鉅大LARGE | 點擊量：691次 | 2022年12月09日
傳統鋰電池5年將達到性能極限!長線布局首選哪種電池？
動力電池是新能源汽車的心臟，動力電池性能對整車性能起著決定性的作用。
在當前鋰離子電池體系下，依靠高鎳三元正極、硅碳負極和電解液的組合將在3-5年內達到性能極限（能量密度上限350Wh/Kg），但仍無法徹底滿足動力電池對安全性、能量密度與成本的要求。
而由于固態電池在安全性與能量密度方面具備更大潛力，近年來受到了學術界與產業界的廣泛關注。
今天我們就來對固態電池的原理、優點、研發現狀、前景等方面進行系統性的了解，揭示重視固態電池的必要性。
固態鋰電池VS傳統鋰電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
固態鋰電池指電池電解質部分采用固態材料的鋰二次電池。固態電池與傳統鋰離子電池不同在于固態電池以固態電解質替代了傳統鋰離子電池的電解液、電解質鹽、隔膜。
一直以來，安全性、能量密度和循環壽命是對動力電池的三大要求。由于固態電池在這三方面均具備優于傳統鋰離子電池的潛力，因此也被視為下一代電池技術：
固態電池優點一：安全性高，無自燃、爆炸風險。采用有機電解液的傳統鋰離子電池，在過度充電、內部短路等異常情況下容易導致電解液發熱，有自燃甚至爆炸的危險。全固態鋰電池基于固態材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，且有望克服鋰枝晶現象。半固態、準固態電池仍存在一定的可燃風險，但安全性也較液態電解液電池提高。
固態電池優點二：能量密度高，有望徹底解決電動汽車里程焦慮。目前技術體系下鋰離子電池已經接近性能極限，特斯拉NCA18650電芯能量密度達到250Wh/Kg，應用于Model3的21700電芯能量密度約300Wh/Kg，支持的續航里程約400至500公里，仍無法徹底解決里程焦慮。
而對于固態電池而言，一方面固態電解質無需隔膜與電解液，這兩部分在傳統鋰離子電池中加起來占據近40%的體積和25%的質量，另一方面由于沒有漏液、腐蝕等問題，可以簡化電池外殼及冷卻系統模塊，進一步減輕電池系統重量。此外，配套新的正負極材料可以使得電化學窗口達到5V以上，可以從根本上提高能量密度，有望達到500Wh/Kg，同等電池容量的情況下有望將續航里程提高到600至700公里。
此外，固態電池還具有循環壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充電等優點。
按照電解質材料的不同，固態電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質屬于有機電解質，氧化物和硫化物屬于無機陶瓷電解質。總體來說，聚合物電解質技術最成熟，已經率先實現小規模量產，但是理論能量密度不及其他兩類電解質；氧化物電解質性能優于聚合物電解質，但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應用于消費類電子領域，非薄膜型氧化物電池技術相對還不夠成熟；硫化物電解質理論上最適合于電動汽車領域，但是開發難度最大。
按照正負極材料的不同，固態電池還可以進一步分為固態鋰離子電池（沿用當前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負極、三元正極等）和固態鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。由于固態鋰離子電池與當前的電池體系最為接近，日韓本身又擁有成熟的鋰電產業鏈，因此目前日韓企業大多采用硫化物+固態鋰離子電池的路線。而歐美初創企業則立足于顛覆性的技術，大多采用聚合物/氧化物+固態鋰金屬電池的路線。
國外企業布局情況
整車企業在固態電池領域的布局可以分為內部研發和對外投資兩類。前者以豐田為代表，后者以寶馬、大眾為代表。可以看到2017年以來不論是哪種路線，整車企業的動作都有所加快，而造成兩者策略差異的主要原因在于整車企業前期積累的多少。
豐田歷來在電池技術上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到Mirai燃料電池，豐田都是業界最早將新能源技術應用于整車層面的車企。
在固態電池領域，豐田目前憑借三方面戰術進一步鞏固先發優勢：
1、內部研發積累大量專利，在新技術上有絕對的自主權，同時豐田表示將在2030年之前投資在相關電池研發的資金可能超過130億美元；
2、由日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）牽頭投資100億日元，豐田、本田、日產、松下等23家日本汽車、電池和材料企業，以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究，計劃到2022年全面掌握全固態電池相關技術；
3、與松下合作固態電池研究，從不同層面去研究和解決問題，為第四代電芯小規模量產打基礎。
從技術路線上來看，豐田主要是基于固態鋰離子電池，采用石墨類負極、硫化物電解質與高電壓正極的組合，并計劃于2022年實現商品化。但是豐田固態電池目前的主要問題在于循環壽命還較短（小于3年），這也是豐田下一階段的研發重點。
以大眾、寶馬為代表的車企在固態領域的積累不及豐田，但是近年來明顯加快了布局的步伐。2017年底寶馬與SolidPower建立合作伙伴關系共同研發固態電池，2018年中大眾向QuantumScape投資1億美元，并計劃在2025年實現固態電池量產。與此同時，寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發中心，開始涉及電芯級別的技術驗證和開發。與豐田主要依靠內部研發不同，對于大眾、寶馬等德系車企來說，投資初創企業快速獲取固態電池的相關專利、同時通過內部研究加深對下一代電池技術的理解，是一條效率更高的道路。
不過也并非所有企業都在進軍固態電池領域。特斯拉作為電動汽車同時也是動力電池的領軍者，目前還沒有在固態電池方面擁有一件專利。檢索與特斯拉相關的專利數據，可以發現特斯拉在電池領域總共擁有244件專利，但主要集中在電池系統、電池包和充電領域，而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態電池“有一定前景”，但是距離技術成熟還需要時間，目前也不足以“改變特斯拉的戰略”。
特斯拉的Model3車型采取了以NCA為正極材料的松下21700圓柱型電池，電芯能量密度可以達到300Wh/Kg，甚至超過了部分半固態鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅持目前的材料體系并通過Gigafactory的擴產來快速降低電池成本，進一步擴大在這一代電池技術上的優勢。
此外，作為全球最大的汽車零部件供應商，博世在今年年初宣布放棄對電池生產環節的投資，并出售了之前收購的從事固態電池研發的子公司SEEO。博世仍然看好固態電池的技術方向，但是對于重資產的生產環節進行投資非常謹慎。博世預計投資建設200GWH的動力電池產能（20%市場份額）需要200億歐元左右的投資，而制造成本中接近3/4都是材料成本，不利于發揮競爭優勢。因此博世的態度是“需要了解電池技術，但不必親自制造電池。”
另外，電池初創企業也是一股新生力量，在固態電池領域受關注度較高的初創企業主要包括SEEO、Sakti3、SolidEnergy、QuantumScape。
從融資情況來看，SEEO獲得了三星等公司的投資，Sakti3獲得了由通用汽車公司為首的共計2000萬美元的投資，SolidEnergy則獲得了通用汽車和上汽等公司的1200萬美元投資。今年6月QuantumScape獲得德國大眾汽車公司1億美元的投資。
這些初創企業大多由美國高校的研究人員創辦，它們選擇的電解質主要可以分為聚合物、氧化物兩大體系。
SEEO通過和勞倫斯伯克利國家實驗室共同研發DryLyte（一種可以循環使用>2000次的固態電解質/隔膜），于2012年將該技術應用于（Li/LFP）電池；2016年，通過開發NCx系統、新的鋰箔凈化和軋制方法，SEEO規劃在未來3年擴大量產規模和提升電池能量密度（達到450Wh/kg即大于30Ah）。
SolidEnergy起步晚但公司采用了折中的半固態電解質+鋰金屬負極路線，其獨特之處在于：
1、采用突破性的固體保護涂層（陽極-裂解物）組成了聚合物和無機材料，這種固體保護涂層直接應用到經過表處理的鋰金屬陽極上可以用來抑制鋰枝晶的生長。它具有高鋰離子導電率但是與液體電解質不混溶；
2、采用革命性的液體電解質（陰極-裂解物）具有高鋰電鍍和剝離效率、在高壓陰極有高氧化穩定性并且能降低溶劑揮發性；
3、采用一種創新的電池組裝工藝可以最大限度地提高電池能量密度，解決循環過程中的體積膨脹問題，并且使得鋰金屬可以通過現有的鋰離子電池基礎設施被規模化地制造出來。
2017年SolidEnergy從特種航天領域入手推出容量為3Ah的HermesTM電池，質量和體積能量密度分別達到450Wh/Kg和1200Wh/L，目前以每月5000個電池的速度量產，并且通過了第三方的檢測。
氧化物電解質體系主要分為薄膜型和和非薄膜型。薄膜型固態電池以Sakti3為代表。這一類電池具有良好的倍率及循環性能，但是電池容量較小，目前僅能用于消費電子類產品。Sakti3目前也被英國家電巨頭Dyson收購。非薄膜型固態電池以QuantumScape為代表。這一類電池整體性能指標較為均衡，離子電導率高于聚合物電解質、電池容量大、可量產，是理想的電解質材料之一。目前QuantumScape正在與大眾合作推進固態電池的產業化。
國內固態電池進展
國內固態電池研發主要依托于中科院等科研機構，不過近幾年部分企業開始嘗試進行科研成果的產業轉化，例如贛鋒鋰業與中科院寧波材料所許曉雄團隊合作、中科院物理所與衛藍新能源合作等。總體來看，國內的固態電池研發呈現較為分散的格局，而且國內產業界（包括整車企業與電池企業）在固態電池領域的積累遠不及豐田等國外競爭對手。
中科院青島能源所儲能院崔光磊團隊長期從事復合聚合物固態電解質研究，目前已研制出全海深高能量密度高安全固態鋰電池動力系統，能量密度達300Wh/Kg，并且在馬里亞納海溝完成1萬米的高壓環境下完成深海測試。
中科院寧波材料所許曉雄團隊從事氧化物與硫化物固體電解質研究，已經開發出能量密度達到260Wh/Kg的10Ah固態單體電池。借助寧波材料所的技術，江西贛鋒鋰業在寧波當地投資5億元人民幣籌建億瓦時固態動力鋰電池生產線。第一代固態鋰電池技術通過中汽研汽車檢驗中心檢驗，放電容量約13Ah，能量密度約245Wh/Kg，循環1000次后容量保持率大于90%。
