隨著主流磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池技術逐漸步入瓶頸期，尋找性能更優(yōu)的替代產品成為新能源汽車企業(yè)與電池廠商的共同目標。近期，智己汽車、廣汽埃安相繼發(fā)布固態(tài)電池最新技術成果，曾經充滿爭議的固態(tài)電池再度進入了人們的視線。相比傳統(tǒng)液態(tài)電池，固態(tài)電池到底有哪些優(yōu)勢？未來將對新能源汽車產生哪些影響？是否已經具備了量產條件？本期《質用車》將為大家一一解讀。
固態(tài)電池的具體形式，包括哪些技術路線？
固態(tài)電池顧名思義就是采用固態(tài)電解質的鋰離子電池。固態(tài)電池具有三種分類，分別為半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)，它們的液體含量分別為 5-10wt%、0-5wt%、0wt%。
半固態(tài)電池相對于液態(tài)電池減少了電解液的使用量，并增加了復合電解質。此外，負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極 / 鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了高鎳高電壓 / 富鋰錳基等。隔膜仍然保留并涂覆有固態(tài)電解質涂層，鋰鹽從 LiPF6 升級為 LiTFSI，能量密度可達 350Wh/kg 以上。
準固態(tài)電池是在全固態(tài)電池中加入少量液態(tài)電解液（通常小于 5wt.%）的情況下得到的。液態(tài)電解液的作用主要是浸潤界面。
全固態(tài)電池與液態(tài)電池相比取消了原有的電解液，采用固態(tài)電解質，并以薄膜的形式分隔正負極，從而替代隔膜的作用。負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極 / 鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了超高鎳 / 鎳錳酸鋰 / 富鋰錳基等。全固態(tài)電池的能量密度可達 500Wh/kg。
從電解質材料來劃分，固態(tài)電池包括聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系三大主流技術路線。其中，聚合物電解質采用高分子聚合物為電解質基體，添加導電鋰鹽，構成離子傳導網絡，具備柔性與易加工特點。但其僅能和鐵鋰正極匹配，且性能上限較低，也制約了其大規(guī)模應用潛力。國內采用這一技術路線的企業(yè)包括清陶能源、貝特瑞、天賜材料、奧克股份。
氧化物電解質具有較高的離子電導率、出色的熱穩(wěn)定性，同時擁有超過 5V 的高電壓窗口，更適配高壓正極材料體系。從成本角度來看，氧化物電解質更適合大規(guī)模生產和應用。目前國內在該技術路線進展領先的企業(yè)包括贛鋒鋰業(yè)、當升科技等。
硫化物電解質理論上能提供更高的能量密度、更快的充電速度，具備較大的商業(yè)化潛力。其缺點包括電化學窗口相對較窄，易與鋰金屬及空氣發(fā)生反應。此外，由于可能產生硫化氫，以及界面穩(wěn)定性欠佳，增加了其研發(fā)難度和成本。全球方面，硫化物路線以日韓廠商為主，包括三星、豐田、松下、日產、LG、SKI。國內方面，寧德時代選擇凝聚態(tài)、硫化物雙重材料體系。
值得注意的是，以上三大路線還同時面臨著正負極的共性問題，相比傳統(tǒng)液態(tài)電解質，從浸潤形式的軟接觸，變成固體與固體的硬接觸，固態(tài)電解質離子間相互作用力強，離子遷移能壘是液體的十倍以上，離子電導率低。綜合來看，固態(tài)電池技術并不成熟，當前各企業(yè)只能采取折中的方式，即半固態(tài)電池技術。半固態(tài)電池由于技術相對成熟，并且更加接近液態(tài)鋰離子電池，因此受到了不少汽車企業(yè)與電池廠商的青睞。智己 L6 搭載的 " 光年固態(tài)電池 " 實際上就屬于半固態(tài)電池，傳統(tǒng)電解液添加較少。此外，國軒高科、億緯鋰能、孚能科技等電池廠商，以及東風、長安、廣汽等汽車企業(yè)，都已實現或即將實現半固態(tài)電池的量產裝車。不過，半固態(tài)電池雖然減少了液態(tài)電解質的用量，但是仍存在易燃風險，并且在能量密度上也與真正的全固態(tài)電池存在明顯差距。
相比液態(tài)電池 固態(tài)電池具備哪些優(yōu)勢？
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池主要由正極、負極、電解液和隔膜四大關鍵要素組成，固態(tài)電池使用固態(tài)電解質替換傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池中的電解液。
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的兩端為電池的正負兩極，中間為液態(tài)電解質。在鋰離子從正極到負極再到正極的來回移動過程中，電池的充放電過程便完成了。固態(tài)電池的工作原理與之相通，充電時正極中的鋰離子從活性物質的晶格中脫嵌，通過固態(tài)電解質向負極遷移，電子通過外電路向負極遷移，兩者在負極處復合成鋰原子、合金化或嵌入到負極材料中；放電過程與充電過程恰好相反。
相比傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池擁有更高的能量密度、更好的安全性能、更長的使用壽命、更快的充放電速度、更強的適應性等諸多優(yōu)勢。
更高的能量密度：固態(tài)電池使用固態(tài)電解質替代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質，這使得它能夠存儲更多的能量，從而提高能量密度。
更好的安全性能：由于固態(tài)電池采用固態(tài)電解質替代了液態(tài)電解質，從而消除了電池內部漏液、短路等安全隱患。固態(tài)電解質的高穩(wěn)定性使得固態(tài)電池在極端條件下也能保持良好的安全性，大大降低了電池起火、爆炸等風險。此外，固態(tài)電池還采用了多層結構和熱隔離等安全措施，進一步提高了其安全性能。
更長的使用壽命：固態(tài)電解質克服了液態(tài)電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜（SEI）的問題，減少了電池內部的損耗，從而延長了電池的使用壽命。
更快的充放電速度：固態(tài)電解質克服了液態(tài)電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜（SEI）的問題，減少了充放電過程中的能量損耗，也提高了充電效率。
更強的適應性：相較于液態(tài)電池，固態(tài)電池的工作溫度范圍更廣，能夠在極端高溫或低溫環(huán)境下正常工作，同時對于環(huán)境濕度的要求也相對較低，這使其在各種復雜環(huán)境中都能表現出良好的穩(wěn)定性和可靠性。
全固態(tài)電池量產前景，還面臨哪些問題？
研究機構 GGII 預測認為，2024 年將是固態(tài)電池產業(yè)發(fā)展的一個重要節(jié)點，年內有望實現（半）固態(tài)電池的大規(guī)模裝載應用，預計全年裝機總量將歷史性地突破 5GWh 大關。在固態(tài)電池發(fā)展方面，中國汽車企業(yè)和海外品牌都在加速布局。上汽集團宣布，從 2024 年起將在不同車型上實現半固態(tài)電池的量產應用。長安汽車、廣汽集團等則瞄準了 2025 年至 2026 年的時間窗口，計劃推出搭載半固態(tài)電池的車型。海外方面，豐田計劃 2030 年實現全固態(tài)電池裝車。韓國 SK On 正在開發(fā)高分子氧化物復合和硫化物兩種固態(tài)電池，目標是到 2026 年生產出原型產品，2028 年實現商業(yè)化。三星 SDI 正在開發(fā)一種沒有負極的固態(tài)電池，預計將于 2027 年量產。此外，寶馬和日產也分別公布了各自的固態(tài)電池研發(fā)和應用計劃。
雖然目前半固態(tài)電池已經實現了小范圍裝車，但并不意味著全固態(tài)電池已經具備了量產上車的條件，全固態(tài)電池在技術、成本以及大規(guī)模生產等方面仍然面臨多重挑戰(zhàn)。
一方面，是技術仍不成熟。雖然固態(tài)電池的理論性能不錯，但是在實際應用中，固態(tài)電池的性能可能會比較不穩(wěn)定。因為固態(tài)電池的電解質是固體，離子電導率肯定沒有液體那么高，所以電池需要加更大的壓力，讓這三種物質緊緊接觸。但是電池工作會升溫，不同材料升溫膨脹不一樣，內外壓力夾擊之下電池就會膨脹損毀。此外，固態(tài)電池中的電極材料與固態(tài)電解質接觸面積非常小，這也可能導致電極材料與電解質之間的反應難以發(fā)生，從而影響電池的性能。
另一方面，是制造成本較高。固態(tài)電池需要采用高溫、高壓等復雜的工藝來進行制造，這些工藝成本非常高昂。同時，固態(tài)電池使用的材料成本也很高，其中包括固態(tài)電解質、電極材料等等。據贛鋒鋰電估算，當前 350Wh/kg 體系硫化物全固態(tài)電池成本約 40 元 /Wh，可以想象 1000Wh 電池的成本相當驚人。
最后，是大規(guī)模生產存在不少障礙。由于固態(tài)電池的生產工藝非常復雜，并且制造過程還需要考慮到環(huán)境、健康等各種因素，使得生產規(guī)模的擴大更加困難。此外，全固態(tài)電池量產勢必將對原料 / 基材生產、電芯 / 電池包裝配、電池生產應用、電池回收等全生命周期產業(yè)鏈造成顛覆性變革，與現有液態(tài)電池產業(yè)鏈截然不同，很難快速完成切換。
總結：
固態(tài)電池一直被認為是新能源汽車電池的終極形態(tài)，特別是其所具備的高能量密度和高安全性兩大特點，有望徹底緩解新能源汽車存在的里程受限與電池自燃等問題。雖然距離全固態(tài)電池的量產還有很長的路要走，但值得欣慰的是，目前準固態(tài)電池技術已經逐漸成熟，并且實現了小批量裝車。相信隨著材料技術和成本控制取得突破，市場供應體系不斷成熟，固態(tài)電池量產有望提速，新能源汽車發(fā)展也將迎來顛覆性的變革。
固態(tài)電池的具體形式，包括哪些技術路線？
固態(tài)電池顧名思義就是采用固態(tài)電解質的鋰離子電池。固態(tài)電池具有三種分類，分別為半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)，它們的液體含量分別為 5-10wt%、0-5wt%、0wt%。
半固態(tài)電池相對于液態(tài)電池減少了電解液的使用量，并增加了復合電解質。此外，負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極 / 鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了高鎳高電壓 / 富鋰錳基等。隔膜仍然保留并涂覆有固態(tài)電解質涂層，鋰鹽從 LiPF6 升級為 LiTFSI，能量密度可達 350Wh/kg 以上。
準固態(tài)電池是在全固態(tài)電池中加入少量液態(tài)電解液（通常小于 5wt.%）的情況下得到的。液態(tài)電解液的作用主要是浸潤界面。
全固態(tài)電池與液態(tài)電池相比取消了原有的電解液，采用固態(tài)電解質，并以薄膜的形式分隔正負極，從而替代隔膜的作用。負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極 / 鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了超高鎳 / 鎳錳酸鋰 / 富鋰錳基等。全固態(tài)電池的能量密度可達 500Wh/kg。
從電解質材料來劃分，固態(tài)電池包括聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系三大主流技術路線。其中，聚合物電解質采用高分子聚合物為電解質基體，添加導電鋰鹽，構成離子傳導網絡，具備柔性與易加工特點。但其僅能和鐵鋰正極匹配，且性能上限較低，也制約了其大規(guī)模應用潛力。國內采用這一技術路線的企業(yè)包括清陶能源、貝特瑞、天賜材料、奧克股份。
氧化物電解質具有較高的離子電導率、出色的熱穩(wěn)定性，同時擁有超過 5V 的高電壓窗口，更適配高壓正極材料體系。從成本角度來看，氧化物電解質更適合大規(guī)模生產和應用。目前國內在該技術路線進展領先的企業(yè)包括贛鋒鋰業(yè)、當升科技等。
硫化物電解質理論上能提供更高的能量密度、更快的充電速度，具備較大的商業(yè)化潛力。其缺點包括電化學窗口相對較窄，易與鋰金屬及空氣發(fā)生反應。此外，由于可能產生硫化氫，以及界面穩(wěn)定性欠佳，增加了其研發(fā)難度和成本。全球方面，硫化物路線以日韓廠商為主，包括三星、豐田、松下、日產、LG、SKI。國內方面，寧德時代選擇凝聚態(tài)、硫化物雙重材料體系。
值得注意的是，以上三大路線還同時面臨著正負極的共性問題，相比傳統(tǒng)液態(tài)電解質，從浸潤形式的軟接觸，變成固體與固體的硬接觸，固態(tài)電解質離子間相互作用力強，離子遷移能壘是液體的十倍以上，離子電導率低。綜合來看，固態(tài)電池技術并不成熟，當前各企業(yè)只能采取折中的方式，即半固態(tài)電池技術。半固態(tài)電池由于技術相對成熟，并且更加接近液態(tài)鋰離子電池，因此受到了不少汽車企業(yè)與電池廠商的青睞。智己 L6 搭載的 " 光年固態(tài)電池 " 實際上就屬于半固態(tài)電池，傳統(tǒng)電解液添加較少。此外，國軒高科、億緯鋰能、孚能科技等電池廠商，以及東風、長安、廣汽等汽車企業(yè)，都已實現或即將實現半固態(tài)電池的量產裝車。不過，半固態(tài)電池雖然減少了液態(tài)電解質的用量，但是仍存在易燃風險，并且在能量密度上也與真正的全固態(tài)電池存在明顯差距。
相比液態(tài)電池 固態(tài)電池具備哪些優(yōu)勢？
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池主要由正極、負極、電解液和隔膜四大關鍵要素組成，固態(tài)電池使用固態(tài)電解質替換傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池中的電解液。
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的兩端為電池的正負兩極，中間為液態(tài)電解質。在鋰離子從正極到負極再到正極的來回移動過程中，電池的充放電過程便完成了。固態(tài)電池的工作原理與之相通，充電時正極中的鋰離子從活性物質的晶格中脫嵌，通過固態(tài)電解質向負極遷移，電子通過外電路向負極遷移，兩者在負極處復合成鋰原子、合金化或嵌入到負極材料中；放電過程與充電過程恰好相反。
相比傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池擁有更高的能量密度、更好的安全性能、更長的使用壽命、更快的充放電速度、更強的適應性等諸多優(yōu)勢。
更高的能量密度：固態(tài)電池使用固態(tài)電解質替代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質，這使得它能夠存儲更多的能量，從而提高能量密度。
更好的安全性能：由于固態(tài)電池采用固態(tài)電解質替代了液態(tài)電解質，從而消除了電池內部漏液、短路等安全隱患。固態(tài)電解質的高穩(wěn)定性使得固態(tài)電池在極端條件下也能保持良好的安全性，大大降低了電池起火、爆炸等風險。此外，固態(tài)電池還采用了多層結構和熱隔離等安全措施，進一步提高了其安全性能。
更長的使用壽命：固態(tài)電解質克服了液態(tài)電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜（SEI）的問題，減少了電池內部的損耗，從而延長了電池的使用壽命。
更快的充放電速度：固態(tài)電解質克服了液態(tài)電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜（SEI）的問題，減少了充放電過程中的能量損耗，也提高了充電效率。
更強的適應性：相較于液態(tài)電池，固態(tài)電池的工作溫度范圍更廣，能夠在極端高溫或低溫環(huán)境下正常工作，同時對于環(huán)境濕度的要求也相對較低，這使其在各種復雜環(huán)境中都能表現出良好的穩(wěn)定性和可靠性。
全固態(tài)電池量產前景，還面臨哪些問題？
研究機構 GGII 預測認為，2024 年將是固態(tài)電池產業(yè)發(fā)展的一個重要節(jié)點，年內有望實現（半）固態(tài)電池的大規(guī)模裝載應用，預計全年裝機總量將歷史性地突破 5GWh 大關。在固態(tài)電池發(fā)展方面，中國汽車企業(yè)和海外品牌都在加速布局。上汽集團宣布，從 2024 年起將在不同車型上實現半固態(tài)電池的量產應用。長安汽車、廣汽集團等則瞄準了 2025 年至 2026 年的時間窗口，計劃推出搭載半固態(tài)電池的車型。海外方面，豐田計劃 2030 年實現全固態(tài)電池裝車。韓國 SK On 正在開發(fā)高分子氧化物復合和硫化物兩種固態(tài)電池，目標是到 2026 年生產出原型產品，2028 年實現商業(yè)化。三星 SDI 正在開發(fā)一種沒有負極的固態(tài)電池，預計將于 2027 年量產。此外，寶馬和日產也分別公布了各自的固態(tài)電池研發(fā)和應用計劃。
雖然目前半固態(tài)電池已經實現了小范圍裝車，但并不意味著全固態(tài)電池已經具備了量產上車的條件，全固態(tài)電池在技術、成本以及大規(guī)模生產等方面仍然面臨多重挑戰(zhàn)。
一方面，是技術仍不成熟。雖然固態(tài)電池的理論性能不錯，但是在實際應用中，固態(tài)電池的性能可能會比較不穩(wěn)定。因為固態(tài)電池的電解質是固體，離子電導率肯定沒有液體那么高，所以電池需要加更大的壓力，讓這三種物質緊緊接觸。但是電池工作會升溫，不同材料升溫膨脹不一樣，內外壓力夾擊之下電池就會膨脹損毀。此外，固態(tài)電池中的電極材料與固態(tài)電解質接觸面積非常小，這也可能導致電極材料與電解質之間的反應難以發(fā)生，從而影響電池的性能。
另一方面，是制造成本較高。固態(tài)電池需要采用高溫、高壓等復雜的工藝來進行制造，這些工藝成本非常高昂。同時，固態(tài)電池使用的材料成本也很高，其中包括固態(tài)電解質、電極材料等等。據贛鋒鋰電估算，當前 350Wh/kg 體系硫化物全固態(tài)電池成本約 40 元 /Wh，可以想象 1000Wh 電池的成本相當驚人。
最后，是大規(guī)模生產存在不少障礙。由于固態(tài)電池的生產工藝非常復雜，并且制造過程還需要考慮到環(huán)境、健康等各種因素，使得生產規(guī)模的擴大更加困難。此外，全固態(tài)電池量產勢必將對原料 / 基材生產、電芯 / 電池包裝配、電池生產應用、電池回收等全生命周期產業(yè)鏈造成顛覆性變革，與現有液態(tài)電池產業(yè)鏈截然不同，很難快速完成切換。
總結：
固態(tài)電池一直被認為是新能源汽車電池的終極形態(tài)，特別是其所具備的高能量密度和高安全性兩大特點，有望徹底緩解新能源汽車存在的里程受限與電池自燃等問題。雖然距離全固態(tài)電池的量產還有很長的路要走，但值得欣慰的是，目前準固態(tài)電池技術已經逐漸成熟，并且實現了小批量裝車。相信隨著材料技術和成本控制取得突破，市場供應體系不斷成熟，固態(tài)電池量產有望提速，新能源汽車發(fā)展也將迎來顛覆性的變革。
