中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，獲得德國(guó)大眾及上汽集團(tuán)等多家車(chē)企等投資的固態(tài)電池公司QuantumScape表示，其鋰金屬電池將很快應(yīng)用到汽車(chē)和卡車(chē)上，引起產(chǎn)業(yè)圈和資本圈的重點(diǎn)關(guān)注。且Quantum Scape于今年11月上市。
百靈研究特邀固態(tài)電池資深專(zhuān)家，就這個(gè)主題來(lái)做個(gè)深入解析。
1. 為什么要發(fā)展固態(tài)電池
續(xù)航里程是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的核心原因，提升續(xù)航里程主要靠提升電池能量密度，而鋰離子電池能量密度主要是由正負(fù)極的材料體系決定的，現(xiàn)有正負(fù)極材料體系的限制下，鋰離子電池包的極限能量密度難以達(dá)到要求。
如果希望提高能量密度，需要更換正負(fù)極材料，比如負(fù)極用上鋰金屬，但鋰金屬負(fù)極對(duì)于電池的要求很高，也就因此有了固態(tài)電池。
#插曲# 其實(shí)金屬負(fù)極電池早于石墨負(fù)極電池
鋰電池早期就是鋰金屬負(fù)極+固態(tài)電解質(zhì)材料，鋰金屬電池曾被Moli公司商業(yè)化。但鋰金屬在電池的充放電過(guò)程中會(huì)形成“枝晶”并快速長(zhǎng)大，刺破隔膜造成內(nèi)短路，使得電池內(nèi)部熱量急劇聚集、溫度極速上升，最終會(huì)導(dǎo)致電池的起火爆炸。當(dāng)時(shí)，在尋求解決鋰枝晶問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)石墨能緩解鋰枝晶問(wèn)題，鋰離子電池由于石墨負(fù)極的發(fā)現(xiàn)，被日本sony推向市場(chǎng)。
#插曲完#
石墨負(fù)極適用于能量密度低的場(chǎng)景，如希望能量密度，就需要重新面對(duì)鋰金屬負(fù)極，解決抑制鋰枝晶的問(wèn)題。固態(tài)電解質(zhì)有希望提高電池安全性。這也就是固態(tài)電池被大家關(guān)注的原因。
2. 當(dāng)前主流固態(tài)電池的實(shí)際情況
當(dāng)前主流液態(tài)電解質(zhì)電池里，液態(tài)電解液占整個(gè)電池的質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%~25%?，F(xiàn)在通常所說(shuō)固態(tài)電池，比如國(guó)內(nèi)北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶、寧波鋒鋰、臺(tái)灣輝能等產(chǎn)品，實(shí)際上是固液混合電池，電解液含量在1%到10%不等。而嚴(yán)格定義的全固態(tài)電池是沒(méi)有任何電解液的，也就是說(shuō)電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為0，這種電池內(nèi)完全由固態(tài)電解質(zhì)作為導(dǎo)體介質(zhì)。
3. 固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)
3.1 優(yōu)點(diǎn)
1) 高安全性：固態(tài)電解質(zhì)比液態(tài)電解液的燃點(diǎn)高很多，不易燃且不會(huì)發(fā)生流動(dòng)和滲漏。
2) 提升能量密度：固體形態(tài)可抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，能夠使鋰金屬負(fù)極成為可能。鋰金屬負(fù)極電池能量密度能夠提升35%以上，如果用高鎳三元NCM811作為正極，電池能量密度就可達(dá)500Wh/kg以上，用磷酸鐵鋰做正極，電池能量密度也可以達(dá)到300Wh/kg以上。
3) 減少活性物質(zhì)，提升能量密度：鋰離子電池兩面在同一個(gè)集流體里，一個(gè)是正極，一個(gè)是負(fù)極，因此它的內(nèi)部必須是并聯(lián)，需要有外部的串并聯(lián)裝備，所以有一部分非活性的成分。但固態(tài)電池可以用雙極技術(shù)在電池內(nèi)部直接串聯(lián)；不需要非活性成分，也不需要冷卻系統(tǒng)，由于固態(tài)電池去除了非活性成分，固態(tài)電池能量密度能夠提升很多，提升40%的空間。
4) 使得柔性化成為可能：固態(tài)電解質(zhì)不怕滲漏也不怕?lián)p壞，電池可以實(shí)現(xiàn)拉伸幅度300%以上。這種可彎曲的電池可用于可穿戴及形變量很大的地方。
3.2 缺點(diǎn)
1) 界面阻抗增加，導(dǎo)致體積變化大：固態(tài)電池正負(fù)極因無(wú)電解質(zhì)，通過(guò)面與面接觸實(shí)現(xiàn)快速的導(dǎo)鋰，會(huì)增加界面阻抗，使得能量消耗在內(nèi)部且無(wú)法實(shí)現(xiàn)快充。且正極和負(fù)極充放電過(guò)程中體積是變化的，在達(dá)到10%以上?；诖耍陔姵匮h(huán)的過(guò)程中，固固界面的接觸存在一個(gè)很大的問(wèn)題。這也導(dǎo)致了固態(tài)電池量產(chǎn)難度加大，還不能像鋰離子電池一樣迅速產(chǎn)業(yè)化。
2) 成本高昂：由于產(chǎn)業(yè)尚處于初期，所以固態(tài)電池材料成本較為高昂，如典型氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料——鋰鑭鋯氧（LLZTO），目前售價(jià)為200美元/公斤，而如果是硫化物，更前沿一些的鋰硅磷硫材料或鋰磷硫材料，價(jià)格均在10萬(wàn)美金/公斤以上，成本非常高昂。
4. 固態(tài)電池主要的技術(shù)路線(xiàn)及分類(lèi)（更正：圖中氫化物實(shí)際為氧化物）
目前全固態(tài)鋰電池主要分為4種不同的技術(shù)路線(xiàn)：
1）薄膜全固態(tài)：正、負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)都非常?。ê穸葹槲⒚准?jí)別），通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）或者物理氣相沉積（PVD）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)路線(xiàn)電池容量小，能量密度較低（因?yàn)榭傮w容量較低）。但循環(huán)性較好，適應(yīng)高電壓，典型代表如LiPON的薄膜固態(tài)電解質(zhì)材料，主要用于電子器件等高精尖的產(chǎn)業(yè)，也可能應(yīng)用于對(duì)安全性能要求高的場(chǎng)景，但不適用于電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、航空航天設(shè)備等場(chǎng)景。
2）聚合物全固態(tài)：材料體系主要是聚環(huán)氧乙烷（PEO）體系。主要優(yōu)點(diǎn)是容易加工，可以制備大容量電芯、機(jī)械性較軟，各項(xiàng)性能和目前使用的電解液（本質(zhì)是有機(jī)溶劑）有類(lèi)似之處。因此生產(chǎn)線(xiàn)基接近于聚合物固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)，所以是最容易利用現(xiàn)有的設(shè)備通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的固態(tài)電池。主要缺點(diǎn)：1） 離子電導(dǎo)率最低，必須加熱到60或85℃以上，離子電導(dǎo)率才會(huì)提升，接近10-3 S/cm，2） 容易短路（由于聚合物較為柔軟，因此鋰枝晶容易穿透固態(tài)電解質(zhì)，造成短路）；3） 能量密度有局限，由于聚合物是有機(jī)物，電化學(xué)穩(wěn)定性不好，跟磷酸鐵鋰兼容性好，跟三元兼容性不好，導(dǎo)致能量密度無(wú)法提升。
3）氧化物全固態(tài)：導(dǎo)電率高于聚合物，氧化物的離子電導(dǎo)率可達(dá)到10-4~10-5 S/cm，通過(guò)摻雜能夠達(dá)到10-3 S/cm的級(jí)別，所以可以在低溫下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)鋰，而且可耐受高電壓，比聚合物明顯在高電壓下更穩(wěn)定。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。主要缺點(diǎn)：1）氧化物的機(jī)械性能堅(jiān)硬，如果用其制作電解質(zhì)片，較容易脆裂；2）固-固接觸也不是太好，造成大容量電芯很難制備。但就目前國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，氧化物體系最為流行。例如以衛(wèi)藍(lán)為代表的國(guó)產(chǎn)品牌等多使用氧化物作為電池材料。
4）硫化物全固態(tài)：硫化物本身的離子電導(dǎo)率最高、接觸性又好，所以它整體的離子電導(dǎo)率性能非常好。是全固態(tài)電池未來(lái)最可能的技術(shù)路線(xiàn)。但該產(chǎn)品產(chǎn)品價(jià)格非常高、空氣穩(wěn)定性較差。硫化物在空氣中，尤其是與水接觸后，直接就產(chǎn)生H2S，H2S不僅有毒，而且也有臭味。這是使用中的最大問(wèn)題，限制了它的廣泛應(yīng)用。
5. 國(guó)內(nèi)外主要固態(tài)電池公司以產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度
根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，固態(tài)電池將在2025年逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在2030年成為動(dòng)力電池主要技術(shù)路線(xiàn)。在此背景下，世界上主要國(guó)家均在大力布局該領(lǐng)域：
1）歐美
主要包括Cymbet、Quantum Scape、SolidPower、Polyplus、24M、 Sakti3等公司：
Cymbet：美國(guó)的一家薄膜固態(tài)電池公司，做薄膜全固態(tài)；
24M：麻省理工蔣業(yè)明教授創(chuàng)立（A123創(chuàng)辦者），目前做的是半固態(tài)的概念，把正負(fù)極都做厚。
與英國(guó)戴森合作的Sakti3。曾經(jīng)比較輝煌，目前已經(jīng)倒閉，但曾經(jīng)比較輝煌。
Quantum Scape：近期比較熱門(mén)的公司，且已在美股上市，已獲得大眾、德國(guó)大陸及國(guó)內(nèi)上汽集團(tuán)等車(chē)企的投資；
美股SEEO公司，獲得德國(guó)博世的投資
德國(guó)寶馬自己在做固態(tài)電池。
2）中國(guó)
目前中國(guó)宣稱(chēng)做固態(tài)電池的有很多，比如清陶、衛(wèi)藍(lán)、贛峰鋰業(yè)、無(wú)錫海特等。且CATL等電池龍頭企業(yè)均在大力研發(fā)固態(tài)電池，但未對(duì)外大規(guī)模宣布。此外，上汽、國(guó)軒高科等都在做。
3）韓國(guó)
韓國(guó)主要有三家，現(xiàn)代、LG化學(xué)、三星。三星2020年3月份時(shí)候在Nature Energy上發(fā)表了1000多循環(huán)的硫化物全固態(tài)電池，這也是目前公開(kāi)數(shù)據(jù)中最好的硫化物全固態(tài)電池。
4）日本
日本投入固態(tài)電池的公司非常多，而且現(xiàn)在基本都是聯(lián)合開(kāi)發(fā)，像豐田、松下、日立、NGK，都在一起做硫化物的全固態(tài)電池。
6. 固態(tài)電池的應(yīng)用展望
日本日立公司在2017年開(kāi)始做硫化物全固態(tài)電池，2019年供給航空宇宙飛船。所以從近期來(lái)看，固態(tài)電池可能應(yīng)用于軍工、高精尖設(shè)備以及一些略顯小眾的市場(chǎng)。到中2025年、2030年的目標(biāo)則是新能源車(chē)動(dòng)力電池的市場(chǎng)。將來(lái)能量密度和安全性進(jìn)一步提升以后，就會(huì)應(yīng)用到電動(dòng)船舶、電動(dòng)飛機(jī)等運(yùn)輸行業(yè)。如果成本降到一定程度的話(huà)，也會(huì)進(jìn)入消費(fèi)電子如手機(jī)電腦等市場(chǎng)。另外像航空航天國(guó)家安全以及大規(guī)模儲(chǔ)能這種技能領(lǐng)域，會(huì)隨著能量密度的提高和成本的降低逐漸覆蓋。
