近年來(lái)，不少汽車(chē)廠商都透露過(guò)基于固態(tài)電池打造電動(dòng)汽車(chē)的計(jì)劃。例如“Fisker申請(qǐng)固態(tài)鋰電池專利，最高續(xù)航800km，充電1分鐘”、“大眾計(jì)劃研發(fā)續(xù)航1000km固態(tài)電池”等新聞屢見(jiàn)不鮮。這背后的“黑科技”——固態(tài)電池到底有什么能耐？離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？我們就來(lái)具體聊一下固態(tài)電池的現(xiàn)狀和前景。

●根據(jù)電解質(zhì)的不同可分為液態(tài)、半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、全固態(tài)四大類(lèi)。

●現(xiàn)有體系的鋰電池能量密度很難突破300Wh/kg，基于安全和能量密度上的優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池已成為未來(lái)鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。

●準(zhǔn)固態(tài)電池將以聚合物復(fù)合電解質(zhì)為主，薄膜固態(tài)電池以氧化物復(fù)合電解質(zhì)為主，全固態(tài)電池以硫化物復(fù)合電解質(zhì)為主。

●目前快充型電池主要在客車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用較多，未來(lái)快充型動(dòng)力電池的消費(fèi)結(jié)構(gòu)將會(huì)向用車(chē)、專用物流車(chē)偏移。

一、固態(tài)電池有哪些優(yōu)點(diǎn)

目前，動(dòng)力電池全球化競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，雖然中國(guó)企業(yè)在本輪競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)了市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì)，但歐美、日韓等企業(yè)已經(jīng)在為下一階段做布局，是潛在的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。有不少專家呼吁建議，應(yīng)該關(guān)注固體電池發(fā)展的問(wèn)題。盡管目前固態(tài)電池還多處于試驗(yàn)階段，離走向產(chǎn)業(yè)化還有一定時(shí)間。但為了搶占未來(lái)發(fā)展的制高點(diǎn)，各企業(yè)對(duì)固態(tài)電池的研發(fā)已快馬加鞭，市場(chǎng)需求或推動(dòng)固態(tài)電池量產(chǎn)提前。

按照《中國(guó)制造2025》確定的技術(shù)目標(biāo)，2020年鋰電池能量密度到300Wh/kg，2025年能量密度達(dá)到400Wh/kg，2030年能量密度達(dá)到500Wh/kg。但是基于高鎳三元+硅碳負(fù)極材料，現(xiàn)有體系的鋰電池的能量密度很難突破300Wh/kg。而固態(tài)鋰電池的能量密度大約為傳統(tǒng)鋰電池的2.5—3倍，且杜絕了電池破裂或高溫等意外帶來(lái)的燃燒隱患。

全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車(chē)的自燃概率會(huì)大大降低。

電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類(lèi)材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應(yīng)用案例；氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)；硫化物電導(dǎo)率最高，是未來(lái)主要方向。

既然固態(tài)電池有這么多優(yōu)點(diǎn)，為什么沒(méi)有大力推廣呢？這是因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問(wèn)題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負(fù)極材料上著手。電導(dǎo)率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰(zhàn)，一旦這些問(wèn)題能夠有效解決，必將在未來(lái)掀起一場(chǎng)新的電池革命。

總體來(lái)看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。筆者認(rèn)為，2020年前采用高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負(fù)極電池實(shí)現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現(xiàn)500 Wh/Kg。

二、全球產(chǎn)業(yè)加速布局

目前，全球范圍內(nèi)約有 20 多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高?？蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)。2017年，關(guān)于固態(tài)鋰電池分別有1198篇文獻(xiàn)與117篇專利。其中1096篇文獻(xiàn)集中在金屬鋰負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)，以及固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極界面等基礎(chǔ)問(wèn)題研究，其他有102篇文獻(xiàn)探討了固態(tài)鋰電池的組裝及相關(guān)測(cè)試結(jié)果，以硫系和氧化物電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池居多。文獻(xiàn)方面，中國(guó)發(fā)表的數(shù)量占據(jù)第一位，國(guó)際發(fā)明專利方面則是日本占據(jù)一半以上。

●法國(guó)Bollore

法國(guó)博洛雷集團(tuán)（Bolloré）從2011年就開(kāi)始嘗試固態(tài)電池在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的商業(yè)化，其自主研發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)Bluecar搭載了子公司Batscap生產(chǎn)的30kWh金屬鋰聚合物電池，續(xù)航為120km。大約有2900輛Bluecar投放到了巴黎汽車(chē)共享服務(wù)項(xiàng)目Autolib，這也是國(guó)際上第一個(gè)采用固態(tài)鋰電池的電動(dòng)汽車(chē)案例。

『Bluecar在巴黎Autolib汽車(chē)共享服務(wù)亭充電』

BatScap選擇全固態(tài)中的聚合物技術(shù)路線，正極材料采用LFP，負(fù)極材料采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚環(huán)氧乙烷（PEO），但其Pack能量密度僅為100Wh/kg，且工作溫度要求60~80℃，必須持續(xù)將電池加熱至60°C以上來(lái)維持電池內(nèi)部的導(dǎo)電能力。

●德國(guó)博世+美國(guó)SEEO

成立于2007年的SEEO是美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室唯一授權(quán)擁有核心專利的電池公司，2015年博世（BOSCH）收購(gòu)美國(guó)SEEO，并與日本GS YUASA（湯淺）公司、三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽(yáng)極鋰離子電池。當(dāng)時(shí)SEEO開(kāi)發(fā)的固態(tài)電池就已實(shí)現(xiàn)350Wh/kg的能量密度，約是同等體積鋰電池的兩倍能量。但在2018年初，由于博世的戰(zhàn)略變化，不再自行生產(chǎn)電池，也就宣告放棄對(duì)SEEO的投入。

●英國(guó)戴森+美國(guó)Sakit3

美國(guó)Sakti3創(chuàng)辦于2008年，號(hào)稱開(kāi)發(fā)出了能量密度達(dá)到1000Wh/kg的固態(tài)電池，并稱未來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)之后，成本只有當(dāng)前鋰電池的20%，可以把搭載其電池的電動(dòng)汽車(chē)成本控制在2.5萬(wàn)美元。2015年Sakti3被戴森以9000萬(wàn)美金的價(jià)格全資收購(gòu)，之后戴森宣布投資14億美元建造電池廠，發(fā)展固態(tài)鋰電池技術(shù)。

戴森計(jì)劃在2020年量產(chǎn)首款電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品，電池組為一種可拆卸的盒式固態(tài)電池組，安裝在傳統(tǒng)燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的位置。

●日本38家機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)全固態(tài)鋰電池

2018年6月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）宣布啟動(dòng)新一代高效電池“全固態(tài)電池”核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)總投資100億日元（約合5.8億元人民幣），豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家汽車(chē)、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究，計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)，到2030年前后將每千瓦時(shí)電池組的成本降至鋰電池的三分之一左右，將快速充電時(shí)間也縮短至三分之一（10分鐘）。

其中，豐田被認(rèn)為現(xiàn)階段硫化物固態(tài)電池龍頭。其2010年就推出硫化物固態(tài)電池，2014年該電池實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg。2017年12月，豐田聯(lián)合松下對(duì)外宣布將共同開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池。根據(jù)規(guī)劃，豐田將在2020年實(shí)現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。

三、國(guó)內(nèi)企業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)

中國(guó)固態(tài)鋰電池處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，清華大學(xué)、北大深圳研究院、電子科大、國(guó)防科大、中科院物理所、化學(xué)所、寧波材料所、青島能源所、上海硅酸鹽所等單位已開(kāi)始固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料、固態(tài)鋰電池制造裝備及電芯制造技術(shù)的研發(fā)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)鋰電池材料及電芯優(yōu)勢(shì)企業(yè)，如寧德時(shí)代、比亞迪、中航鋰電、貝特瑞、力神、贛鋒鋰業(yè)等，也已開(kāi)始布局固態(tài)鋰電池技術(shù)開(kāi)發(fā)。

●寧德時(shí)代

寧德時(shí)代投入固態(tài)電池研發(fā)已有幾年時(shí)間，在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開(kāi)展了相關(guān)的研發(fā)工作。其招股說(shuō)明書(shū)中表明，下一代電池研發(fā)重點(diǎn)就是全固態(tài)鋰電池。但從官方介紹的情況來(lái)看，離商業(yè)化仍然比較遠(yuǎn)。在制造工藝方面，寧德時(shí)代初步提出以下工藝路線：正極材料與離子導(dǎo)體的均勻混合與涂覆；經(jīng)過(guò)一輪預(yù)熱壓，形成連續(xù)的離子導(dǎo)電通道；經(jīng)過(guò)二次涂覆LPS之后，再進(jìn)行熱壓，全固態(tài)化之后可以去掉孔隙；再涂覆緩沖層后與金屬鋰復(fù)合疊加。

●比亞迪

比亞迪2016年中期業(yè)績(jī)會(huì)議透露，公司認(rèn)為固體電池將是鋰電池未來(lái)的方向，已經(jīng)在嘗試小規(guī)模使用，并確定將在未來(lái)10年，最快5年內(nèi)提供該類(lèi)型產(chǎn)品。2017年8月，比亞迪申請(qǐng)了一種全固態(tài)鋰離子電池正極復(fù)合材料及一種全固態(tài)鋰離子電池的發(fā)明專利。

●國(guó)軒高科

國(guó)軒高科固態(tài)電池的研發(fā)主要在海外進(jìn)行，2018年2月，國(guó)軒高科透露正在美國(guó)和日本分別開(kāi)發(fā)下一代動(dòng)力電池生產(chǎn)技術(shù)工藝與生產(chǎn)設(shè)備，相關(guān)產(chǎn)品將使用半固態(tài)電池技術(shù)。目前，國(guó)軒高科半固態(tài)電池技術(shù)已處于實(shí)驗(yàn)室向中試轉(zhuǎn)換階段，計(jì)劃2019年建設(shè)中試線。

●贛鋒鋰業(yè)

2017年8月，贛鋒鋰業(yè)通過(guò)引進(jìn)寧波材料所的固態(tài)電池博士團(tuán)隊(duì)，正式切入固態(tài)電池板塊，目標(biāo)在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。隨后，贛鋒鋰業(yè)公告稱將投資2.5億元，于2018年底建成億瓦時(shí)級(jí)第一代固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)送樣；在2019年12月完成3億元固態(tài)電池銷(xiāo)售，并分別推動(dòng)二代固態(tài)鋰電池技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)三代固態(tài)鋰電池可研。根據(jù)測(cè)算，贛鋒鋰業(yè)生產(chǎn)的第一代固態(tài)鋰電池電芯的能量密度可達(dá)240Wh/kg，按照單車(chē)500kg電池組估算，80kWh的電量可以實(shí)現(xiàn)480km的續(xù)航，且千次循環(huán)后最大電量仍有90%，充電僅需12分鐘充滿。

●珈偉股份

2017年12月，珈偉股份子公司珈偉龍能發(fā)布了其首款快充類(lèi)固態(tài)電池產(chǎn)品。珈偉龍能科技具備一期1億Wh高性能動(dòng)力電池，采用類(lèi)固態(tài)快充技術(shù)；2018年二期擬再次投產(chǎn)2GWh電池產(chǎn)能。公司生產(chǎn)的電池正極采用改性的鐵鋰和三元，負(fù)極則使用鈦酸鋰和納米化的石墨。然而，珈偉股份發(fā)布的電池與全固態(tài)電池技術(shù)不甚相同，此次珈偉股份生產(chǎn)的類(lèi)固態(tài)電池為凝膠狀（類(lèi)固態(tài)）電池，采用了隔膜，非完全意義的固態(tài)電池。

全文總結(jié)：

從全球范圍來(lái)看，全固態(tài)電池預(yù)計(jì)會(huì)在2020年到2025年開(kāi)始批量應(yīng)用。在這個(gè)過(guò)程中，還有很多的基礎(chǔ)科研和工藝技術(shù)問(wèn)題要突破，現(xiàn)在展示了一個(gè)希望，從綜合指標(biāo)上看，還不能滿足動(dòng)力電池的技術(shù)，希望一步步往前走，逐步改善現(xiàn)有鋰電池兼顧能量密度和安全性方面的挑戰(zhàn)。我國(guó)應(yīng)加大發(fā)展固態(tài)鋰電池的力度，爭(zhēng)取在未來(lái)5年內(nèi)研發(fā)出高能量密度、高安全，且綜合性能優(yōu)異的固態(tài)鋰電池，并推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。