俗話說，魚和熊掌不可兼得，這句話放在汽車動力電池身上也很形象。
鋰離子電池身上的一個矛盾，就是高安全性和高能量密度的沖突，能量密度越高，材料體系越活躍穩(wěn)定性就越差。
一個不太恰當?shù)睦泳拖袷菬龎亻_水，水倒的越滿燒開后越容易溢出來，想要水不撒，只能壺內(nèi)少裝水多留冗余。
但固態(tài)電池可以很好的解決這個矛盾。
魚和熊掌，真的可以都要？
傳統(tǒng)鋰離子電池不管是三元鋰還是磷酸鐵鋰配方，材料都是由正極、負極、電解液、隔膜等組成，通過鋰離子在正負極之間的來回移動即實現(xiàn)電池的充放電，其中隔膜是將正負極活性物質(zhì)分隔開，防止兩極接觸產(chǎn)生短路。
但不管是電解液還是隔膜，在傳統(tǒng)鋰電池中本就都屬于相對不穩(wěn)定因素，電解液是有機液體，易燃抗氧化性較差，隔膜則容易被鋰枝晶刺穿。
而固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)化學特性卻比較穩(wěn)定，不像液態(tài)鋰電池中有機電解液較難兼容的金屬鋰等高比能量電極材料。
穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)可以通過適配高能正極與鋰金屬負極來增加電池能量密度，比如無需擔心鎳含量越高對電解質(zhì)的分解催化帶來的安全挑戰(zhàn)，這就帶來固態(tài)電池安全性的提高。
此外，針對液態(tài)鋰電池鋰枝晶直接刺穿隔膜造成電池內(nèi)部短路這些問題，也就是常見的針刺試驗模擬的場景。
首先固態(tài)電解質(zhì)本身就起到隔膜作用沒有刺穿風險，也就不會短路，再加上本身固態(tài)電池電解質(zhì)可燃性也低，以及由于是固態(tài)電解質(zhì)不存在液態(tài)電解質(zhì)泄露等風險，所在在電芯封裝上可以簡化，既降低成本，也提升整體電池包的能量密度。
目前主流的磷酸鐵鋰電池單體能量密度在 200Wh/kg 以下，三元鋰電池的單體能量密度在 200-300Wh/kg 之間，很難再往上突破，但半固態(tài)電池已經(jīng)可以做到 350+Wh/kg，而全固態(tài)電池能量密度還會更高，目標是要到 500Wh/kg。
全固態(tài)太難，半固態(tài)落地已在眼前
只是在當下技術(shù)條件下，全固態(tài)電池的量產(chǎn)尚需時日，在此之前先一步得到應用的還是半固態(tài)電池。
比如，不久前蔚來李斌開著搭載半固態(tài)電池的 ET7 測試車，完成了純電續(xù)航超過 1000 公里的 " 壯舉 "，證明了技術(shù)的力量，其固態(tài)電池能量密度就達 360Wh/kg。
當然，這款半固態(tài)電池成本雖然 " 差不多一輛 ET5 的價格 "，但是好處是即將量產(chǎn)，2024 年 4 月就會正式落地。
蔚來的 150 度電半固態(tài)電池來自衛(wèi)藍新能源，除了蔚來，明年在上汽智己也會有搭載半固態(tài)電池的車型推出，其半固態(tài)電池來自清陶能源，且成本與液態(tài)鋰電池相當，單體能量密度達 368 Wh/kg。
早蔚來、智己一步，在嵐圖追光上其由孚能科技生產(chǎn)的半固態(tài)電池已經(jīng)正式裝車量產(chǎn)，而目前國內(nèi)市場，包括東風、蔚來、賽力斯、高合、上汽、哪吒等多家車企都官宣了自己的半固態(tài)電池量產(chǎn)計劃。
在供應鏈方面包括寧德時代、中創(chuàng)新航、蜂巢能源、輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、億緯鋰能、國軒高科等十幾家動力電池企業(yè)也都已在布局半固態(tài)電池，
可以說如今不管是車企自研還是通過產(chǎn)業(yè)鏈合作，半固態(tài)電池的落地已經(jīng)是呼之欲出，就在眼前。
那么半固態(tài)和全固態(tài)的區(qū)別又是什么？
電池通過離子在正負電極之間流動進行充電和放電。目前鋰電池作為離子通道的電解質(zhì)是液體。而全固態(tài)電池是以固體作為離子通道。在固態(tài)電池里，離子移動速度會更快。
但我們知道液體對于物體的包裹又好于固體，全固態(tài)電池的挑戰(zhàn)就在于電解質(zhì)全部替換成固態(tài)之后，原本液態(tài)電解質(zhì)可以把很好地電極包裹住，但固態(tài)電解質(zhì)和電極之間卻不容易保持長期穩(wěn)定接觸。
這反而又導致了離子電導率比液態(tài)電解液低 1-2 個數(shù)量級，導致固態(tài)電解質(zhì)與電極界面阻抗過高電池內(nèi)阻明顯。
此外固態(tài)電池的電極在充放電時會膨脹收縮，在正極、負極和固態(tài)電解質(zhì)之間極易產(chǎn)生裂縫也會增加上述問題，這都是全固態(tài)電池目前無法解決的。
而此前我們曾參觀上汽清陶實驗室，采訪環(huán)境面對固態(tài)電池界面阻抗問題，清陶能源總經(jīng)理李崢對 AutoLab 表示：固態(tài)電池所有的固態(tài)材料擠在一起是硬碰硬狀態(tài)，界面接觸不充分，離子從一個顆粒傳導到另一個顆粒的阻抗一定比液態(tài)電池大。所以這個階段我們對其增加了一部分浸潤液體，才有半固態(tài)電池的概念。
所以目前固態(tài)電池中是即有固態(tài)電解質(zhì)，也依然會有部分電解液和隔膜結(jié)構(gòu)，這就是 " 半固態(tài)電池 "。
以清陶能源的第一代量產(chǎn)的固態(tài)電池，其中液態(tài)電解液占比就依然達到 5%-15% 之間，而根據(jù)清陶能源的規(guī)劃，明年量產(chǎn)的第二代固態(tài)電池，液態(tài)電解液占比就將小于 5%。
可以說半固態(tài)電池是發(fā)展全固態(tài)電池的一個必然階段，但另一方面半固態(tài)電池的出現(xiàn)也是一定技術(shù)條件下相對妥協(xié)的結(jié)果。
如果能夠解決了固態(tài)電池的耐久性，電池界面阻抗等問題，固態(tài)電池想要普及，必須先在材料上有突破，然后再談生產(chǎn)工藝，最后通過大批量生產(chǎn)降低成本等問題。
何時能夠落地？
而全固態(tài)電池領(lǐng)域，我們也可以先看看國外廠商的發(fā)展。
今年 10 月，豐田宣布他們的全固態(tài)電池已經(jīng)接近量產(chǎn)。這個新聞在國內(nèi)倍受關(guān)注，日本車廠要在電動車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車了？
豐田發(fā)布的全固態(tài)電池
事實上這是出光興產(chǎn)和豐田汽車，兩家公司共同發(fā)布的技術(shù)。目前的實用化目標是：豐田計劃于 2027 至 2028 年推出裝備固態(tài)電池的純電動車。
豐田大家已經(jīng)熟悉了，那么出光興產(chǎn)是什么公司？
如果這里有日系車的車主，經(jīng)常在外面做保養(yǎng)，應該會知道出光機油。沒錯，現(xiàn)在日系幾大品牌原廠機油都是由出光提供的。
故事是這樣的，上世紀 70 年代石油危機，日本出光從那時起便著手研究替代能源和材料。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)
全固態(tài)電池材料中最重要的材料是一種 " 硫化物系 "，這種硫成分是在石油制造過程中得到的副產(chǎn)品。這就是在 90 年代中期被發(fā)現(xiàn)并開始了相關(guān)研究。
目前這項固態(tài)電池技術(shù)當中，材料成分的專利為豐田所有。出光的強項在于極強的技術(shù)力，其制造的材料，具有耐水性強、離子傳導性好、柔軟性好。
目前兩家公司在全固態(tài)電池和其材料硫化物固態(tài)電解質(zhì)方面的專利數(shù)量都很高。
前面我們提到固態(tài)電池缺點是耐用性差，因為正極、負極和固態(tài)電解質(zhì)之間極易產(chǎn)生裂縫，導致電池性能劣化。
而經(jīng)過 10 年的反復試驗和經(jīng)歷失敗，豐田和出光兩家公司的技術(shù)相融合，最終他們研發(fā)出柔軟、密合性高、不易破裂的固態(tài)電解質(zhì)材料。
新材料，再結(jié)合豐田研發(fā)的正極、負極材料以及培養(yǎng)的電池化技術(shù)，最終有了今天這種兼顧性能和耐久性固態(tài)電池。
所以整個流程就是：由兩家公司的材料研發(fā)技術(shù)、出光的材料制造技術(shù)、豐田的電池量產(chǎn)技術(shù)將結(jié)合起來。
不過豐田這款全固態(tài)電池也不會馬上量產(chǎn)，因為按計劃豐田要在 2027 至 2028 年才會量產(chǎn)裝車。
插一句，豐田關(guān)于固態(tài)電池的發(fā)展其實與國內(nèi)清陶能源的規(guī)劃時間也是一樣的，清陶能源的最終目標也是在 2027 年實現(xiàn)全固態(tài)，屆時能量密度高于 500Wh/kg，且相對目前液態(tài)電池成本下降 40%。
清淘能源固態(tài)電池規(guī)劃節(jié)點
可以說站在現(xiàn)在的時間點來看，全固態(tài)電池的規(guī)?；宪嚻鋵嶋x我們也并不遙遠了，尤其是國內(nèi)在半固態(tài)電池的應用上也更快一步。
而豐田在具體生產(chǎn)進度方面，固體電解質(zhì)的試驗工廠將于 2027 年開始運轉(zhuǎn)，這時候還在為大批量生產(chǎn)作實證試驗，豐田和出光計劃年產(chǎn)能為數(shù)百萬噸。
只有到了 2030 年，這種材料年產(chǎn)數(shù)量將達千噸級別，這時候可能滿足年產(chǎn)數(shù)萬輛純電動車的裝車要求。
不止是豐田，國外固態(tài)電池技術(shù)方面，本田和日產(chǎn)兩家日系車企也有技術(shù)儲備。
本田原來的計劃是在 2024 年春季啟動投資約 430 億日元（21.7 億人民幣）的全固態(tài)電池建設(shè)示范生產(chǎn)線，加快固態(tài)電池的研發(fā)進度，并在 2020 年代后半期推出的車型上裝車。
而在去年 4 月的發(fā)布會上，本田承諾推出兩款運動型電動汽車，包括一款 NSX 繼承者。
這輛 " 旗艦 " 車型有著 NSX 的造型：擁有中置引擎的超級跑車比例，低矮的車身，更短的車頭設(shè)計。而另一輛 " 特別版 " 擁有較長的車頭和稍高的車身。而作為旗艦的 NSX，如果研發(fā)進度沒問題，用上固態(tài)電池是很正常的事情。
其實早在 2022 年 CES 期間，本田就宣布與電池公司 SES 研發(fā)固態(tài)電池。
按之前本田計劃，2022 年起的未來 10 年本田將投入約 8 萬億日元（約合 4058 億元人民幣）研發(fā)經(jīng)費，其中在電動化和軟件領(lǐng)域共計投入約 5 萬億日元（約合 2536 億元人民幣）。
計劃到 2030 年，本田將在全球市場推出 30 款純電動汽車，計劃年產(chǎn)量超過 200 萬輛。而這期中有多少會采用固態(tài)電池，值得關(guān)注。
另一方面，在 2023 年日本移動展上，日產(chǎn)發(fā)布了它的壓軸之作——日產(chǎn) Hyper Force 概念車，這是一輛電動 GT-R 概念車。
與戰(zhàn)神 GT-R 一樣，日產(chǎn) Hyper Force 概念車同樣是由 NISMO 賽車團隊一起開發(fā)的，它有強大的空氣動力學部件，能產(chǎn)生強大的下壓力。
日產(chǎn) Hyper Force 概念車就采用了全固態(tài)電池，輕量化的電池更有利于車身的質(zhì)量平衡。所以 Hyper Force 是以打造絕佳的車身平衡，以及強悍的動力輸出為目標。
再換一個領(lǐng)域，其實固態(tài)化已經(jīng)是電池的一個趨勢，例如儲能電池方面，領(lǐng)先企業(yè)開始研發(fā)固態(tài)鈉金屬氯化物電池。
汽車行業(yè)熟悉的，幫助無數(shù)車企業(yè)建車身和動力電池生產(chǎn)線的柯馬，也在研發(fā)下一代動力電池制造技術(shù)。
柯馬最新的動作是宣布與 LiNa 合作，為固態(tài)鈉金屬氯化物電池設(shè)計了一種創(chuàng)新、可擴展的制造解決方案。LiNa 是低成本固態(tài)鈉電池技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)，柯馬能幫助這種電池生產(chǎn)實現(xiàn)自動化。
固態(tài)電池生產(chǎn)過程明顯與現(xiàn)在不同，例如柯馬的工程師為固態(tài)電池的特定組件設(shè)計了外殼和裝卸設(shè)備。同時應用到了柯馬的潔凈室級別高速 Racer-5 關(guān)節(jié)型機器人。
鈉基電池包括國內(nèi)寧德時代也在研發(fā)，它的成本更低更安全。但鈉電池的目標不是動力電池，而是儲能電池，例如用在光伏電站和別墅光儲一體系統(tǒng)中。
可以看到在各個領(lǐng)域，固態(tài)電池相比現(xiàn)在的液態(tài)電池，它的進步是革命性的。變化之大就像當年從堿性電池到鎳氫，從鎳氫到鋰電池一樣大。
寫到最后
回到純電動汽車領(lǐng)域言，僅高安全性、高能量密度優(yōu)勢的固態(tài)電池上車，好處也是鮮明的。
比如在增加續(xù)航方面，做到同樣的續(xù)航目標時，使用固態(tài)電池包可以減重幾十公斤，重量少了，百公里電耗也會降低。
反過來相同的重量，也可以做到更長的續(xù)航，比如目前蔚來使用 150 度半固態(tài)電池對比 100 度傳統(tǒng)鋰電池包。
雖然電量增加了 50 度，但 150 度半固態(tài)電池包的重量和體積幾乎沒變，重量也僅比蔚來 100 度電池多了 20 公斤。
且未來若是固態(tài)電池即便保持相同成本，在在電芯相同單價的情況下，裝更少的電池實現(xiàn)相同的續(xù)航，車價也會降低，對于消費者而言好處也更是擺在眼前的。
屆時到了固態(tài)電池時代，當純電動車動力電池高能量密度和高安全性不可兼得的軟肋被解決之后，純電動車也必將形成比傳統(tǒng)燃油車更大的優(yōu)勢。
