1、固態(tài)電池引起市場廣泛關(guān)注

近日，ChargeCCCV（C4V）宣布已研發(fā)出固態(tài)電池原型，其固態(tài)電池容量達(dá)到380Wh/kg和700Wh/L，進(jìn)一步優(yōu)化有望達(dá)到400Wh/kg和750Wh/L，公司計劃于2019年第二季度商用。無獨有偶，9月14日，電池技術(shù)公司-QuantumScape獲得了大眾投資的1億美元，兩家公司共同成立合資公司，希望在2025年前將固態(tài)電池技術(shù)推向市場。通過該項投資，兩家公司成立了合資公司，計劃到2025年前將固態(tài)電池技術(shù)推向市場。。根據(jù)豐田披露的全固態(tài)電池框架，其計劃于本世紀(jì)20年代初實現(xiàn)商業(yè)化。現(xiàn)代、三星風(fēng)投、美國電池制造商A123等投資了全固態(tài)電池（ASSB）開發(fā)商SolidPower2000萬美金。

我國上市公司贛鋒鋰業(yè)也已完成第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試線項目，送檢的兩只固態(tài)鋰電池放電容量分別為12.99Ah和13.20Ah，25oC時，能量密度分別為244.33Wh/kg和248.09Wh/kg。充電倍率/放電倍率=5C/5C，25oC時，送檢的兩只固態(tài)鋰電池的充電容量分別為12.10Ah和12.23Ah，放電容量分別為10.02Ah和10.22Ah，放電容量分別可達(dá)到0.1C倍率下的77.1%和77.4%。送檢的兩只固態(tài)鋰電池循環(huán)1010次后，放電容量保持率分別為90.1%和90.3%。

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但隨著能量密度的提高，其安全問題日益突出，研究固態(tài)電池技術(shù)也成為解決電動汽車安全性問題路徑之一。國內(nèi)外車企、電池公司、初創(chuàng)公司均已將固態(tài)電池作為研發(fā)重點之一。

2、固態(tài)電池優(yōu)點

電池自燃是電動汽車起火事故的重要原因。自燃的原因在于鋰電池的熱失控，而液態(tài)電解液在高溫下容易被點燃，導(dǎo)致電動汽車事故。雖然業(yè)界已經(jīng)采取優(yōu)化BMS、添加阻燃性等不斷改善電池?zé)岱€(wěn)定性，但是依然無法解決電池自燃問題。

固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，全固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)里沒有氣體和液體，材料均以固態(tài)形式存在，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車將大大降低自燃概率。

正極材料容量需要充電至高電壓才能脫出更多的鋰，鈷酸鋰的電解質(zhì)溶液可以充電到4.45V，三元材料可達(dá)到4.35V，而固態(tài)電解質(zhì)可達(dá)到5V，有利于其在高電壓型電極材料中的應(yīng)用。固態(tài)電解質(zhì)有利于提升電池系統(tǒng)的能量密度。

高容量與高電壓的特性，讓金屬鋰負(fù)極材料的理想材料之一。鋰金屬的克容量為3860mAh/g，約為石墨（372mAh/g）的10倍。同時，金屬鋰即是自然界電化學(xué)勢最低的材料，同時其本身就是鋰源，使得正極材料選擇性更多，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣，對應(yīng)為鋰硫和鋰空電池，其理論能量密度接近當(dāng)前電池的10倍。由于固態(tài)電解質(zhì)將正極與負(fù)極材料隔離開，不會發(fā)生鋰枝晶刺破隔膜導(dǎo)致短路的情形。鋰金屬材料將在固態(tài)電池平臺上率先應(yīng)用。

固態(tài)電池不再需要嵌鋰材料，可以直接用鋰金屬作為負(fù)極材料，將減輕負(fù)極用量，同時固態(tài)電池不再需要液態(tài)電解液，其重量將進(jìn)一步減輕并提高能量密度。

3、固態(tài)電池核心：電解質(zhì)材料

目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。電解質(zhì)的功能在于為電池鋰離子提供傳輸通道。如果鋰離子導(dǎo)電率低，意味著鋰離子導(dǎo)電率低意味著電解質(zhì)導(dǎo)鋰能力差。鋰離子不能順利在電池正負(fù)極之間運動。傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)比任意固態(tài)電解質(zhì)類型的離子電導(dǎo)率都要高。

電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。此外，在固態(tài)鋰電池中，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。

固態(tài)電解質(zhì)中聚合物電解質(zhì)屬于有機電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質(zhì)。

聚合物體系屬于有機固態(tài)電解質(zhì)，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。目前研究較多的聚合物固體電解質(zhì)是PEO(聚環(huán)氧乙烷)及其衍生物絡(luò)合鋰鹽類聚合物電解質(zhì)。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導(dǎo)率，且加工性能好。但該類電解質(zhì)在室溫下離子導(dǎo)電率低，同時與金屬鋰負(fù)極相容性較差的問題嚴(yán)重限制了其發(fā)展。

無機固態(tài)電解質(zhì)可以分為氧化物體系與硫化物體系，室溫下無機材料的鋰離子電導(dǎo)率在更高，但界面電阻高于聚合物體系。氧化物體系又可以進(jìn)一步分為薄膜型與非薄膜型。縮短鋰離子流動的傳導(dǎo)距離，可以減少電阻，使電解質(zhì)變薄可以一定程度上提高離子傳導(dǎo)率。但薄膜化也限制了電池容量的提升。薄膜型產(chǎn)品電導(dǎo)率大于非薄膜型，但是非薄膜型電導(dǎo)率依然高于聚合物電解質(zhì)。非薄膜型生產(chǎn)成本低，各項指標(biāo)較為均衡。

從上面可以看到固體電解質(zhì)中硫化物電解質(zhì)電導(dǎo)率最高，室溫下與液態(tài)電解質(zhì)相差無幾，同時也有可能率先實現(xiàn)快充快放。其生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，防止氧化并遇水產(chǎn)生有害氣體。硫化物在充電過程中體積會發(fā)生變化，惡化了電極與電解質(zhì)界面接觸，導(dǎo)致較大的界面電阻，較大的體積變化會惡化其與電解質(zhì)之間的界面。

4、固態(tài)電池發(fā)展趨勢

總體來看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。如，本文開始提到的C4V固態(tài)電池原型就是使用了固體電解質(zhì)來替代80％以上的液體電解質(zhì)，因此其并不屬于全固態(tài)電池。

根據(jù)《中國制造2025》確定的技術(shù)目標(biāo)，鋰電池能量密度要在2020年到300Wh/kg，2025年達(dá)到400Wh/kg，2030年達(dá)到500Wh/kg。顯然，新能源汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展需要新的技術(shù)儲備，全固態(tài)鋰電池則有望成為下一代車用動力電池主導(dǎo)技術(shù)路線。

目前，動力電池全球化競爭日益激烈，雖然中國企業(yè)在本輪競爭中占據(jù)了市場規(guī)模優(yōu)勢，但歐美、日韓等企業(yè)已經(jīng)在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。中國企業(yè)也應(yīng)該關(guān)注固體電池發(fā)展的問題，積極搶占未來發(fā)展的制高點。