2021 年 1 月，蔚來宣稱將于 2022 年第四季度交付裝配固態(tài)電池的新款汽車車型，能量密度超過 360 Wh/Kg，續(xù)航里程超過 1000 公里。這是業(yè)內首次有整車企宣布將量產搭載固態(tài)電池的車型，隨后市場對于固態(tài)電池的關注度明顯升高。
業(yè)界對于固態(tài)電池技術的探索已經持續(xù)多年，目前普遍觀點認為固態(tài)電池技術成熟周期仍有 5 - 10 年之久（技術成熟、成本下降、供應鏈重塑、裝車驗證）。2021 年 4 月，國內動力電池產業(yè)龍頭企業(yè)寧德時代董事長曾毓群在接受對話訪談中公開表示，“ 3 - 5 年內能做到上車的，都不是全固態(tài)電池”。
在學術界，從不同層面提升固態(tài)電池穩(wěn)定性的材料和方法近些年來成為大量科研工作者的關注焦點。同時，工業(yè)界也涌現出一批致力于推動固態(tài)電池產業(yè)化的中堅力量。固態(tài)電池出現和發(fā)展的驅動力是什么？主流的技術路徑包括哪些方面？產業(yè)化的發(fā)展態(tài)勢是怎樣的？本文嘗試從科研與產業(yè)雙重角度，為讀者重點梳理固態(tài)電池的技術探索前沿以及產業(yè)化推動力量，并對短期內固態(tài)電池發(fā)展趨勢做展望。
固態(tài)電池發(fā)展的驅動力
新能源汽車的普及是遠期實現碳中和目標的關鍵一環(huán)。過去幾年尤其是 2019 - 2020 年，新能源汽車產業(yè)迎來爆發(fā)式增長，以特斯拉、比亞迪、造車新勢力為代表的電動車整車企業(yè)無論是在整車交付還是在資本市場表現都非常優(yōu)異。動力電池作為新能源汽車中的核心零部件自然也備受關注，新能源汽車產業(yè)鏈的爆發(fā)也帶動其上游的鋰離子動力電池產業(yè)鏈迎來強勁增長。
鋰離子動力電池的能量密度伴隨著全產業(yè)鏈的爆發(fā)式增長而不斷上升，這得益于電池材料以及制造工藝等多方面的改進。材料方面，三元材料/磷酸鐵鋰正極+石墨類負極是當下動力電池主流采用材料；制造工藝方面，以寧德時代“ CTP ”技術和比亞迪“刀片電池”技術為代表的先進生產工藝也在提升著動力電池的能量密度。目前鋰離子動力電池的能量密度上限大約是 300 - 350 Wh/Kg。
持續(xù)推動動力電池能量密度提升是解決新能源汽車里程焦慮的關鍵，也是當下和未來一段時間繞不開的主題。根據十四五動力電池技術路線圖（《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》）的規(guī)劃，到 2025 、2030、2035 年這三個關鍵時間節(jié)點時，高能量密度電池的目標分別將達到 350 、400 、500 Wh/Kg。
對固態(tài)電池的需求一方面來自對動力電池體系更高能量密度的追求。鋰離子動力電池的能量密度上限是受當前主流的石墨負極和或將成為主流的硅碳負極決定的，如果想要達到更高的能量密度，例如 350 Wh/Kg以上，甚至達到 500 Wh/Kg，則依賴以金屬鋰為代表的新一代負極材料。
金屬鋰具有超高的比容量（3,860 mAh/g）和最低的氧化還原電勢（-3.040 V vs. 標準氫電極），因此在未來高能量密度儲能體系（如全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰氧電池）中均必不可少。因此固態(tài)電池的終極目標也是圍繞金屬鋰負極打造可產業(yè)化的電化學體系。
圖1｜采用不同材料得到的理論能量密度上限，金屬鋰負極可以做到 350 - 500 Wh/Kg（圖片來源：Battery ShowCase, QuantumScape, 2020.12）
另一方面，固態(tài)電池也有望改善動力電池的安全性和延長其使用壽命。目前商用化的鋰離子動力電池均采用有機電解液，其優(yōu)點是與電極材料浸潤性好，從而能夠保證電極材料的充分利用，且能夠在室溫環(huán)境下保持較高的離子電導率。但同時，有機電解液揮發(fā)性高、易泄露、易燃，存在安全隱患，例如最近兩年電動汽車自燃新聞屢屢引發(fā)社會關注。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質（solid-state electrolyte）替代液態(tài)鋰離子電池中的電解液和隔膜，安全性能將得到改善，并且有望提升電池的單體能量密度和延長電池使用壽命。
固態(tài)電池研發(fā)面臨的主要痛點
目前動力電池主流是鋰離子電池，其核心組成包括 4 個部分：正極、負極、隔膜、電解液。在充電時，正極的含鋰化合物（如磷酸鐵鋰、鎳鈷錳或鎳鈷鋁三元材料）有鋰離子脫出，在電解液中穿過隔膜移動到負極，負極的碳材料（如石墨、硅碳負極）呈層狀結構，有很多微孔，到達負極的鋰離子嵌入到微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。反之，鋰離子從負極移動回正極就完成了一次放電過程。
在鋰離子電池首次充放電過程中，負極材料與電解液在固液相界面上會發(fā)生反應，在負極材料的表面沉積一層厚度約幾十納米的鈍化膜，這層膜被稱為固體電解質界面膜（solid electrolyte interface，SEI 膜），鋰離子可以穿過 SEI 膜自由的在負極嵌入和脫出，但電解液中的有機溶劑分子不能通過，因此 SEI 膜的存在雖然會消耗一部分鋰，但也會對負極起到保護作用，從而提升電池的循環(huán)性能和使用壽命。
然而在電池長期循環(huán)充放電的過程中，當負極材料和 SEI 膜表面變得不平整，或當進行過充電、使用大電流充電時，負極表面會出現析鋰效應（Li plating），生長出鋰枝晶（Li dendrite）。
鋰枝晶不斷形成與斷裂，一方面會在斷裂后變成“死鋰”不再繼續(xù)貢獻容量，另一方面可能會持續(xù)生長甚至刺穿隔膜造成電池短路甚至引起爆炸。同時，鋰枝晶的形成還破壞了脆弱的SEI膜，增加了負極與電解液接觸的表面積，導致新暴露的鋰繼續(xù)與電解液發(fā)生反應，進一步降低電池的庫倫效率（充電效率），并縮短電池的循環(huán)壽命。
圖2｜金屬鋰負極令人困擾的鋰枝晶問題（圖片來源：Liu et al., Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries, Nature Energy, 2019）
早在鋰離子電池實現商用化之前，Stanley Wittingham（因鋰離子電池研發(fā)突出貢獻獲得 2019 年諾貝爾化學獎的三位科學家之一）在 1970 年代首次提出可充電鋰電池概念時，就嘗試采用金屬鋰作為負極。然而鋰枝晶問題在當時一直得不到解決，直到后來科學家放棄金屬鋰轉而采用石墨類電極，才實現了鋰離子電池邁向商業(yè)化的關鍵突破。
時至今日，經過學術界對鋰離子電池和固態(tài)電池材料體系和研究方法的多年探索，金屬鋰負極有望得到“復興”，這是實現固態(tài)電池產品化的關鍵前提。基于近年來在該領域取得的進展，《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）也將“鋰金屬電池”列為 2021 年十大突破性技術（10 Breakthrough Technologies）。
固態(tài)電池研發(fā)的主要技術路徑
2017 年，斯坦福大學材料科學與工程系崔屹教授團隊在 Nature Nanotechnology 期刊發(fā)表綜述論文（Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries），總結了學術界為提升金屬鋰作為負極材料的穩(wěn)定性做出的努力和貢獻。我們將其整理成以下 4 個層面：
電解液層面，進行電解液化學成分調控，例如增加鋰鹽溶劑濃度、設計新型電解液體系、改進電解液添加劑等，目的是為了實現鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶形成；
電極-電解質界面層面，優(yōu)化 SEI 膜的穩(wěn)定性，例如設計人工 SEI 膜、在納米尺度上強化自然形成的 SEI 膜、或者使用 3D 銅集流體調節(jié)鋰的沉積行為使鋰沉積更均勻；
負極材料和結構層面，使用復合型穩(wěn)定材料或者三維骨架結構減小充放電過程中負極的體積變化，但這方面的研究才剛開始。我們后文中介紹的三星電子設計采用 Ag-C 復合材料作為新型電池體系的負極就是這個層面的創(chuàng)新代表案例；
固體電解質層面，采用固態(tài)電解質替換有機電解液，包括無機固態(tài)電解質、聚合物固態(tài)電解質以及無機/聚合物混合固態(tài)電解質，固體電解質體系也正在從單一組分走向多元復合。
圖3｜提升金屬鋰負極穩(wěn)定性的主要技術路徑/研究手段（圖片來源：Zhang et al., Towards practical lithium-metal anodes, Chemical Society Reviews, 2020）
其中，固態(tài)電解質是目前國際上固態(tài)鋰電池專利申請量最多的技術領域，也是固態(tài)電池研發(fā)的核心。理想的固態(tài)電解質應具備以下性能：高彈性模量以防止被鋰枝晶穿透，常溫下鋰離子電導率高，化學穩(wěn)定性高不與正極或負極材料發(fā)生反應，電化學窗口寬，界面阻抗低，界面接觸良好等。
圖4｜理想的固態(tài)電解質性能（圖片來源：Fan et al., Recent Progress of the Solid-State Electrolytes for High-Energy Metal-Based Batteries, Advanced Energy Materials, 2018)
整體上，固態(tài)電解質可以分為陶瓷（無機）固態(tài)電解質和聚合物（有機）固態(tài)電解質兩大類，前者又可進一步細分為氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等，目前研究較為深入且更有潛力的是氧化物和硫化物兩類。氧化物中根據晶型可以分為鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON 型、LISICON 型，石榴石型和 NASICON 型綜合來看是氧化物類中相對更有潛力的材料。
不同材料的性能差異巨大。聚合物固態(tài)電解質的鋰離子電導率低、彈性模量低，沒辦法有效的阻擋鋰枝晶生長，但其界面接觸比無機固態(tài)電解質更好，柔性易加工。陶瓷固態(tài)電解質相比于聚合物固態(tài)電解質鋰離子電導率較高、彈性模量高，但陶瓷固態(tài)電解質的缺點是界面接觸差且會因此導致界面阻抗高；具體來看，硫化物類固態(tài)電解質鋰鍺磷硫（LGPS）的鋰離子電導率接近液態(tài)電解質，但對空氣極為敏感；NASICON 型氧化物雖然離子電導率不高，對金屬鋰也不穩(wěn)定，但是可以耐受水的侵蝕；石榴石型氧化物固態(tài)電解質鋰鑭鋯氧（LLZO）在空氣中相對穩(wěn)定，離子電導率介于硫化物和聚合物之間，對金屬鋰化學穩(wěn)定，但界面問題是挑戰(zhàn)。
我們舉石榴石型氧化物鋰鑭鋯氧（LLZO）為例。2019 年，南策文院士團隊在 Joule 期刊發(fā)表論文論述了 LLZO 的潛力，他們認為 LLZO 在以上四種典型固態(tài)電解質中綜合性能是最優(yōu)的，最具應用前景。南策文院士接受 Cell Press 專訪時解釋了 LLZO 現實應用的相對優(yōu)勢，具體包括：
1）LLZO 離子電導率以及可達到的面電阻可以滿足應用的需求；2）LLZO 粉體材料可以在大氣環(huán)境下實現規(guī)?；a；3）LLZO 在化學上對鋰金屬穩(wěn)定，為鋰金屬負極的使用提供了可能，LLZO 的電化學窗口寬，可以和高電壓正極相匹配，這些都為高能量密度固態(tài)電池的實現提供了材料基礎；4）近幾年來，越來越多的研究人員關注LLZO的研發(fā)，澄清了很多制約 LLZO 應用的瓶頸問題的關鍵機理，并給出了切實可行的解決方案。不過界面問題的挑戰(zhàn)依然艱巨，南策文院士也表示 LLZO 固態(tài)鋰電池投入實際應用還需 5 - 10 年。
圖5｜4 種典型固態(tài)電解質性能對比（圖片來源：Zhao et al., Solid Garnet Batteries, Joule, 2019)
如何平衡離子電導率、彈性模量以及界面接觸和界面阻抗之間的兩難問題，還需要做大量的工作。其中一個很好的策略是將陶瓷和聚合物兩種固態(tài)電解質進行結合，例如將陶瓷和聚合物組合成三明治結構，或者將二者編織成三維納米導線結構。這個方向值得我們持續(xù)關注。
圖6｜兩種將陶瓷和聚合物固態(tài)電解質進行組合的示意圖（圖片來源：Lin et al., Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries, Nature Nanotechnology, 2017）
除了電池材料領域追求不斷的創(chuàng)新，固態(tài)電池的生產制造工藝同樣需要投入大量的工作。因為金屬鋰負極和固態(tài)電解質的存在，固態(tài)電池與鋰離子電池的生產制造流程差異非常大。固態(tài)電池順利實現產業(yè)化應用的前提是技術成熟和成本可控，如何在未來將固態(tài)電池的生產成本控制在可行的范圍內，前方依然有很長的路程需要探索。
圖7｜基于硫化物電解質的固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池生產制造流程對比（圖片來源：Schnell et al., All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries – paving the way to large-scale production, Journal of Power Souces, 2018）
推動固態(tài)電池產業(yè)化的核心力量
近幾年，專業(yè)從事固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)尤其是創(chuàng)業(yè)企業(yè)成為推動產業(yè)發(fā)展的重要力量，海內外整車廠積極擁抱和參與。在國內，清陶發(fā)展獲得了來自北汽、上汽、廣汽的多輪產業(yè)投資，除此之外還與合眾達成合作關系；輝能科技獲得了一汽的產業(yè)投資，同時蔚來、天際等與其就固態(tài)電池研發(fā)展開合作；在國外，固態(tài)電池全球第一股 QuantumScape 獲得了大眾、上汽的投資；Solid Power 獲得了三星、現代、福特的投資，并與寶馬、福特達成深度合作伙伴關系；Ionic Material 獲得了雷諾-日產-三菱聯盟的投資。
另一方面，車企、動力電池巨頭和鋰資源巨頭也積極布局固態(tài)電池。豐田自身在固態(tài)電池領域深耕多年，同時近年來也宣布與松下展開合作；三星近期采用新型負極材料體系在固態(tài)電池領域取得重大突破；寧德時代在固態(tài)電池專利方面持續(xù)積累勢能；贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料技術與工程研究所合作，成立浙江鋒鋰；天齊鋰業(yè)通過投資衛(wèi)藍新能源進入固態(tài)電池領域。
本文中我們對有一定產品和技術進展披露的固態(tài)電池研發(fā)商進行重點復盤，為讀者梳理推動固態(tài)電池產業(yè)化的核心力量（未全部覆蓋）。
我們注意到一個很有意思的現象，日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質技術路線，而中國企業(yè)多采用氧化物為主，歐美企業(yè)在聚合物、氧化物、硫化物路徑選擇上相對更均衡。豐田、三星在硫化物領域積累深厚，壓重注打造全固態(tài)電池；而中國和歐美企業(yè)則更有可能采取從固液混合/半固態(tài)電池到全固態(tài)電池過渡的形式分步實現。
以下，清陶發(fā)展、衛(wèi)藍新能源、輝能科技、QuantumScape 等主要采取氧化物固態(tài)電解質路線；豐田、三星電子、Solid Power 等主要采取硫化物固態(tài)電解質路線。
圖8｜固態(tài)電池全景圖（圖片來源：Solid-state battery landscape, QuantumScape, 2021.03）
清陶發(fā)展
清陶發(fā)展 2014 年成立，由中國科學院院士、發(fā)展中國家科學院院士、清華大學材料科學與工程研究院院長清南策文創(chuàng)辦。北汽、上汽、廣汽分別領投了清陶 E 輪、 E+ 輪、 E++ 輪融資，2021 年 3 月，清陶完成了上?？苿?chuàng)基金領投的 F 輪融資，公司估值已超 100 億人民幣。根據清陶披露，公司現已建成“新能源材料—固態(tài)鋰電池—自動化裝備—鋰電池資源綜合利用—科研成果孵化—產業(yè)投資”的完整產業(yè)生態(tài)鏈。
技術路線方面，根據官網披露，清陶主要采用納米級鋰鑭鈦氧（LLTO）、鋰鑭鋯氧（LLZO）作為固態(tài)電解質材料。產能方面，2018 年清陶建成國內首條固態(tài)鋰電池產線，產能規(guī)模 0.1 GWh，產品在特種安全領域開展應用。2020 年 7 月，清陶在江西省宜春市建成投產首期年產 1 GWh 固態(tài)鋰電池項目，投資 5.5 億元，并計劃二期新增產能 9 GWh，投資 49.5 億元。
清陶開發(fā)的第一代量產型動力固態(tài)鋰電池產品于 2019 年通過國家機動車產品強檢，并與北汽、上汽、廣汽、合眾等多家整車廠就上車開展合作溝通。合眾、北汽也分別在 2020 年 7 月展示了搭載清陶固態(tài)電池系統(tǒng)的哪吒 U、北汽藍谷固態(tài)電池版純電動樣車。
衛(wèi)藍新能源
衛(wèi)藍新能源依托于中科院物理所于 2016 年成立，是物理所清潔能源實驗室固態(tài)電池技術的唯一產業(yè)化平臺。創(chuàng)始團隊包括中國工程院院士、中科院物理所研究員陳立泉，北汽新能源前總工程師俞會根，中科院物理所研究員李泓。衛(wèi)藍目前已經獲得中科院物理所和中科院科技成果轉化基金的投資，以及天齊鋰業(yè)、三峽資本的產業(yè)投資。
衛(wèi)藍新能源采用氧化物固態(tài)電池路線，根據公開信息，目前公司完成了 300 Wh/kg 以上高鎳三元正極的混合固態(tài)電池設計開發(fā)，已經給多家國際國內整車廠送樣測試，成功通過針刺、擠壓、過充、短路等濫用試驗，循環(huán)壽命達到 1200 次以上。
輝能科技
輝能科技（ProLogium）的固態(tài)電池于 2017 年量產，主要應用于消費電子和可穿戴電子產品市場，之后，輝能正式進軍電動汽車市場。2020 年，輝能完成了中銀投資、一汽的 1 億美元 D 輪融資。根據輝能公開披露消息，目前已經有 6 家整車廠與輝能簽署了框架協(xié)議，其中就包括一汽。
輝能的固態(tài)電池技術路線是采用鋰陶瓷（Lithium-Ceramic）固態(tài)電解質，同時也包括少于 10% 的液態(tài)電解質，電極方面，2020 年以前輝能采用的是 LCO（鈷酸鋰）+石墨負極的配方，從 2020 年開始調整為高鎳三元正極+硅氧負極，這樣預期到 2025 年能夠達到接近 900 Wh/L 的體積能量密度，同時能夠保持良好的安全性。輝能也表示目前 330 Wh/kg、850 - 880 Wh/L 的能量密度在實驗室中已經可以實現，但因為成本的因素目前還不能量產。
產能方面，2020 年 7 月，輝能大陸區(qū)總部及全球產業(yè)基地項目落地杭州臨安區(qū)，并宣布分兩期建設 2G Wh、5G Wh 的固態(tài)鋰陶瓷電池芯產業(yè)化項目，并同時將考慮與車企合資建置產線，預計 2023 年四季度兩期產能全部建成。此前，輝能分別在桃園建設了 40M Wh、1G Wh 的 G1 和 G2 工廠產能。
圖9｜輝能科技（半）固態(tài)電池產品能量密度規(guī)劃路線圖（圖片來源：第一電動）
贛鋒鋰業(yè)
2017 年，贛鋒鋰業(yè)引入中科院寧波材料技術與工程研究所研究員許曉雄團隊，成立浙江鋒鋰新能源科技有限公司，切入固態(tài)電池研發(fā)。2021 年 4 月，贛鋒鋰業(yè)披露公司第一代固態(tài)電池做了中試線，設計產能為 0.3GWh，目前正在開發(fā)第二代基于高鎳三元正極、含金屬鋰負極的固態(tài)電池，能量密度超過 350Wh/Kg，循環(huán) 400 次。
豐田
豐田是全球最早進入固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)，可追隨到 2004 年，目前在固態(tài)電池領域已經積累了超過 1000 項專利，遙遙領先于其他企業(yè)或組織。2019 年，豐田宣布與松下合作開發(fā)固態(tài)電池，并于當年展示了固態(tài)電池樣品。2020 年，豐田宣布將推出搭載硫化物固態(tài)電池的車型，最早可能于 2022 年實現量產。在今年舉辦的東京奧運會上豐田有可能展示其最新成果。
三星電子
2020 年 3 月，三星電子旗下 Samsung Advanced Institute of Technology（SAIT）在 Nature Energy 期刊發(fā)表固態(tài)電池研究進展論文，提出了一種以銀-碳復合薄層作為負極、以硫化物材料為固體電解質，以高鎳三元材料為正極的新型電池材料體系，在無過量鋰添加的條件下，這種容量 0.6 Ah 的原型電池實現了超過 900 Wh/L 的體積能量密度，超過 99.8% 的庫倫效率，以及長達 1000 次的循環(huán)壽命。
在這種新型的電池材料體系中，銀-碳復合層作為負極或者說金屬鋰與固體電解質之間的過渡層，對于循環(huán)充放電的穩(wěn)定性起到了關鍵作用。單純使用碳或者銀都達不到二者協(xié)同的效果。在首次充電后，金屬鋰穿過銀-碳層沉積在負極，少量的鋰和銀結合成銀鋰合金，并分布于過渡層及鋰層內，對鋰層的致密規(guī)整化有積極作用。放電后，鋰層完全消失，金屬鋰回歸正極。經過多次循環(huán)后，銀在復合負極中的位置向負極集流體富集，電池的循環(huán)性能得到保持。
目前這種新型電池的室溫和低溫性能相比于傳統(tǒng)鋰離子電池仍有很大差距，且高昂的材料成本是規(guī)?；瘧玫淖璧K，后續(xù)仍需大量工作。
圖10｜三星電子設計的基于 Ag-C 復合負極材料的新型固態(tài)電池（圖片來源：Lee et al., High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes, Nature Energy, 2020）
QuantumScape
QuantumScape 是一家專門做金屬鋰固態(tài)電池的美國企業(yè)，2010 年公司從斯坦福大學科技成果轉化而來，創(chuàng)始人包括 Jagdeep Singh、斯坦福大學教授 Fritz Prinz、斯坦福大學研究員 Tim Holme。該公司于 2020 年 12 月在紐約證券交易所上市，成為全球固態(tài)電池行業(yè)第一股。
QuantumScape 目前擁有固態(tài)電池相關專利技術 200+，超過 250 名員工，總融資額超過了 15 億美金。大眾集團在 2018 年、2020 年分別向其投資 1 億和 2 億美金，并與其成立合資公司。該公司其他知名投資人還包括比爾·蓋茨、大陸集團、Breakthrough Energy Ventures、上汽集團、Lightspeed、Khosla Ventures、KPCB等等。
QuantumScape 開發(fā)的是基于 100 % 固態(tài)陶瓷電解質（solid-state ceramic separator）的鋰金屬固態(tài)電池。QuantumScape 公開披露的測試數據表明該電池：1）可支持快充，15 分鐘可以充滿 80 %；2）具有良好的循環(huán)壽命，單層電池循環(huán) 1000 次依然能夠保持 80 %以上的容量，多層電池可循環(huán) 800 次并保持約 80 %容量；3）在零下 30 攝氏度的低溫環(huán)境中也能保持一定運行狀態(tài)。
目前 QuantumScape 給出的相關數據還是基于電池片原型，并非電芯 cell，距離裝車還有較遠的距離，根據公司的量產規(guī)劃，預計最早實現大規(guī)模量產裝車是在 2026 年前后。
根據中金公司的解讀，QuantumScape 的固態(tài)電池技術路線極有可能是氧化物體系下的石榴石狀復合氧化物固態(tài)電池，電解質體系為鋰鑭鋯氧（LLZO）。這種材料是固態(tài)電解質中對金屬鋰負極適配性較優(yōu)的體系，可以做成隔膜產品，但同時也有高界面阻抗等缺點，且制造工藝復雜。因此，鋰鑭鋯氧電池單體從理論性能上具備一定的實用性，但距離量產還有很長的距離。
圖11｜QuantumScape發(fā)展里程碑（圖片來源：Analyst Day, QuantumScape, 2020.10）
圖12｜QuantumScape生產的基于陶瓷材料的固態(tài)隔膜與單層電池片示意圖（圖片來源：Battery Showcase, QuantumScape, 2020.12）
圖13｜QuantumScape量產規(guī)劃：大規(guī)模量產裝車最早可能在2026年（圖片來源：Analyst Day, QuantumScape, 2020.10）
Solid Power
Solid Power 于 2012 年成立于美國科羅拉多州，從科羅拉多大學 Boulder 分校衍生出來，主要生產基于硫化物固體電解質的全固態(tài)電池。Solid Power 就全固態(tài)電池開發(fā)與寶馬、福特開啟了深度合作伙伴關系。同時該公司還獲得了來自三星、現代、福特、Volta Energy Technologies、Solvay 等產業(yè)方的投資。目前公司在科羅拉多州路易維爾市擁有 MWh 產能的電池生產線。
2020 年 12 月，Solid Power 披露了該公司研發(fā)的 22 層 20 Ah、能量密度達到330 Wh/Kg 的全固態(tài)金屬鋰電池進入量產。按照規(guī)劃，2022 年能量密度將提升到400 Wh/Kg。根據最新的測試數據，Solid Power 的 2 層原型電池在室溫下（29 攝氏度）可循環(huán)超 250 次，10 層 2 Ah 原型電池在室溫下可循環(huán)超 30 次。
Solid Power 宣稱其研發(fā)的全固態(tài)金屬鋰電池可以利用現有的鋰離子電池產能進行生產制造，時間規(guī)劃上，最早將于 2022 年進行上車測試，搭載其固態(tài)電池的量產車型最早可能在 2025 年開始生產。
圖14｜Solid Power最新固態(tài)電池發(fā)布（圖片來源：Solid Power Company Update）
圖15｜Solid Power固態(tài)電池測試數據（圖片來源：Solid Power Company Update）
展望固態(tài)電池的未來
回顧可充電鋰離子電池的發(fā)展簡史，從 Stanley Wittingham 在 1970 年代首次提出可充電鋰電池概念，并采用金屬鋰作為負極、層狀硫化物（二硫化鈦）作為正極，到 John Goodenough 在 1970 年代末 1980 年代初改進正極材料為層狀氧化物（鈷酸鋰）、吉野彰 1980 年代開創(chuàng)可嵌入鋰離子的富碳材料作為負極，再到 1991 年索尼公司發(fā)布首個商用可充電鋰離子電池，鋰離子電池的研發(fā)跨度橫跨幾十年，且在此之后在科研和工業(yè)界的聯合推動下仍不斷迭代，直到我們今天熟悉的現狀。
圖16｜早期鋰離子電池研發(fā)里程碑（圖片來源：Xie & Lu, A retrospective on lithium-ion batteries, Nature Communications, 2020）
固態(tài)電池的出現是鋰離子電池研發(fā)的延續(xù)，從鋰離子電池的研發(fā)簡史可以推斷，固態(tài)電池的研發(fā)也將經歷以十年為單位的技術探索、試錯、迭代、優(yōu)化，這不是一件一蹴而就的易事。鋰離子電池的研發(fā)成功集成了全世界幾代頂級科學家的成果，又因為消費電子、電動汽車、儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應用成為產業(yè)發(fā)展的關鍵性因素。固態(tài)電池也必定離不開全世界科研與工業(yè)界的相互融合，迎著碳中和時代的新需求，共同向前人的成果發(fā)起挑戰(zhàn)。
目前看來，從鋰離子液態(tài)電池向全固態(tài)電池的過渡依賴技術的迭代，中間將會出現半固態(tài)或混合固態(tài)電池，液態(tài)電解質可能將作為固態(tài)電解質的補充而非直接被全部替代，穩(wěn)定的復合材料而非金屬鋰作為負極短期內可能更為現實。固態(tài)電池應用領域的滲透有可能依次遵循特種設備、消費鋰電、動力鋰電的路徑。
固態(tài)電池不同的研發(fā)技術路線還沒有明顯的勝負之分，在一段時間內，采取不同技術路線的固態(tài)電池研發(fā)都將持續(xù)（例如不管是采用哪種材料體系的固體電解質），并都有機會成為下一代電池技術的核心。
當下，液態(tài)鋰離子電池產業(yè)依然保有極其旺盛的生命力，到 2025 年前，液態(tài)鋰離子電池仍是市場主角?？赡茏钤缭?2023 年前后，半固態(tài)電池將逐漸進入市場，且因為量產有限成本高企僅在對能量密度要求較高的高端車型上出現，之后的 5-7 年時間是半固態(tài)電池向全固態(tài)電池進化的關鍵期，2030 年前后全固態(tài)電池可能將較為普及（這里具體時間不是絕對的，或許隨著技術的爆發(fā)成熟期更早到來，僅供參考）。
2030 年及之后，全固態(tài)電池可能將極大程度消解消費者對新能源汽車的里程焦慮問題。且隨著充電樁等基礎設施的普及，純電動汽車相比于燃油車和混合動力車型也將更有競爭力，并有可能在此基礎上走向純電動汽車對燃油汽車的完全替代。這是人類全面邁向碳中和時代的關鍵一步。
特別致謝
感謝吳凡老師對本文的技術指導意見。吳凡老師現任中國科學院物理研究所特聘研究員、博士生導師，中國科學院物理研究所長三角研究中心科學家工作室主任，天目湖先進儲能技術研究院首席科學家。他的主要研究方向為全固態(tài)電池及固態(tài)電解質的基礎科學及產業(yè)化應用研究。
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