中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車(chē)社會(huì)的主要矛盾已轉(zhuǎn)化為人民群眾日益增長(zhǎng)的續(xù)航里程與動(dòng)力電池落后的能量密度之間的矛盾。
而人民對(duì)美好生活的向往，正是整個(gè)產(chǎn)業(yè)從業(yè)者們的奮斗目標(biāo)。為此，在《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》中，我國(guó)特別提出了2020年動(dòng)力電池的能量密度達(dá)到 300Wh／kg，2025 年 400Wh／kg，2030年 500Wh／kg的目標(biāo)。在工信部頒布的《中國(guó)制造 2025》中，這一目標(biāo)甚至提高到了 2025 年400Wh/kg，2030 年500Wh/kg。
顯然，不管是哪一個(gè)，這些技術(shù)指標(biāo)都已極其接近和突破了當(dāng)下電化學(xué)體系內(nèi)的鋰離子電池的天花板了。
鋰電池業(yè)界普遍認(rèn)為三元鋰電池技術(shù)路線(xiàn)的比能量密度上限是350Wh/kg。全球范圍內(nèi)來(lái)看，鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的幾個(gè)國(guó)家中，日本科學(xué)家判斷可規(guī)模量產(chǎn)化的鋰離子電池的比能量密度上限是300Wh/kg，我國(guó)和美國(guó)則把這個(gè)上限提高到了350Wh/kg。
三元體系內(nèi)，全球諸國(guó)都把賭注押在高鎳三元+硅碳負(fù)極材料的引入上。不過(guò)即使做到了松下21700圓柱電池的鎳鈷鋁摩爾比達(dá)到變態(tài)的0.9:0.5:0.5的極限，單體電芯的比能量也就最高做到300Wh/kg，上下不超過(guò)20Wh/kg的水平了。
而隨著能量密度的不斷提升，鋰電池的安全隱患也像揮之不去的魔咒一樣緊隨而來(lái)，新聞上被曝出的各種電動(dòng)車(chē)電池起火爆炸的事故更是此起彼伏。
面對(duì)市場(chǎng)和人民對(duì)超越300 Wh/kg的殷殷期盼，現(xiàn)有的材料體系表示力不從心，恐怕要讓群眾們失望了。
所以業(yè)界公認(rèn)，未來(lái)要實(shí)現(xiàn)350 Wh/kg以上，就要走另一條技術(shù)路線(xiàn)了。目前看來(lái)，下一個(gè)能堪當(dāng)此大任的就是固態(tài)電池了。
基于此，固態(tài)電池被看成動(dòng)力電池的下一個(gè)風(fēng)口。全球范圍內(nèi)不管是在傳統(tǒng)鋰電領(lǐng)域已經(jīng)站穩(wěn)腳跟的中日韓三國(guó)，還是手里握著多項(xiàng)電池核心技術(shù)專(zhuān)利的美國(guó)，甚至連已經(jīng)在當(dāng)下競(jìng)爭(zhēng)格局中敗下陣來(lái)的歐洲諸國(guó)，都試圖占領(lǐng)下一個(gè)固態(tài)電池的戰(zhàn)略高地。于是乎，包括多家科研院所、頂級(jí)學(xué)府、車(chē)企巨頭、科技公司在內(nèi)數(shù)十家機(jī)構(gòu)在大量涌入的資本和政策支持下，展開(kāi)了一場(chǎng)跟時(shí)間賽跑的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。
未來(lái)，致勝電動(dòng)汽車(chē)時(shí)代的關(guān)鍵，是掌握動(dòng)力電池的主動(dòng)權(quán)。所以在這份不斷壯大的名單中，目前已經(jīng)出現(xiàn)了豐田、大眾、寶馬、現(xiàn)代、三菱、蘋(píng)果、松下、三星和戴森。在中國(guó)，有中科院、清華大學(xué)、寧德時(shí)代、清陶發(fā)展、贛鋒鋰業(yè)、珈偉股份等。
11月19日，清陶對(duì)外宣布，其建成的全國(guó)首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)正式投產(chǎn)。
更早之前，贛鋒鋰業(yè)布局的固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)號(hào)稱(chēng)已經(jīng)開(kāi)始中試。
更更早之前，已在這個(gè)領(lǐng)域投入多年心血的豐田將固態(tài)電池的商業(yè)化時(shí)間一再提前，從2030年提前到2022年，直至最新的2020年。
更更更早之前，法國(guó)Bollore 公司在英國(guó)倫敦投放了3500輛搭載固態(tài)電池的共享電動(dòng)汽車(chē)。
看起來(lái)，好像固態(tài)電池的美好未來(lái)已經(jīng)近在咫尺，仿佛明天就能到來(lái)。
一
本質(zhì)上，固態(tài)電池的原理和“傳統(tǒng)”的鋰電池是相同的，都是靠著鋰離子在電池的正負(fù)兩極之間穿梭往來(lái)，實(shí)現(xiàn)充放電的功能。不同的是，固態(tài)電池中的電解質(zhì)是固態(tài)的，而傳統(tǒng)鋰電池的電解質(zhì)是液態(tài)的。
交代一下背景：根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)材料的不同，固態(tài)電池又分成聚合物、氧化物和硫化物三大體系，其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)。
聚合物電解質(zhì)主要由聚合物基體與鋰鹽構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)在于高溫離子電導(dǎo)率高，易于加工，電極界面阻抗可控。因此成為最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向，法國(guó)的Bollore公司和中國(guó)的清陶就是這種技術(shù)路線(xiàn)。但這種電池的最大缺點(diǎn)也是低溫離子導(dǎo)電率低，在室溫下的離子電導(dǎo)率也是三大體系中最低的，這也就嚴(yán)重制約了該類(lèi)型固態(tài)電池的發(fā)展。
對(duì)比聚合物有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，包括氧化物與硫化物體系在內(nèi)的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率在室溫下更高，但缺點(diǎn)是電解質(zhì)和正負(fù)電極之間的界面電阻也遠(yuǎn)高于聚合物體系。
看似只是換了一種電解質(zhì)的形態(tài)，固態(tài)電池就如此被器重?？梢哉f(shuō)固態(tài)電池之所以招人待見(jiàn)，就是因?yàn)槠湓诶碚撋辖鉀Q了當(dāng)前困擾鋰電池，尤其是動(dòng)力電池行業(yè)的兩大根本痛點(diǎn)，即能量密度和安全問(wèn)題。
相較于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)電池，可以說(shuō)固態(tài)電池在各方面的提升都是質(zhì)的飛躍：
一 能量密度大幅提高了。
因?yàn)槭褂昧斯虘B(tài)電解質(zhì)，之前與液態(tài)電解質(zhì)兼容不好的更高性能的正負(fù)極材料就可以應(yīng)用上了。例如可以將負(fù)極材料從當(dāng)前的石墨換成金屬鋰，金屬鋰作為負(fù)極材料，優(yōu)勢(shì)天差地別的：一來(lái)負(fù)極材料換成金屬鋰后要比石墨材料減輕了很大用量，二來(lái)金屬鋰的克容量高達(dá) 3860mAh/g，是石墨材料（372mAh/g）的 10 倍，三來(lái)金屬鋰是自然界電化學(xué)勢(shì)最低的材料，對(duì)應(yīng)的正極材料選擇面更寬，可以是含鋰或不含鋰的化合物，也可以是硫或硫化物甚至是空氣（即鋰硫和鋰空電池），理論能量密度是當(dāng)前鋰電池的 10 倍以上。
此外，固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口更寬，理論上可以達(dá)到 5 V，更加適應(yīng)于高電壓型正極材料，因?yàn)樘岣哒龢O材料容量需要充電至高電壓以便使其脫出更多的鋰離子，而當(dāng)前三元高鎳材料的應(yīng)用已然受到了耐高壓電解液的制約，因?yàn)橐岣哒龢O材料的容量就要充到更高電壓，而高電壓就會(huì)把液態(tài)電解液氧化。
所以在有固態(tài)電解質(zhì)之后，理論上電池的比能量就可以輕松突破350Wh/kg的天花板，甚至超越400Wh/kg。
二 安全性能大幅提升。
液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機(jī)溶劑，發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)溫度驟升容易引起燃燒，導(dǎo)致電池起火爆炸。雖然可以通過(guò)加裝溫控和防短路這樣的安全裝置起到一定預(yù)防作用，但終究是治標(biāo)不治本，無(wú)法徹底解決安全問(wèn)題。
而固體電解質(zhì)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，也有望克服當(dāng)前困擾整個(gè)鋰電池行業(yè)的鋰枝晶問(wèn)題。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其可以把電池正極與負(fù)極阻隔，從而做到有效避免正負(fù)極接觸發(fā)生短路的隱患，所以說(shuō)固態(tài)電池也具有很高的安全特性。
因?yàn)楣虘B(tài)電池具有很高的安全性，所以在系統(tǒng)集成時(shí)候就可以省去傳統(tǒng)電池PACK中很大一部分熱管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)，同時(shí)減少了組裝殼體用料。因?yàn)槌山M效率得到提升，進(jìn)而大幅提升整個(gè)電池PACK的系統(tǒng)能量密度。
三 循環(huán)壽命有效拉長(zhǎng)。
固體電解質(zhì)可以避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜等問(wèn)題，從而有大大提升了鋰電池的循環(huán)次數(shù)和使用壽命。
根據(jù)目前已有的報(bào)導(dǎo)，薄膜型固態(tài)電池的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到4.5萬(wàn)次的水平了。
此外，固態(tài)電池還具有工作溫度范圍寬（可以達(dá)到300度以上），可以疊加多個(gè)電極，使單元內(nèi)串聯(lián)制備12V及24V的大電壓?jiǎn)误w電芯成為可能，以及由于沒(méi)有廢液使二次回收更加簡(jiǎn)單安全等優(yōu)勢(shì)。
有這些亮眼的諸多優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池看起來(lái)美好之極。但是，歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一般前途光明的都會(huì)緊隨著道路的曲折，而前途越光明，道路就越曲折。我們必須認(rèn)識(shí)到的事實(shí)是，固態(tài)電池至今仍沒(méi)有走出實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些?；诠こ袒瘧?yīng)用方面的技術(shù)研發(fā)甚至還處于起步階段，而要到大規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化，更是需要很長(zhǎng)的一段路要走。
拿今天清陶號(hào)稱(chēng)已經(jīng)下線(xiàn)的小型固態(tài)電池產(chǎn)品為例，業(yè)界資深從業(yè)者、一個(gè)朋友告訴燕十七，“跟這差不多的小型固態(tài)電池，日本人（豐田）大概在2005年就搞出來(lái)了。一直沒(méi)有大規(guī)模商業(yè)化的原因，就在于技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟到這個(gè)地步。”
“講真，固態(tài)電池這條路真不好走?！?
二
一個(gè)殘酷事實(shí)就是，當(dāng)前無(wú)論是從最基礎(chǔ)的材料到反應(yīng)界面，再到電池的理論研究和實(shí)驗(yàn)，以及更遠(yuǎn)處的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化以應(yīng)用，都還沒(méi)有從根本上解決一些基礎(chǔ)難題。
固態(tài)電池的研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代，相關(guān)技術(shù)從不成熟走向成熟，從實(shí)驗(yàn)室走向工廠(chǎng)，從工廠(chǎng)走向終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用和普及，動(dòng)輒十幾年甚至幾十年已經(jīng)過(guò)去了，注定這條路是漫長(zhǎng)而艱苦的。
歷史上，在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)出的很大比例的新技術(shù)，真正成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的只屬于少數(shù)。
一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，首先要在實(shí)驗(yàn)室中搞清楚其基本機(jī)理，繼而確定可以用來(lái)放大工業(yè)化的技術(shù)路線(xiàn)，最后經(jīng)過(guò)中試穩(wěn)定過(guò)后實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。而大多數(shù)時(shí)候，一項(xiàng)新技術(shù)得以工業(yè)化的最基本前提就是“簡(jiǎn)單粗暴”，只有這樣才能“易于理解”，只有易于理解才能最終落實(shí)給生產(chǎn)線(xiàn)上的作業(yè)人員，以標(biāo)準(zhǔn)化的工序放大生產(chǎn)。同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在每一個(gè)環(huán)節(jié)中精益求精地改進(jìn)，每一個(gè)細(xì)節(jié)都實(shí)現(xiàn)可控化，最終大規(guī)模生產(chǎn)出足夠一致性和穩(wěn)定性的產(chǎn)品。
而這期間，上游產(chǎn)業(yè)鏈如原材料、生產(chǎn)設(shè)備的配合更是必不可少。
這樣看來(lái)，固態(tài)電池還處于第一個(gè)階段，即還處于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行最基本的機(jī)理研究，解決一些基本問(wèn)題的階段。
固態(tài)電池要想成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，甚至作為動(dòng)力電池被大規(guī)模應(yīng)用上車(chē)，至少需要翻越四座大山，而這幾座大山以目前技術(shù)水平來(lái)看，跨過(guò)的難度都是極大的。
第一座大山就是要不要用金屬鋰作為負(fù)極？
這個(gè)答案幾乎是毋庸置疑的。因?yàn)槿绻挥媒饘黉囏?fù)極的話(huà)，那么固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)將沒(méi)有任何意義。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所李泓老師的研究，如果使用現(xiàn)有的正負(fù)極材料，由于固態(tài)電解質(zhì)的真實(shí)密度顯著高于液態(tài)電解質(zhì)，為了獲得較低的接觸電阻，固態(tài)電解質(zhì)體積占比一般會(huì)顯著高于液態(tài)電解質(zhì)電池，因此固態(tài)電池的能量密度必然低于液態(tài)電解質(zhì)電池，而不是如新聞中宣稱(chēng)的會(huì)數(shù)倍于鋰離子電池。
這說(shuō)明如果不改變現(xiàn)有正負(fù)極體系，不用鋰金屬作為負(fù)極，只是單純把液態(tài)電解質(zhì)更換為固態(tài)電解質(zhì)，是無(wú)法從根本上提升固態(tài)電池的能量密度的。因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的使用，在提升能量密度上來(lái)說(shuō)不僅相對(duì)于現(xiàn)有的三元正極+液態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極改變不大，甚至還拖了后腿。
負(fù)極如果使用了金屬鋰，不僅因?yàn)槟軌蛱峁└嗟匿囯x子而大幅提升整個(gè)電芯的能量密度，還能有效解決液態(tài)電解質(zhì)中存在的鋰枝晶穿刺隔膜，高溫下與液態(tài)電解質(zhì)發(fā)生持續(xù)副反應(yīng)、鋰的生長(zhǎng)和析出導(dǎo)致的界面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問(wèn)題。
所以說(shuō)，采用鋰金屬作為負(fù)極材料是勢(shì)在必行。那么你以為就是單純的采用這么簡(jiǎn)單了？
用一個(gè)業(yè)內(nèi)朋友的話(huà)講，制造金屬鋰負(fù)極材料的工藝要求，高到變態(tài)。因?yàn)樾枰?lèi)比芯片制造的超凈車(chē)間，所以需要全程在手套箱中進(jìn)行?，F(xiàn)實(shí)在實(shí)驗(yàn)室中，加工一小片試驗(yàn)用的鋰金屬片，往往一個(gè)研究人員在手套箱中操作即可，但你能想象一旦要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，在一個(gè)類(lèi)似手套箱的車(chē)間中，幾十米長(zhǎng)的鋰金屬片像現(xiàn)在涂在銅箔上的石墨那樣運(yùn)行嗎？
除了高到難以想象的大規(guī)模制造難度以外，更大的問(wèn)題還在于制作過(guò)程的安全性。這一點(diǎn)，我們拿當(dāng)前各大電池廠(chǎng)都在重點(diǎn)發(fā)展的補(bǔ)鋰工藝作為參照說(shuō)明一下問(wèn)題。
為了補(bǔ)充鋰電池負(fù)極在首次充電過(guò)程中不可逆的容量損失（鋰離子數(shù)量變少），電池廠(chǎng)希望通過(guò)補(bǔ)鋰設(shè)備直接向負(fù)極極片噴涂金屬鋰粉或鋰箔的方式進(jìn)行補(bǔ)鋰，以此達(dá)到提升首次庫(kù)倫效率和電池容量的目的。
聽(tīng)著很簡(jiǎn)單，實(shí)際操作起來(lái)卻極難。作為補(bǔ)鋰原料的金屬鋰是高反應(yīng)活性的堿金屬，屬于非常危險(xiǎn)的物品，鬧不好就會(huì)著火和爆炸。而從補(bǔ)鋰方式說(shuō)，撒鋰粉面臨的問(wèn)題是鋰粉比表面積很大，容易飄，有被人體吸入的風(fēng)險(xiǎn)；壓鋰帶的難題是又壓不了那么薄，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)鋰過(guò)量，長(zhǎng)期使用存在安全隱患。
除了生產(chǎn)和使用過(guò)程危險(xiǎn)，補(bǔ)鋰設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用高以外，由于金屬鋰能夠與水劇烈反應(yīng)，所以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求相當(dāng)之苛刻，這就需要對(duì)生產(chǎn)車(chē)間和生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行改造。所以當(dāng)前，沒(méi)有足夠經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)能力的電池廠(chǎng)輕易不敢碰補(bǔ)鋰工藝。
有朋友向燕十七透露過(guò)一個(gè)消息，即便是寧德時(shí)代，依然曾經(jīng)在嘗試補(bǔ)鋰的小試中出了事故。
說(shuō)了這么多，只是想說(shuō)明一個(gè)道理：對(duì)于直接采用金屬鋰作為負(fù)極的方式來(lái)說(shuō)，補(bǔ)鋰工藝只能算是一個(gè)小case，只能算是金屬鋰負(fù)極材料的工藝技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的折中方案和必經(jīng)步驟而已，真正要規(guī)模制造和使用鋰金屬負(fù)極材料，難度要比補(bǔ)鋰大太多太多。
這里插播一條小故事，實(shí)際上早在上個(gè)世紀(jì)60年代，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始金屬鋰作為負(fù)極材料的研究。80年代，美國(guó)一家鋰電池新星E one Moli
冉冉升起，其獨(dú)家技術(shù)正是采用金屬鋰負(fù)極。時(shí)年最火的時(shí)候，意圖布局電動(dòng)汽車(chē)的福特公司都想投資這家公司并采用其鋰電池作為汽車(chē)動(dòng)力。之后Moli被日本的NEC和三井公司收購(gòu)并制造了5萬(wàn)塊手機(jī)電池，不料一年半之后這批電池大量失效，出現(xiàn)了嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。
此事造成了三大影響，一是日本公司當(dāng)時(shí)決定永久放棄金屬鋰電池技術(shù)路線(xiàn)；二是當(dāng)時(shí)給Moli公司做技術(shù)顧問(wèn)的鋰電大牛杰夫·達(dá)恩也徹底放棄金屬鋰體系；三是Moli公司被賤賣(mài)給一家臺(tái)灣企業(yè)，至今只混在消費(fèi)級(jí)電池領(lǐng)域（戴森的產(chǎn)品用的就是這家的電池）。
最后，金屬鋰作為負(fù)極材料的極大難度還表現(xiàn)在，到目前為止還都沒(méi)突破400次循環(huán)，離車(chē)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)還差得很遠(yuǎn)。
三
第二座大山是固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率難題。
電解質(zhì)的功能就是在電池充放電過(guò)程中為鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)搭建通道，決定鋰離子傳輸順暢與否的指標(biāo)就是離子電導(dǎo)率，離子電導(dǎo)率的高低直接影響了電池的整體阻抗和倍率性能。而不幸的是，無(wú)論是哪種材質(zhì)的固態(tài)電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率都普遍偏低，其中硫化物電解質(zhì)的電導(dǎo)率相對(duì)較高，也只是限于和最差的聚合物電解質(zhì)的對(duì)比。
聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電率差到哪種地步呢？在室溫25度下，聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率要低于常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)5個(gè)數(shù)量級(jí)，到60度時(shí)，依然差著2個(gè)數(shù)量級(jí)，到120度的時(shí)候依舊有1個(gè)量級(jí)的差距。
舉個(gè)例子，假設(shè)用這樣的一塊聚合物固態(tài)電池裝在你的手機(jī)里，你能想象你的手機(jī)內(nèi)部溫度高達(dá)近100度嗎？
再以法國(guó)Bollore 公司為例，為了保證他們家采用聚合物固態(tài)電池的電動(dòng)汽車(chē)能夠正常運(yùn)行，法國(guó)人甚至還專(zhuān)門(mén)為每輛汽車(chē)上搭配了一個(gè)加熱元器件，每次啟動(dòng)車(chē)輛之前都要將電池加熱到80度，因?yàn)橹挥袦囟壬吆螅姵氐膶?dǎo)電性才能變好。
升高電池溫度這一過(guò)程不僅麻煩，而且會(huì)消耗能量，導(dǎo)致電池Pack的有效能量密度顯著下降，同時(shí)由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實(shí)際使用時(shí)，還需要和大功率的超級(jí)電容器配合使用。
更要命的是，通常這種聚合物固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口都比較窄（一般在4V以下），對(duì)應(yīng)的正極材料選擇只能是磷酸鐵鋰、鈷酸鋰或者三元NCM111，使其總體能量密度很難達(dá)到300Wh/kg。例如法國(guó)Bollore 公司的聚合物電池，雖然號(hào)稱(chēng)是固態(tài)電池，但其比能量卻只有100Wh/kg。
由于固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體低于液態(tài)電解質(zhì)，這就導(dǎo)致了目前固態(tài)電池的內(nèi)阻過(guò)大，倍率性能整體偏低，所以固態(tài)電池暫時(shí)也就告別快充了（聚合物固態(tài)電池充滿(mǎn)電需要5個(gè)多小時(shí)）。業(yè)界人士表示，固態(tài)電池導(dǎo)電率要維持在在適當(dāng)?shù)乃?，不能過(guò)高，也不能過(guò)低，“這樣的材料非常難開(kāi)發(fā)”。
所以，電導(dǎo)率的問(wèn)題成為另一大阻礙固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一。
第三座大山是固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極的界面匹配問(wèn)題。
雖然固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極材料界面基本不存在像液態(tài)電解質(zhì)分解那樣的副反應(yīng)，但電解質(zhì)由液態(tài)換成固體之后的弊端也是顯而易見(jiàn)的。鋰電池體系由電極材料-電解液的固液界面向電極材料-固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉(zhuǎn)化過(guò)程中，就必然存在著由于固固之間無(wú)潤(rùn)濕性（傳統(tǒng)鋰電池的電解液和正負(fù)極有很好的浸潤(rùn)性，可以達(dá)到你中有我我中有你的和諧境界），“硬碰硬”的直接結(jié)果就是電解質(zhì)和正負(fù)極界面相容性不佳，界面接觸電阻變大，從而嚴(yán)重影響了鋰離子在界面之間的傳輸。
電解質(zhì)和正負(fù)極之間的界面相容性，直接決定了界面反應(yīng)電阻和電池循環(huán)穩(wěn)定性等諸多性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，目前固體電解質(zhì)與正負(fù)極之間的界面接觸阻抗值是電解質(zhì)本體阻抗的10倍以上，這直接導(dǎo)致一系列惡果：固態(tài)電池的內(nèi)阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、循環(huán)壽命變短、倍率性能變差。
固體電解質(zhì)和正負(fù)極直接的界面匹配問(wèn)題，界面阻抗大是制約固態(tài)電池循環(huán)性能的最重要瓶頸之一。
四
第四座大山，就是固態(tài)電池及其材料的生產(chǎn)工藝和設(shè)備難題。
前面提到了，鋰金屬用作負(fù)極材料的制備，堪比芯片制造的難度。金屬鋰是個(gè)十足活潑的活躍分子，極容易與空氣中的氧氣和水分發(fā)生反應(yīng)，并且還不耐高溫，這就給固態(tài)電池的生產(chǎn)組裝和實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)極大的困難。
還有，如果要改善電解質(zhì)和正負(fù)極的界面阻抗，就要通過(guò)在 1000度以上的高溫下燒結(jié)電極材料來(lái)增加界面的接觸面積，這對(duì)工藝要求也比較苛刻。
在薄膜型氧化物電解質(zhì)的制造中，由于傳統(tǒng)的涂布法無(wú)法控制粒子的粒徑與膜厚，成膜的均勻性比較低，只有真空鍍膜法才能夠較好保持電解質(zhì)的均勻性。所以薄膜型固態(tài)電池產(chǎn)品多采用真空鍍膜、磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等方法生產(chǎn)，對(duì)設(shè)備要求極高，制備工藝也很復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，成本高昂。
例如，2015 年被戴森收購(gòu)的 Sakti3就是生產(chǎn)薄膜型固態(tài)電池的，但其產(chǎn)品由于制備成本高以及規(guī)?；a(chǎn)難度大導(dǎo)致成本極其高昂，有人測(cè)算如果一輛電動(dòng)汽車(chē)采用Sakti3的固態(tài)電池的話(huà)，那么僅電池成本就高達(dá)9000萬(wàn)美元。
然而，戴森老爺子居然說(shuō)要在將來(lái)的戴森牌電動(dòng)車(chē)上使用Sakti3的固態(tài)電池，也真的是……壕。
目前即使是少數(shù)商用的薄膜型固態(tài)電池，都是用在對(duì)價(jià)格極其不敏感的航空航天、以及心臟手術(shù)領(lǐng)域。
另外，硫化物固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)環(huán)境限制與安全問(wèn)題也同樣令人心碎。因?yàn)榱蚧锘虘B(tài)電解質(zhì)對(duì)空氣極為敏感，特別容易氧化，稍微遇到一點(diǎn)水氣還容易產(chǎn)生硫化氫這樣的有毒氣體，這意味著其生產(chǎn)環(huán)境的控制將十分苛刻，需要隔絕水分與氧氣，并且還會(huì)產(chǎn)生有毒氣體。
（未來(lái)，想象這樣一個(gè)畫(huà)面，一旦在車(chē)子行駛過(guò)程中發(fā)生狀況電池破損，硫化物電池在和空氣接觸之后放出氣味很臭且有劇毒的硫化氫氣體……）
此外，理論上硫化物電解質(zhì)的生產(chǎn)環(huán)境需要嚴(yán)格隔絕水分和氧氣，但在實(shí)際操作中幾乎又是不可能的。因?yàn)榱蚧镫y免不和空氣中的水分反應(yīng)生成硫化氫氣體，所以這種電解質(zhì)必須采用冷壓技術(shù)在惰性氛圍下進(jìn)行生產(chǎn)，這進(jìn)而造成另一大問(wèn)題，就是這樣制造出來(lái)的電解質(zhì)微觀(guān)層面仍有空隙和晶界空格，無(wú)法做到完全致密，這樣充電循環(huán)過(guò)程中鋰枝晶就在會(huì)空隙中生成，最終導(dǎo)致電解質(zhì)破碎，電池短路。
按下葫蘆浮起瓢，確實(shí)愁煞個(gè)人。
所以，固態(tài)電池的生產(chǎn)制造將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。其生產(chǎn)流程、工藝方式和傳統(tǒng)鋰電池也是完全不一樣的。雖然理論上固態(tài)電池和當(dāng)下鋰電池在封裝技術(shù)上大同小異，但電解質(zhì)膜片和正負(fù)極極片的制備上，可以說(shuō)卻是全新的。例如制備固態(tài)電解質(zhì)或正極材料，就需要采用射頻濺射、射頻磁控濺射等各種濺射技術(shù)，甚至用3D打印技術(shù)；制備金屬鋰負(fù)極就需要采用真空熱氣相沉積技術(shù)。
這些技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，還是另一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
所以，在翻越這幾座大山之前，固態(tài)電池真正的產(chǎn)業(yè)化只是看上去很美，更何況是大規(guī)模應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)上了。
事實(shí)上，業(yè)界普遍認(rèn)為的固態(tài)電池的諸多優(yōu)勢(shì)都只是理論上的，很多層面都沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。相對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)電池，目前在全球范圍內(nèi)還沒(méi)有報(bào)道顯示固態(tài)電池的綜合電化學(xué)性能超過(guò)液態(tài)。且當(dāng)前研究重點(diǎn)還是解決循環(huán)性、倍率特性，各類(lèi)全固態(tài)電池的熱失控、熱擴(kuò)散行為的測(cè)試數(shù)據(jù)還都非常少，說(shuō)明這方面做得工作還遠(yuǎn)未到位。
例如，雖然業(yè)界對(duì)固態(tài)電解質(zhì)的研究已有近30年的歷史，但直到今天都沒(méi)有克服鋰離子傳導(dǎo)效率差這一世界難題。
在電化學(xué)領(lǐng)域，一種新的材料、新的技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)應(yīng)用層面，一般需要十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。從目前看來(lái)，固態(tài)電池仍舊處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，諸多業(yè)界精英都在為解決電解質(zhì)和正負(fù)極材料的集成、鋰離子電導(dǎo)率低、界面阻抗大等基本問(wèn)題努力奮戰(zhàn)，但我們也必須認(rèn)識(shí)到，問(wèn)題得到解決終究不是一日之功。
即便是越過(guò)了實(shí)驗(yàn)室階段，還要再經(jīng)歷一輪又一輪的小試、中試，攻克掉諸多生產(chǎn)技術(shù)和工藝等方面的難關(guān)，才可以最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而這又尚需很長(zhǎng)的時(shí)日。
鋰電池的產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)步，需要全產(chǎn)業(yè)鏈的相互協(xié)調(diào)和配合才能完成，所以在當(dāng)下與其配套的材料、設(shè)備、工藝還不成熟，甚至連技術(shù)路線(xiàn)都沒(méi)確定，生產(chǎn)設(shè)備都沒(méi)有的情況下，談?wù)摴虘B(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化還為時(shí)尚早。
可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)固態(tài)電池一定會(huì)遵循液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到全固態(tài)的發(fā)展路徑。伴隨每一個(gè)階段的躍升過(guò)程的是，上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的共同成熟和壯大。
題外話(huà)，固態(tài)電池的普及過(guò)程，也許就是當(dāng)前鋰電產(chǎn)業(yè)鏈條的重塑和顛覆過(guò)程。
固態(tài)電池的前景可期，從國(guó)家和整個(gè)行業(yè)層面應(yīng)該進(jìn)行一定的布局，包括通過(guò)立項(xiàng)一些國(guó)家級(jí)的研發(fā)項(xiàng)目等手段來(lái)未雨綢繆。
不過(guò)對(duì)于整個(gè)新能源汽車(chē)及上下游產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)有體系還有不小的降本空間，以及能量密度的提升空間的前提下，更應(yīng)該將主要精力花在高鎳正極、硅碳負(fù)極以及高電壓電解液等一系列必須要面對(duì)的技術(shù)難題上來(lái)，更何況高鎳811的量產(chǎn)道路上尚且還有不少基礎(chǔ)問(wèn)題需要去解決。
對(duì)于固態(tài)電池，還要摒棄那種通過(guò)顛覆式技術(shù)創(chuàng)新來(lái)快速獲取成功的念頭，因?yàn)檫@種心態(tài)對(duì)于制造業(yè)，尤其是鋰電池這種前期投入巨大的高端制造業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)異于毒藥。
衷心感謝業(yè)內(nèi)人士對(duì)本文所做的貢獻(xiàn)。作者微信：99771985
參考文獻(xiàn)：
《全固態(tài)鋰離子電池關(guān)鍵材料研究進(jìn)展》……李楊，丁飛，桑林，鐘海， 劉興江
《固態(tài)鋰電池研發(fā)愿景和策略》……李泓，許曉雄
《全固態(tài)鋰電池的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)》……李泓
《固態(tài)鋰電池深度報(bào)告：十年磨一劍，何懼試鋒芒》……中銀電新
《固態(tài)電池——后鋰電時(shí)代必經(jīng)之路》……華創(chuàng)證券
