1 固態電池的技術分類

電池技術一直以來都是當下很多消費品進行下一步迭代的關鍵，它直接掐住了產品在續航以及便攜能力上的脈門，它任何一小步的推進，都是消費產品一大步的提升。當然其對于汽車而言也是無比關鍵的，在向電氣化轉型的過程中，新能源汽車的動力電池能否得到質變提升，將直接影響汽車在下一個十年的發展節奏。

　　此前，豐田官方就曾提到過在所有新形態的電池技術中，固態電池是被認為是最接近量產化的產品，其高能量密度、高電壓甚至可彎曲的特性，相比傳統動力電池實現跨步。那時至今日，固態電池究竟發展到了什么地步，它距離量產狀態還有多遠？本文我們將分多個方面和您分享一些信息。

● 固態電池的技術路線

　　固態電池目前擁有很多的技術體系，包括硫化物、氧化物、薄膜以及固態聚合物。在早期固態電池技術的推進中，薄膜和固態聚合物技術是主要的走向，在過去幾年中，博世以及戴森等公司都在不斷加大在這兩項固態電池技術上的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來實現在電池技術上的追趕。

　　但薄膜和固態聚合物技術有“高成本”和“低導電率”兩個致命問題，例如薄膜技術無法在室溫（25°左右）條件下實現高導電率，所以需要不斷的去加熱并維持在60°才能保證擁有高效的導電率。所以在很多早期的固態電池試產車上，電池因為依賴不斷加熱，造成自我電量損耗，其實本身也無法發揮出其它的優勢。

　　而豐田一直是專注于硫化物固態電池技術的開發，但硫化物本身活性很高，在生產和使用中一旦與水接觸，就會產生硫化氫。硫化氫為易燃?；罚c空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。所以硫化物固態電池技術路線雖然在生產成本上要相比薄膜技術更低一些，但如果保證從制造端到應用端足夠高的安全性是更高的門檻，其實也屬于從另外一個角度增加了開發成本。

　　最后一個氧化物技術路線也有自己的缺點，氧化物本身很穩定導致“脆性”很高，對生產的要求也就更高，同時導電性也并不具備優勢，但從廣義上講，相比于其它三條路線，克服生產難度要比克服成本和安全性要更簡單一些，所以我們這期文章里也是通過采訪了一家目前已經接近市場化的固態電池技術商，來了解陶瓷氧化物固態電池的一些技術優勢和與傳統動力電池的差異。

　　在2019 CES展會上，我們約訪了輝能科技公司（下文簡稱：PLG），其是一家專門研發鋰電池技術的供應商，自2006年創辦后，用了8年的時間攻克了陶瓷氧化物技術，同時固態電池技術也是目前該公司最核心的研發項目，該技術全稱為：LCB固態鋰陶瓷電池，其技術特點是：高能量密度以及高電壓，針對目前純電動汽車的發展應用，這兩大特性無疑是非常關鍵的。

● 能量密度是先天優勢，那高電壓如何實現？

　　傳統動力電池由于單體電池內部使用液態電解液，并且承載電壓超過5V后可能會出現易分解甚至爆炸的情況，所以只能實現外部串聯而無法進行內部串聯。但固態電池就擁有這樣的先天優勢。固態鋰陶瓷電池能夠在電池內部就首先形成串聯，使單顆電池芯的額定電壓可從7.4V，最大串聯疊加至高達60V，在單體電池電壓上就要遠高于傳統動力電池。

　　在實現內部串聯的高電壓支持后，固態電池也能夠實現雙極電池技術，這同樣也是傳統動力電池無法實現。當單體電池在堆疊串聯后加入上下兩層導電材料，實現雙向正負極的連接，然后再次與橫向的另外一個電池包進行串聯，最高可以實現4×6達到24個單體電池雙向正負極對接的串聯技術，電壓也將由此再次疊加提高，組成一個完整的單體電池組。

　　最終6片24個串聯的電池組疊加后，加入鋁外殼包裝，形成一個單體的固態電池包（Cell），容量能夠達到20kWh以上，其單個固態電池組系統能量密度能夠達到255Wh/kg，而2020年這一數據會提高到270Wh/kg，這個系統能量密度是什么概念？可以對比一下2018年中國新能源車輛補貼政策。

『目前國內電動車動力電池系統能量密度還維持在140wh/kg左右』

　　理論上，在密度和電壓雙增加的同時，BMS電控系統應該更加復雜才對，但實際上固態電池在管理系統上也被得到了簡化，這再一次為最終封包整組的電池降低了重量和體積，這也是系統能量密度更高的原因之一。

2  固態電池的優勢之外，有何不足？

● 密度和電壓雙增加，散熱如何解決？

　　在散熱方面，固態電池也具備先天的優勢，整個電池組從滿電到放電結束，電池溫度會維持在26°以內，而目前的圓柱形電池整個放電過程結束后，溫度會在40°以上。雖然固態電池技術目前與圓柱形電池一樣，同樣采用水冷，但因為本身放電溫度可以保持的更低，也讓散熱成為了其另外一大優勢。

　　而基于固態電池本身放電溫度低的特性，在散熱方式上也能夠進行更多優化。例如在電池與電池組中間加入散熱膠，然后熱量會通過散熱膠導向電池包兩側的水流散熱器上，進一步減少水流散熱的體積和重量。

　　固態電池技術提供商也表示，這種前沿的電池技術相比于傳統動力電池，密度提升優勢是很核心的一方面。在固態電池本身擁有密度優勢的前提下，也仍然要通過其它手段繼續優化整組的密度疊加。所以針對整個電池組內，盡可能減少其它線材或者散熱系統的空間及重量占用，讓電池組擁有最大化的整體密度提升。

　　冷卻系統以及BMS電池控制系統其實目前在圓柱電池組中有不小的空間占用，曾經關于這個問題也有人討論過方形電池組是否要比圓柱電池組擁有更好的密度優勢，原因就是方形電池組的散熱布局占用更小，當然液態電池也有同樣的優勢。

● 固態電池的壽命和衰減有優勢么？

　　在密度領先的優勢下，在壽命和衰減方面是否也有優勢呢？固態電池技術商也表示，其實與傳統動力電池相比，固態電池其實并不具備明顯的壽命優勢，這也是目前技術需要繼續攻克的方向，因為如果無法提高壽命和衰減能力，僅依靠能量密度優勢，目前固態電池的成本仍然無法支持其大規模推廣量產。

　　關于固態電池優化壽命的技術手段上，其將通過更加細小的電壓偵測線材來降低“偵測損耗”和提高“偵測精準度”，帶來的收益就是讓電池的充放電效率更高，相比于傳統動力電池在電壓偵測上的損耗更小，變向提高了電池壽命。關于目前固態電池具體的壽命和衰減方面，技術商表示其完整充放電1000次后，電池還能保留88%的原始壽命。

● 固態電池的充電效率有優勢么？

　　固態電池的充電效率并不比當前的鋰電池高太多，在同能量密度下，固態電池的充電時間也要在1小時左右，但當前的鋰電池也具備同樣的充電效率。另外在電池壽命方面，固態電池在完整充放電500次之后還能保持84%的使用壽命，數據同樣與當前的電池技術基本相符。但報告中也提到，在固態電池中電極吸收離子的效率更高，雖然目前的充電效率并不算理想，但仍具備開發空間。

總結

　　目前PLG公司的陶瓷固態電池技術處于小規模量產狀態，并且表示已經和歐美、日本以及中國車企進行了供應方面的溝通，而基于該電池技術目前歐洲也有了四臺試產車，但官方表示不方便透露具體的汽車品牌。目前其也正在建立固態電池Gigafactory工廠，預計將在2020年正式投產，這也是一個固態電池的量產信號。還有另外一條路線就是向其他電池廠商或者汽車制造商授權“固態電池技術IP”，作為技術供應商的角色來推動固態電池的發展，而這個愿景的時間點會定在2022年。

　　根據《中國制造2025》中的技術目標，到2020年鋰電池單體能量密度將達到300Wh/kg，2025年能量密度達到400Wh/kg，所以固態電池技術仍然是目前全球最為關注的發展方向。而目前中國汽車品牌對于固態電池的跟進程度還沒有看到具體的進展，不過遵循“越接近量產就越要保密”的行業規則，中國汽車品牌能否在接下來帶來什么樣的驚喜呢？