“固態(tài)鋰電池要大干快上，引領(lǐng)電動中國。”近日，中國工程院院士陳立泉在第七屆中國電動汽車百人會論壇上喊出這樣的口號。陳立泉表示，液態(tài)鋰電池容易引發(fā)安全憂慮，300瓦時/公斤能量密度也已到達(dá)極限。下一步要發(fā)展固態(tài)電池，或者逐漸過渡到全固態(tài)鋰電池。

對于國產(chǎn)新能源車企來說，剛剛過去的2020年是極具轉(zhuǎn)折性的一年，補(bǔ)貼全面退坡、“雙積分”接棒、外資品牌殺入國內(nèi)市場，新能源車企也因此被迫走出“溫室”，應(yīng)對殘酷的叢林法則。動力電池是新能源汽車的“心臟”，占整車成本的30%至40%，也正因如此，動力電池產(chǎn)業(yè)一度被認(rèn)為是汽車工業(yè)下一個時代的突破點，然而隨著政策降溫、外資品牌卷土重來，動力電池行業(yè)也面臨著和新能源汽車行業(yè)一樣的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前來看，動力電池行業(yè)確實迎來了新的變數(shù)，近段時間以來，蔚來發(fā)布續(xù)航里程達(dá)1000公里的150度固態(tài)電池包，稱將在2022年四季度交付。豐田計劃在2021年首次亮相搭載了固態(tài)電池的量產(chǎn)車。根據(jù)主要車企的規(guī)劃，搭載固態(tài)電池的產(chǎn)品預(yù)計最早于2022年以后量產(chǎn)。如果全固態(tài)電池全面量產(chǎn)，則意味著里程焦慮將被徹底打破，電池安全性也有了突破性保障，電動汽車將打破性能“天花板”。

固態(tài)電池領(lǐng)域加速“軍備競賽”

固態(tài)電池，即全固態(tài)鋰二次電池。在傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子動力電池中體系中，正負(fù)極所用的材料在很大程度上決定了電池的本身的帶電量，即能量密度，而電解液與隔膜是作為鋰離子的傳輸媒介存在于電池結(jié)構(gòu)中。而在固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)中，因其固態(tài)電解質(zhì)既可傳導(dǎo)鋰離子也可起到隔膜的作用，因此在固態(tài)電池中，電解液，電解質(zhì)鹽 隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等材料都可以被省略。同時，因其固態(tài)電解質(zhì)總體而言結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，加上其電解質(zhì)不易泄漏，易封裝及工作范圍寬等特性，所以安全性和操作性也得到了顯著提升。

目前，市場上主流的固態(tài)電池按電解質(zhì)的不同可分為三種類型：即聚合物，硫化物與氧化物。其中，聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，而后兩種屬于無機(jī)電解質(zhì)。

氧化物電解質(zhì)的優(yōu)勢是穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長（可達(dá)1000次以上），能量密度較高，倍率性能較好，同時成本較低；主要缺陷是界面接觸問題尚未完美解決。相比之下，硫化物電解質(zhì)工業(yè)化較難，與電極接觸時的界面阻抗普遍較高；聚合物電池在移動電源市場上已經(jīng)做到了量產(chǎn)，但是充電倍率較差，能量密度較低。從聚合物技術(shù)路線看，與硫系及氧化物相比，聚合物技術(shù)路線不占優(yōu)勢，但是在集成方面，聚合物技術(shù)路線還是有一些優(yōu)勢的。總體來看，氧化物固態(tài)電池是綜合前景最好的。

在這一趨勢下，多家企業(yè)都開始布局固態(tài)電池專利領(lǐng)域。近期寧德時代對外公布了兩種固態(tài)電池的相關(guān)專利：一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，另一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法。其中，引人關(guān)注的是一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，該專利是將鋰前體、中心原子配體分散于有機(jī)溶劑中，形成反應(yīng)初混液；將硼酸酯分散于有機(jī)溶劑中，形成改性溶液；將反應(yīng)初混液與改性溶液混合，干燥，得到初始產(chǎn)物；對初始產(chǎn)物研磨、冷壓、熱處理得到固態(tài)電解質(zhì)。在本申請所提供的制備方法中，制得的硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率得到顯著提升，從而也利于全固態(tài)電池的能量密度的發(fā)揮。

另外一家新能源巨頭比亞迪在固態(tài)電池研究上已未雨綢繆多年。近日根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局的信息，比亞迪公布了283項專利授權(quán)，涉及固態(tài)電池、電池?zé)峁芾怼⒆詣玉{駛控制系統(tǒng)等技術(shù)。其中有一項是“一種正極材料及其制備方法、一種固態(tài)鋰電池”，申請日期為2019年7月17日，申請公布日為2021年1月19日，公開號CN112242519A。本發(fā)明還提供了正極材料的制備方法和固態(tài)鋰電池。該正極材料可同時構(gòu)建鋰離子傳輸通道和電子傳輸通道，極大的提升了固態(tài)鋰電池的容量發(fā)揮、首圈庫倫效率、循環(huán)性能和高倍率性能。還有一個專利也跟固態(tài)電池有關(guān)，名為“一種鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法和固態(tài)鋰離子電池”，申請日期為2019年7月19日，申請公布日同樣為2021年1月19日，公開號CN112242557A。據(jù)報道，比亞迪稱預(yù)計最早將于2021年量產(chǎn)固態(tài)電池，2022年應(yīng)用到旗下高端車型當(dāng)中。

中國方面，部分企業(yè)已進(jìn)入固態(tài)鋰離子電池（半固態(tài)電池）測試階段，2025年前或可實現(xiàn)量產(chǎn)，如寧德時代、輝能科技、比亞迪等。

國外方面，最早在固態(tài)電池領(lǐng)域布局的車企是日本豐田，近日有媒體報道稱豐田已經(jīng)在某些概念車上測試了固態(tài)電池，這些電池的限量生產(chǎn)計劃將在2025年左右開始。韓國方面，2020年11月，三星SDI、LG化學(xué)和SK創(chuàng)新同意聯(lián)手開發(fā)核心電池技術(shù)，此外，三家公司將成立一個規(guī)模1000億韓元（約合9000萬美元）的基金，它們將共同投資于研發(fā)項目，來打造下一代電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其中就包含了固態(tài)電池技術(shù)。歐洲則謀求在固態(tài)電池領(lǐng)域翻盤，歐美各大車企紛紛投資固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)。例如美國高校衍生的初創(chuàng)企業(yè)Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。

很明顯，固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入“軍備競賽”階段，市場參與者眾多，車企、電池企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)等在資本、技術(shù)、人才三方面進(jìn)行博弈。

全固態(tài)電池五年內(nèi)量產(chǎn)只是幻想

雖然固態(tài)電池已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但仍有不少問題有待解決，一是重塑供應(yīng)鏈，固態(tài)電池相比現(xiàn)有成熟的液態(tài)鋰電池技術(shù)變化巨大，需要重塑本就極其復(fù)雜的鋰電池供應(yīng)鏈。二是降低成本，固態(tài)電池采用的預(yù)鋰化硅碳負(fù)極或遠(yuǎn)景金屬鋰負(fù)極、高鎳正極、固態(tài)電解質(zhì)等新科技材料生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于目前對應(yīng)的材料，成本下降過程極其艱巨漫長。三是快充性能不佳。

值得注意的是，“固態(tài)”鋰電池和“全固態(tài)”鋰電池的概念常被混淆。根據(jù)電解質(zhì)的不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰電池、混合固液鋰電池和全固態(tài)鋰電池三大類。實際上，半固態(tài)鋰電池、準(zhǔn)固態(tài)鋰電池、固態(tài)鋰電池均屬于“混合固液鋰電池”范疇，只是液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)比例不同。兩者的區(qū)別在于，混合固液鋰電池仍然含有一定量液體電解質(zhì)，而全固態(tài)鋰電池只含有固態(tài)電解質(zhì)，不包含任何液體電解質(zhì)。

鑒于固態(tài)電池面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)，其商業(yè)化路徑線應(yīng)該從小容量電池逐漸過渡到大容量的動力電池領(lǐng)域，也會從固液混合的“半固態(tài)”“混成固態(tài)”發(fā)展到“全固態(tài)”。

我們目前只是站在起點，距離終點商業(yè)化量產(chǎn)全固態(tài)電池至少需要十年時間。而蔚來在今年NIO Day 2020 活動上正式推出的150千瓦時的固態(tài)電池包其實是固液混合電池或者半固態(tài)電池。這是固態(tài)電池到來前的一個過渡方案，也就是同時使用固態(tài)電解質(zhì)和電解液，但是兩者混合的比例和安全性目前在國際上還沒有定論。對此，蔚來董事長李斌在接受媒體采訪時也曾表示，目前他們采用的并非全固態(tài)電池，電池內(nèi)部還是帶有部分液體的。

但是即便是初級階段的半固態(tài)電池也能讓蔚來ET7的標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航里程達(dá)到1000公里左右。另一款搭載固態(tài)電池的哪吒U即將小批量產(chǎn)，據(jù)悉，該車的固態(tài)電池能量密度有望超過500Wh/kg，即如果一臺續(xù)航600公里的鋰離子電池電動車把電池?fù)Q成固態(tài)電池，續(xù)航可以超過2000公里。這種指數(shù)級的續(xù)航提升是非常具有跨時代意義的。

基于各國動力電池技術(shù)路線的比較，短期來看是液態(tài)電解液的鋰離子電池，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負(fù)極，相比于三元鋰離子電池，目前的混合固液產(chǎn)品能量密度有所提升，安全性可大幅提高，能夠滿足整車企業(yè)的需求，是全固態(tài)電池技術(shù)尚未突破情況下的務(wù)實選擇。

我們以蔚來的固液混合電解質(zhì)電池為例，即便是這種半固態(tài)電池，其360Wh/kg的能量密度依然吊打現(xiàn)階段主流三元鋰電池。為了提升電池的熱穩(wěn)定性和安全性，蔚來提出的解決方案是“納米級包覆”。納米級表面包覆層能夠很好的抑制電解液的分解和材料的表面相變，是提升高鎳三元材料穩(wěn)定性的有效方法。但包覆太厚會影響鋰離子從正極材料的脫嵌，因此采用的是納米級的包覆，即把包覆做薄。雖然不能稱之為真正的固態(tài)電池，但蔚來此次發(fā)布的“半固態(tài)電池包”確實結(jié)合了當(dāng)前最為前沿且可以實現(xiàn)的動力電池技術(shù)，一切按部就班的話，2022年交付使用裝車問題不大。

直播車市

在一項新事物誕生之初，無論是一昧的捧還是一昧的踩，都不是一種理智的行為；只有摒棄掉被他人影響而戴上的有色眼鏡，通過對技術(shù)的探討，才能真正了解這款事物的真實狀況。真正的固態(tài)電池距離來到現(xiàn)實生活確實還需要時間與技術(shù)的積淀，但是它帶來的震撼已經(jīng)昭然若揭。