起做硫化物的全固態(tài)電池。

6. 固態(tài)電池的應用展望 日本日立公司在2017年開始做硫化物全固態(tài)電池，2019年供給航空宇宙飛船。所以從近期來看，固態(tài)電池可能應用于軍工、高精尖設備以及一些略顯小眾的市場。到中2025年、2030年的目標則是新能源車動力電池的市場。將來能量密度和安全性進一步提升以后，就會應用到電動船舶、電動飛機等運輸行業(yè)。如果成本降到一定程度的話，也會進入消費電子如手機電腦等市場。另外像航空航天國家安全以及大規(guī)模儲能這種技能領域，會隨著能量密度的提高和成本的降低逐漸覆蓋。