中國儲能網(wǎng)訊：在現(xiàn)階段，電動汽車社會的主要矛盾已轉(zhuǎn)化為人民群眾日益增長的續(xù)航里程與動力電池落后的能量密度之間的矛盾。
而人民對美好生活的向往，正是整個產(chǎn)業(yè)從業(yè)者們的奮斗目標(biāo)。為此，在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中，我國特別提出了2020年動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，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)路線的比能量密度上限是350Wh/kg。全球范圍內(nèi)來看，鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的幾個國家中，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，我國和美國則把這個上限提高到了350Wh/kg。
三元體系內(nèi)，全球諸國都把賭注押在高鎳三元+硅碳負(fù)極材料的引入上。不過即使做到了松下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，新聞上被曝出的各種電動車電池起火爆炸的事故更是此起彼伏。
面對市場和人民對超越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)，未來要實(shí)現(xiàn)350 Wh/kg以上，就要走另一條技術(shù)路線了。目前看來，下一個能堪當(dāng)此大任的就是固態(tài)電池了。
基于此，固態(tài)電池被看成動力電池的下一個風(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，還是手里握著多項(xiàng)電池核心技術(shù)專利的美國，甚至連已經(jīng)在當(dāng)下競爭格局中敗下陣來的歐洲諸國，都試圖占領(lǐng)下一個固態(tài)電池的戰(zhàn)略高地。于是乎，包括多家科研院所、頂級學(xué)府、車企巨頭、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，展開了一場跟時間賽跑的爭奪戰(zhàn)。
未來，致勝電動汽車時代的關(guān)鍵，是掌握動力電池的主動權(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、蘋果、松下、三星和戴森。在中國，有中科院、清華大學(xué)、寧德時代、清陶發(fā)展、贛鋒鋰業(yè)、珈偉股份等。
11月19日，清陶對外宣布，其建成的全國首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線已經(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)線號稱已經(jīng)開始中試。
更更早之前，已在這個領(lǐng)域投入多年心血的豐田將固態(tài)電池的商業(yè)化時間一再提前，從2030年提前到2022年，直至最新的2020年。
更更更早之前，法國Bollore 公司在英國倫敦投放了3500輛搭載固態(tài)電池的共享電動汽車。
看起來，好像固態(tài)電池的美好未來已經(jīng)近在咫尺，仿佛明天就能到來。
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，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，法國的Bollore公司和中國的清陶就是這種技術(shù)路線。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)重制約了該類型固態(tài)電池的發(fā)展。
對比聚合物有機(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固態(tài)電池之所以招人待見，就是因?yàn)槠湓诶碚撋辖鉀Q了當(dāng)前困擾鋰電池，尤其是動力電池行業(yè)的兩大根本痛點(diǎn)，即能量密度和安全問題。
相較于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)電池，可以說固態(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)勢天差地別的：一來負(fù)極材料換成金屬鋰后要比石墨材料減輕了很大用量，二來金屬鋰的克容量高達(dá) 3860mAh/g，是石墨材料（372mAh/g）的 10 倍，三來金屬鋰是自然界電化學(xué)勢最低的材料，對應(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，無法徹底解決安全問題。
而固體電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也有望克服當(dāng)前困擾整個鋰電池行業(yè)的鋰枝晶問題。同時，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)而大幅提升整個電池PACK的系統(tǒng)能量密度。
三 循環(huán)壽命有效拉長。
固體電解質(zhì)可以避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜等問題，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），可以疊加多個電極，使單元內(nèi)串聯(lián)制備12V及24V的大電壓單體電芯成為可能，以及由于沒有廢液使二次回收更加簡單安全等優(yōu)勢。
有這些亮眼的諸多優(yōu)勢，固態(tài)電池看起來美好之極。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)識到的事實(shí)是，固態(tài)電池至今仍沒有走出實(shí)驗(yàn)室階段，對于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些。基于工程化應(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，更是需要很長的一段路要走。
拿今天清陶號稱已經(jīng)下線的小型固態(tài)電池產(chǎn)品為例，業(yè)界資深從業(yè)者、一個朋友告訴燕十七，“跟這差不多的小型固態(tài)電池，日本人（豐田）大概在2005年就搞出來了。一直沒有大規(guī)模商業(yè)化的原因，就在于技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟到這個地步?！?
“講真，固態(tài)電池這條路真不好走?！?
二
一個殘酷事實(shí)就是，當(dāng)前無論是從最基礎(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，從工廠走向終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用和普及，動輒十幾年甚至幾十年已經(jīng)過去了，注定這條路是漫長而艱苦的。
歷史上，在實(shí)驗(yàn)室中開發(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，繼而確定可以用來放大工業(yè)化的技術(shù)路線，最后經(jīng)過中試穩(wěn)定過后實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。而大多數(shù)時候，一項(xiàng)新技術(shù)得以工業(yè)化的最基本前提就是“簡單粗暴”，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)線上的作業(yè)人員，以標(biāo)準(zhǔn)化的工序放大生產(chǎn)。同時在生產(chǎn)過程中積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在每一個環(huán)節(jié)中精益求精地改進(jìn)，每一個細(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，固態(tài)電池還處于第一個階段，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，甚至作為動力電池被大規(guī)模應(yīng)用上車，至少需要翻越四座大山，而這幾座大山以目前技術(shù)水平來看，跨過的難度都是極大的。
第一座大山就是要不要用金屬鋰作為負(fù)極？
這個答案幾乎是毋庸置疑的。因?yàn)槿绻挥媒饘黉囏?fù)極的話，那么固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)將沒有任何意義。根據(jù)中國科學(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的會數(shù)倍于鋰離子電池。
這說明如果不改變現(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說不僅相對于現(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)、鋰的生長和析出導(dǎo)致的界面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。
所以說，采用鋰金屬作為負(fù)極材料是勢在必行。那么你以為就是單純的采用這么簡單了？
用一個業(yè)內(nèi)朋友的話講，制造金屬鋰負(fù)極材料的工藝要求，高到變態(tài)。因?yàn)樾枰惐刃酒圃斓某瑑糗囬g，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)，在一個類似手套箱的車間中，幾十米長的鋰金屬片像現(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，更大的問題還在于制作過程的安全性。這一點(diǎn)，我們拿當(dāng)前各大電池廠都在重點(diǎn)發(fā)展的補(bǔ)鋰工藝作為參照說明一下問題。
為了補(bǔ)充鋰電池負(fù)極在首次充電過程中不可逆的容量損失（鋰離子數(shù)量變少），電池廠希望通過補(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)到提升首次庫倫效率和電池容量的目的。
聽著很簡單，實(shí)際操作起來卻極難。作為補(bǔ)鋰原料的金屬鋰是高反應(yīng)活性的堿金屬，屬于非常危險的物品，鬧不好就會著火和爆炸。而從補(bǔ)鋰方式說，撒鋰粉面臨的問題是鋰粉比表面積很大，容易飄，有被人體吸入的風(fēng)險；壓鋰帶的難題是又壓不了那么薄，會導(dǎo)致補(bǔ)鋰過量，長期使用存在安全隱患。
除了生產(chǎn)和使用過程危險，補(bǔ)鋰設(shè)備采購費(fèi)用高以外，由于金屬鋰能夠與水劇烈反應(yīng)，所以對生產(chǎn)環(huán)境要求相當(dāng)之苛刻，這就需要對生產(chǎn)車間和生產(chǎn)線進(jìn)行改造。所以當(dāng)前，沒有足夠經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)能力的電池廠輕易不敢碰補(bǔ)鋰工藝。
有朋友向燕十七透露過一個消息，即便是寧德時代，依然曾經(jīng)在嘗試補(bǔ)鋰的小試中出了事故。
說了這么多，只是想說明一個道理：對于直接采用金屬鋰作為負(fù)極的方式來說，補(bǔ)鋰工藝只能算是一個小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)際上早在上個世紀(jì)60年代，國外就已經(jīng)開始金屬鋰作為負(fù)極材料的研究。80年代，美國一家鋰電池新星E one Moli
冉冉升起，其獨(dú)家技術(shù)正是采用金屬鋰負(fù)極。時年最火的時候，意圖布局電動汽車的福特公司都想投資這家公司并采用其鋰電池作為汽車動力。之后Moli被日本的NEC和三井公司收購并制造了5萬塊手機(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)量問題。
此事造成了三大影響，一是日本公司當(dāng)時決定永久放棄金屬鋰電池技術(shù)路線；二是當(dāng)時給Moli公司做技術(shù)顧問的鋰電大牛杰夫·達(dá)恩也徹底放棄金屬鋰體系；三是Moli公司被賤賣給一家臺灣企業(yè)，至今只混在消費(fèi)級電池領(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，到目前為止還都沒突破400次循環(huán)，離車規(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程中為鋰離子在正負(fù)極之間移動搭建通道，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)率相對較高，也只是限于和最差的聚合物電解質(zhì)的對比。
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個數(shù)量級，到60度時，依然差著2個數(shù)量級，到120度的時候依舊有1個量級的差距。
舉個例子，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)電池的電動汽車能夠正常運(yùn)行，法國人甚至還專門為每輛汽車上搭配了一個加熱元器件，每次啟動車輛之前都要將電池加熱到80度，因?yàn)橹挥袦囟壬吆?，電池的?dǎo)電性才能變好。
升高電池溫度這一過程不僅麻煩，而且會消耗能量，導(dǎo)致電池Pack的有效能量密度顯著下降，同時由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實(shí)際使用時，還需要和大功率的超級電容器配合使用。
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Bollore 公司的聚合物電池，雖然號稱是固態(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)阻過大，倍率性能整體偏低，所以固態(tài)電池暫時也就告別快充了（聚合物固態(tài)電池充滿電需要5個多小時）。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)乃剑荒苓^高，也不能過低，“這樣的材料非常難開發(fā)”。
所以，電導(dǎo)率的問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)化過程中，就必然存在著由于固固之間無潤濕性（傳統(tǒng)鋰電池的電解液和正負(fù)極有很好的浸潤性，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，就要通過在 1000度以上的高溫下燒結(jié)電極材料來增加界面的接觸面積，這對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，有人測算如果一輛電動汽車采用Sakti3的固態(tài)電池的話，那么僅電池成本就高達(dá)9000萬美元。
然而，戴森老爺子居然說要在將來的戴森牌電動車上使用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，都是用在對價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)境限制與安全問題也同樣令人心碎。因?yàn)榱蚧锘虘B(tài)電解質(zhì)對空氣極為敏感，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，并且還會產(chǎn)生有毒氣體。
（未來，想象這樣一個畫面，一旦在車子行駛過程中發(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)而造成另一大問題，就是這樣制造出來的電解質(zhì)微觀層面仍有空隙和晶界空格，無法做到完全致密，這樣充電循環(huán)過程中鋰枝晶就在會空隙中生成，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)愁煞個人。
所以，固態(tài)電池的生產(chǎn)制造將是一個巨大的挑戰(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)用到電動汽車上了。
事實(shí)上，業(yè)界普遍認(rèn)為的固態(tài)電池的諸多優(yōu)勢都只是理論上的，很多層面都沒有經(jīng)過驗(yàn)證。相對于液態(tài)電解質(zhì)電池，目前在全球范圍內(nèi)還沒有報道顯示固態(tài)電池的綜合電化學(xué)性能超過液態(tài)。且當(dāng)前研究重點(diǎn)還是解決循環(huán)性、倍率特性，各類全固態(tài)電池的熱失控、熱擴(kuò)散行為的測試數(shù)據(jù)還都非常少，說明這方面做得工作還遠(yuǎn)未到位。
例如，雖然業(yè)界對固態(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)室走向社會應(yīng)用層面，一般需要十年甚至更長的時間。從目前看來，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題努力奮戰(zhàn)，但我們也必須認(rèn)識到，問題得到解決終究不是一日之功。
即便是越過了實(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，而這又尚需很長的時日。
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)路線都沒確定，生產(chǎn)設(shè)備都沒有的情況下，談?wù)摴虘B(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化還為時尚早。
可以預(yù)見，未來固態(tài)電池一定會遵循液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到全固態(tài)的發(fā)展路徑。伴隨每一個階段的躍升過程的是，上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的共同成熟和壯大。
題外話，固態(tài)電池的普及過程，也許就是當(dāng)前鋰電產(chǎn)業(yè)鏈條的重塑和顛覆過程。
固態(tài)電池的前景可期，從國家和整個行業(yè)層面應(yīng)該進(jìn)行一定的布局，包括通過立項(xiàng)一些國家級的研發(fā)項(xiàng)目等手段來未雨綢繆。
不過對于整個新能源汽車及上下游產(chǎn)業(yè)來說，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的技術(shù)難題上來，更何況高鎳811的量產(chǎn)道路上尚且還有不少基礎(chǔ)問題需要去解決。
對于固態(tài)電池，還要摒棄那種通過顛覆式技術(shù)創(chuàng)新來快速獲取成功的念頭，因?yàn)檫@種心態(tài)對于制造業(yè)，尤其是鋰電池這種前期投入巨大的高端制造業(yè)來說，無異于毒藥。
衷心感謝業(yè)內(nèi)人士對本文所做的貢獻(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)鋰電池深度報告：十年磨一劍，何懼試鋒芒》……中銀電新
《固態(tài)電池——后鋰電時代必經(jīng)之路》……華創(chuàng)證券
