固態(tài)電池才是新能源汽車的“最后一站”？

2024年1月，大眾汽車的電池子公司PowerCo宣布，其合作伙伴QuantumScape已成功通過其首批固態(tài)電池的耐久性測試，實現(xiàn)超過1000次的充放電循環(huán)，同時保持超過95%的容量。此前，2023年9月，美國固態(tài)電池上市公司Solid Power宣布，其首批A-1固態(tài)電池樣品已正式交付給寶馬進(jìn)行汽車驗證測試，寶馬計劃到2025年推出基于Solid Power固態(tài)電池技術(shù)的首款原型車。

隨著下一代汽車電池技術(shù) —— 固態(tài)電池技術(shù)的進(jìn)步和突破，傳統(tǒng)液態(tài)電池的地位正受到挑戰(zhàn)。

固態(tài)電池為何備受矚目？

因為技術(shù)路線不同，汽車電池技術(shù)劃分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大陣營。在性能、安全、成本這三大因素的綜合作用下，磷酸鐵鋰和三元電池的市占率此消彼長。不變的是，為贏得市場競爭優(yōu)勢，車企都追求長續(xù)駛里程吸引消費者，通過優(yōu)化電池包物理結(jié)構(gòu)以及多“堆”電池，實現(xiàn)增加車輛續(xù)駛里程，CTP技術(shù)、滑板底盤等應(yīng)運而生。

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，2025年動力電池的能量密度目標(biāo)為400Wh/kg，2030年目標(biāo)為500Wh/kg。想達(dá)到2030年的目標(biāo)，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線恐難擔(dān)大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。

傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四大關(guān)鍵要素組成，鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的來回移動過程中，電池的充放電過程便完成了。而固態(tài)電池則是一種使用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池，充電時正極中的鋰離子從活性物質(zhì)中脫嵌，通過固態(tài)電解質(zhì)向負(fù)極遷移。

固態(tài)電池與液態(tài)鋰離子電池的區(qū)別

在傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的充放電過程中，電極表面很容易發(fā)生副反應(yīng)。例如，陽極電極表面形成的鋰枝晶很容易穿透隔膜，造成陰極和陽極電極之間短路，導(dǎo)致電池起火。另外，電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會加劇。新能源汽車市場容量快速擴(kuò)大，液態(tài)電池在安全性方面面臨著巨大挑戰(zhàn)，動力電池對于高能量密度與高安全性的迫切需求推動著固態(tài)電池的發(fā)展。與液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電池具備高安全性、高能量密度、體積小、耐低溫等優(yōu)勢。

· 安全性高：由于固態(tài)電池的電解質(zhì)固態(tài)化，不含易燃易爆、易揮發(fā)等成分，可徹底消除電池因漏液引發(fā)的電池冒煙、起火等，以及在充放電過程中生成鋰枝晶造成的安全隱患，被稱為最安全電池體系。

· 能量密度高：固態(tài)電池能使用能量密度更高的活性材料，例如，基于金屬鋰陽極的固態(tài)電池的能量密度可超過500Wh/kg，而液態(tài)鋰電池的理論能量密度極限為350Wh/kg。目前，傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池已接近其理論能量密度極限，進(jìn)一步改進(jìn)的空間很小。

· 體積小：傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據(jù)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(jī)和無機(jī)陶瓷材料兩個體系），正負(fù)極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)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。

· 溫度范圍更廣，循環(huán)使用壽命更長：固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性可以減緩電池中的失活和退化過程，不僅可以延長電池的使用壽命，還能阻止金屬鋰的電極枝晶生長，減少電極的體積膨脹和損壞，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

另外值得補(bǔ)充說明的是，液態(tài)鋰電池往往需要先將單體電芯封裝完成后先并聯(lián)再串聯(lián)，若想省流程直接串聯(lián)，則會導(dǎo)致正負(fù)極短路。而固態(tài)電池由于內(nèi)部不含液體，不存在短路的問題，可直接串聯(lián)組裝。還有對于固態(tài)電池，因為其高安全性，可簡化甚至不需要冷卻系統(tǒng)，所以固態(tài)電池的實際量產(chǎn)過程中，其成組成本會更低，整個生產(chǎn)流程更簡單。

固態(tài)電池階段發(fā)展之路

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心部件，在很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。固態(tài)電池按照其電解質(zhì)的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線。

目前氧化物體系進(jìn)展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進(jìn)展。氧化物的綜合發(fā)展性較為均衡，其他兩種的電解質(zhì)均存在高成本或研發(fā)難度大等問題，不能達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的要求。

展望固態(tài)電池未來發(fā)展趨勢，技術(shù)上步步為營，采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。依據(jù)電解質(zhì)分類，鋰電池可分為液態(tài)、半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)四大類，其中半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池，區(qū)別在于所包含的液體電解質(zhì)質(zhì)量。

其中，半固態(tài)電池的液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比小于10%，準(zhǔn)固態(tài)電池液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比小于5%，而全固態(tài)不含有任何液體電解質(zhì)，其電解質(zhì)材料為固態(tài)?，F(xiàn)階段電池體系包含部分液態(tài)電解質(zhì)以取長補(bǔ)短，逐漸減少液體的使用，從半固態(tài)電池到準(zhǔn)固態(tài)電池，最終邁向無液體的全固態(tài)電池。

固態(tài)電池“三步走”路線圖

固態(tài)電池的迭代過程中，液態(tài)電解質(zhì)含量將從20wt%降至0wt%，電池負(fù)極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至500Wh/kg，電池工作溫度范圍擴(kuò)大三倍以上。預(yù)計在2025年前后，半固態(tài)電池可以實現(xiàn)量產(chǎn)，2030年前后實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。

目前在全球范圍內(nèi)，全固態(tài)電池主要處于研發(fā)和試制階段。從液態(tài)電池到固態(tài)電池，首先會面臨電解質(zhì)材料的變更，進(jìn)而帶來工藝上的轉(zhuǎn)變。目前日韓和歐美等海外企業(yè)更傾向于硫化物技術(shù)路線，致力于全固態(tài)電池的開發(fā)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對緩慢；而國內(nèi)企業(yè)多數(shù)選擇氧化物技術(shù)路線，研發(fā)的產(chǎn)品多為半固態(tài)電池。

全球汽車制造商之所以熱衷于開發(fā)全固態(tài)電池，是因為消費者對里程的需求依然強(qiáng)勁。材料技術(shù)、制備技術(shù)不夠成熟、生產(chǎn)成本過高，成為制約全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的主要因素。行業(yè)普遍認(rèn)為，全固態(tài)電池距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化至少還需5年時間。正因如此，半固態(tài)電池成為公認(rèn)的更利于產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線，而全固態(tài)電池極有可能成為電動汽車市場爆發(fā)式增長的催化劑。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化仍需時間

目前，全球都在加快固態(tài)電池的研發(fā)，在固態(tài)電池正是量產(chǎn)之前，還有幾個關(guān)鍵技術(shù)問題亟待攻克。例如，固態(tài)電池的低電導(dǎo)率和高界面阻抗，讓鋰離子在電池內(nèi)部傳輸效率過低，影響了電池的快充能力和循環(huán)壽命，同時也無法讓電池的容量正常釋放。

· 固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率偏低。所謂離子電導(dǎo)率指的是鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)移動的順暢情況。固態(tài)電池的電導(dǎo)率普遍低于液態(tài)離子電導(dǎo)率，比如聚合物電解質(zhì)，其離子電導(dǎo)率甚至比液態(tài)離子電導(dǎo)率差了多個數(shù)量級。

· 固體電解質(zhì)與電極間的界面阻抗較大。傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間是固液接觸，界面潤濕性良好，可以說是“嚴(yán)絲合縫”，界面之間不會產(chǎn)生大的阻抗。但是固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極是固固接觸，接觸效果差了一大截，所以鋰離子在界面之間的傳輸阻力更大。

此外在固態(tài)電池中，除了電解質(zhì)和電極之間的界面，電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級界面，電化學(xué)以及形變等因素都會導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。長期使用時穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。固態(tài)電池在服役過程中結(jié)構(gòu)與界面會隨時間發(fā)生退化，但退化對電池綜合性能的影響機(jī)制尚不明確，難以實現(xiàn)長效應(yīng)用。

而構(gòu)建高性能固態(tài)電池需要從兩方面入手，一是構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì)，二是提高界面的相容性和穩(wěn)定性。目前，可以通過兩個手段解決這一問題：第一個是加強(qiáng)材料的處理能力，讓界面越來越完整，接觸越來越充分；第二則是在材料選擇過程中，根據(jù)不同類型的材料，結(jié)合不同的材料體系、物理性能做復(fù)合，最終形成一種復(fù)合材料，其中，有無機(jī)的材料部分更多為了彌合界面的接觸，無機(jī)的材料部分主力傳導(dǎo)離子。

除了技術(shù)的限制，阻礙固態(tài)量產(chǎn)的另一個老大難就是成本，固態(tài)電池要想與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池一較高下，電池降本至關(guān)重要。由于固態(tài)電解質(zhì)用量的增加，全固態(tài)電池成本相比混合固液電池會進(jìn)一步增加。目前固態(tài)電池較液態(tài)電池成本高出30%以上，預(yù)計半固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)后，成本比液態(tài)鋰電池高10%-20%。彭博新能源財經(jīng)預(yù)計，固態(tài)電池將首先在高端電動汽車中采用，其成本將在2032年下降至與傳統(tǒng)鋰離子電池的同等水平。

固態(tài)電池得到資本高度青睞的同時，也在經(jīng)受著同樣力度的質(zhì)疑。其中，最常被大寫加粗的懷疑角度是：量產(chǎn)進(jìn)度。這個問題的答案，我們可以從世界各大汽車公司的固態(tài)電池上車時間表中一窺端倪。技術(shù)和成本是擋住固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化道路的兩座大山，在短期內(nèi)無法跨越，到2035年電動車全固態(tài)電池的市場滲透率預(yù)計不會超過15%。鋰電產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€至少還有10年良好前景的行業(yè)。

因此，投資者的熱情也沒有前幾年那么積極，根據(jù)金融數(shù)據(jù)和軟件分析公司PitchBook的數(shù)據(jù)，2023年固態(tài)電池公司的全球風(fēng)險投資交易額下降了72%，降至1.46億美元，是近五年來的最低值。投資公司Ibex Investors合伙人杰夫·彼得斯（Jeff Peters）稱，“投資者對固態(tài)電池的興趣已經(jīng)減弱，他們正在質(zhì)疑固態(tài)電池的風(fēng)險是否值得?！?/p>

固態(tài)電池面臨著漫長的研發(fā)周期，憑借鋰離子電池的持續(xù)進(jìn)步，固態(tài)電池技術(shù)對于未來電動汽車可能“并非必要”。從目前市面上的動力電池來看，確實也可以滿足眼下的用車需求：800V超高壓已經(jīng)快成為新勢力們的標(biāo)配了，甚至900V、1200V也都在路上。兩種技術(shù)正處于激烈的競爭中，誰將勝出尚不得知。

但是不得不直面的問題是：固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化將會重塑現(xiàn)有的鋰電池供應(yīng)鏈，像隔膜和液態(tài)電解質(zhì)企業(yè)，如果不能及時轉(zhuǎn)型升級，將面臨被“顛覆”的結(jié)局。從固態(tài)電池的發(fā)展階段來看，科研人員還在逐步完善固態(tài)電池的一些缺陷，并且也在等待其商業(yè)化量產(chǎn)的契機(jī)。新能源電動汽車的爆發(fā)可謂是跨時代的一筆，而固態(tài)電池取代液態(tài)鋰電池也將是革命性的。

全固態(tài)電池已成為下一代電池技術(shù)競爭的制高點。發(fā)展全固態(tài)電池已被日本、韓國、美國、歐盟等主要國家和地區(qū)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，全球企業(yè)都在積極進(jìn)軍這一領(lǐng)域。

日本在研發(fā)方面起步較早，在專利申請方面處于領(lǐng)先地位，積累了全球最多的固態(tài)電池專利技術(shù)，像豐田和日產(chǎn)這樣的日本公司已明確表示，計劃在2028年左右實現(xiàn)ASSB的大規(guī)模生產(chǎn)。在韓國，主要的電池制造商如三星SDI、SK Innovation和LG Energy Solutions繼續(xù)投資于研發(fā)，三星SDI在2023年完成了全固態(tài)電池試生產(chǎn)線（S-line）的建設(shè)，并計劃在2027年實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

雖然中國目前是世界上最大的鋰電池生產(chǎn)國，但在全固態(tài)電池的專利布局方面，與國際企業(yè)仍有較大差距。中國固態(tài)電池技術(shù)路線多樣，主要集中在半固態(tài)/固液混合電池，其中半固態(tài)電池已實現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)并在汽車上應(yīng)用。