义乌新能源汽车~谈谈最近比较热门的固态电池

近日，获得德国大众及上汽集团等多家车企等投资的固态电池公司QuantumScape表示，其锂金属电池将很快应用到汽车和卡车上，引起产业圈和资本圈的重点关注。且Quantum Scape于今年11月上市。

百灵研究特邀固态电池资深专家，就这个主题来做个深入解析。

1. 为什么要发展固态电池

续航里程是制约电动汽车发展的核心原因，提升续航里程主要靠提升电池能量密度，而锂离子电池能量密度主要是由正负极的材料体系决定的，现有正负极材料体系的限制下，锂离子电池包的极限能量密度难以达到要求。

如果希望提高能量密度，需要更换正负极材料，比如负极用上锂金属，但锂金属负极对于电池的要求很高，也就因此有了固态电池。

#插曲# 其实金属负极电池早于石墨负极电池

锂电池早期就是锂金属负极+固态电解质材料，锂金属电池曾被Moli公司商业化。但锂金属在电池的充放电过程中会形成“枝晶”并快速长大，刺破隔膜造成内短路，使得电池内部热量急剧聚集、温度极速上升，最终会导致电池的起火爆炸。当时，在寻求解决锂枝晶问题时，发现石墨能缓解锂枝晶问题，锂离子电池由于石墨负极的发现，被日本sony推向市场。

#插曲完#

石墨负极适用于能量密度低的场景，如希望能量密度，就需要重新面对锂金属负极，解决抑制锂枝晶的问题。固态电解质有希望提高电池安全性。这也就是固态电池被大家关注的原因。

2. 当前主流固态电池的实际情况

当前主流液态电解质电池里，液态电解液占整个电池的质量分数15%~25%。现在通常所说固态电池，比如国内北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能等产品，实际上是固液混合电池，电解液含量在1%到10%不等。而严格定义的全固态电池是没有任何电解液的，也就是说电解液的质量分数占比为0，这种电池内完全由固态电解质作为导体介质。

3. 固态电池优缺点

3.1  优点

1) 高安全性：固态电解质比液态电解液的燃点高很多，不易燃且不会发生流动和渗漏。

2) 提升能量密度：固体形态可抑制锂枝晶的生长，能够使锂金属负极成为可能。锂金属负极电池能量密度能够提升35%以上，如果用高镍三元NCM811作为正极，电池能量密度就可达500Wh/kg以上，用磷酸铁锂做正极，电池能量密度也可以达到300Wh/kg以上。

3) 减少活性物质，提升能量密度：锂离子电池两面在同一个集流体里，一个是正极，一个是负极，因此它的内部必须是并联，需要有外部的串并联装备，所以有一部分非活性的成分。但固态电池可以用双极技术在电池内部直接串联；不需要非活性成分，也不需要冷却系统，由于固态电池去除了非活性成分，固态电池能量密度能够提升很多，提升40%的空间。

4) 使得柔性化成为可能：固态电解质不怕渗漏也不怕损坏，电池可以实现拉伸幅度300%以上。这种可弯曲的电池可用于可穿戴及形变量很大的地方。

3.2  缺点

1) 界面阻抗增加，导致体积变化大：固态电池正负极因无电解质，通过面与面接触实现快速的导锂，会增加界面阻抗，使得能量消耗在内部且无法实现快充。且正极和负极充放电过程中体积是变化的，在达到10%以上。基于此，在电池循环的过程中，固固界面的接触存在一个很大的问题。这也导致了固态电池量产难度加大，还不能像锂离子电池一样迅速产业化。

2) 成本高昂：由于产业尚处于初期，所以固态电池材料成本较为高昂，如典型氧化物固态电解质材料——锂镧锆氧（LLZTO），目前售价为200美元/公斤，而如果是硫化物，更前沿一些的锂硅磷硫材料或锂磷硫材料，价格均在10万美金/公斤以上，成本非常高昂。

4. 固态电池主要的技术路线及分类（更正：图中氢化物实际为氧化物）

目前全固态锂电池主要分为4种不同的技术路线：

1）薄膜全固态：正、负极、固态电解质都非常薄（厚度为微米级别），通过化学气相沉积（CVD）或者物理气相沉积（PVD）的方式来实现，这种技术路线电池容量小，能量密度较低（因为总体容量较低）。但循环性较好，适应高电压，典型代表如LiPON的薄膜固态电解质材料，主要用于电子器件等高精尖的产业，也可能应用于对安全性能要求高的场景，但不适用于电动汽车、无人机、航空航天设备等场景。

2）聚合物全固态：材料体系主要是聚环氧乙烷（PEO）体系。主要优点是容易加工，可以制备大容量电芯、机械性较软，各项性能和目前使用的电解液（本质是有机溶剂）有类似之处。因此生产线基接近于聚合物固态电池生产线，所以是最容易利用现有的设备通过改造实现量产的固态电池。主要缺点：1） 离子电导率最低，必须加热到60或85℃以上，离子电导率才会提升，接近10-3 S/cm，2） 容易短路（由于聚合物较为柔软，因此锂枝晶容易穿透固态电解质，造成短路）；3） 能量密度有局限，由于聚合物是有机物，电化学稳定性不好，跟磷酸铁锂兼容性好，跟三元兼容性不好，导致能量密度无法提升。

3）氧化物全固态：导电率高于聚合物，氧化物的离子电导率可达到10-4~10-5 S/cm，通过掺杂能够达到10-3 S/cm的级别，所以可以在低温下实现导锂，而且可耐受高电压，比聚合物明显在高电压下更稳定。典型的代表有锂镧锆氧、LAGP、LATP这些氧化物材料。主要缺点：1）氧化物的机械性能坚硬，如果用其制作电解质片，较容易脆裂；2）固-固接触也不是太好，造成大容量电芯很难制备。但就目前国内来说，氧化物体系最为流行。例如以卫蓝为代表的国产品牌等多使用氧化物作为电池材料。

4）硫化物全固态：硫化物本身的离子电导率最高、接触性又好，所以它整体的离子电导率性能非常好。是全固态电池未来最可能的技术路线。但该产品产品价格非常高、空气稳定性较差。硫化物在空气中，尤其是与水接触后，直接就产生H2S，H2S不仅有毒，而且也有臭味。这是使用中的最大问题，限制了它的广泛应用。

5. 国内外主要固态电池公司以产业化进度

根据产业链调研，固态电池将在2025年逐步实现商业化，在2030年成为动力电池主要技术路线。在此背景下，世界上主要国家均在大力布局该领域：

1）欧美

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

Cymbet：美国的一家薄膜固态电池公司，做薄膜全固态；

24M：麻省理工蒋业明教授创立（A123创办者），目前做的是半固态的概念，把正负极都做厚。

与英国戴森合作的Sakti3。曾经比较辉煌，目前已经倒闭，但曾经比较辉煌。

Quantum Scape：近期比较热门的公司，且已在美股上市，已获得大众、德国大陆及国内上汽集团等车企的投资；

美股SEEO公司，获得德国博世的投资

德国宝马自己在做固态电池。

2）中国

目前中国宣称做固态电池的有很多，比如清陶、卫蓝、赣峰锂业、无锡海特等。且CATL等电池龙头企业均在大力研发固态电池，但未对外大规模宣布。此外，上汽、国轩高科等都在做。

3）韩国

韩国主要有三家，现代、LG化学、三星。三星2020年3月份时候在Nature Energy上发表了1000多循环的硫化物全固态电池，这也是目前公开数据中最好的硫化物全固态电池。

4）日本

日本投入固态电池的公司非常多，而且现在基本都是联合开发，像丰田、松下、日立、NGK，都在一起做硫化物的全固态电池。

6. 固态电池的应用展望

日本日立公司在2017年开始做硫化物全固态电池，2019年供给航空宇宙飞船。所以从近期来看，固态电池可能应用于军工、高精尖设备以及一些略显小众的市场。到中2025年、2030年的目标则是新能源车动力电池的市场。将来能量密度和安全性进一步提升以后，就会应用到电动船舶、电动飞机等运输行业。如果成本降到一定程度的话，也会进入消费电子如手机电脑等市场。另外像航空航天国家安全以及大规模储能这种技能领域，会随着能量密度的提高和成本的降低逐渐覆盖。