從蔚來(lái)汽車到長(zhǎng)城蜂巢，從寧德時(shí)代到輝能科技，固態(tài)電池已成為動(dòng)力電池的重要發(fā)展方向。面對(duì)1000km+純電續(xù)航里程的偉大愿景，目前各大車企及供應(yīng)商都不惜“重注”投資研發(fā)。

寧德時(shí)代、LG化學(xué)、日本松下等電池供應(yīng)商就甭說(shuō)了，少不了固態(tài)電池的研發(fā)項(xiàng)目。近日最新消息顯示，寶馬和福特兩家汽車巨頭正在加速固態(tài)電池的研發(fā)，由Solid Power提供的商業(yè)化固態(tài)電池，準(zhǔn)備在2022年初開(kāi)始試生產(chǎn)固態(tài)電池，并在商品車上進(jìn)行實(shí)際工況測(cè)試。今天我們就來(lái)聊聊，同樣是通過(guò)以鋰離子為基礎(chǔ)的化學(xué)儲(chǔ)能方式，固態(tài)電池為什么能在提高2-10倍的能量密度基礎(chǔ)上，還保障電池安全性。

固態(tài)VS液態(tài)：相同食材，調(diào)料決定口味。

正/負(fù)極+電解質(zhì)+隔膜，動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)其實(shí)都一樣。在電池充放電過(guò)程中，鋰離子（或者其他正電荷離子）在電池內(nèi)部遷移，而電子則在外部導(dǎo)線通過(guò)用電設(shè)備，形成電流，從而，燈亮了，車動(dòng)了，空調(diào)也轉(zhuǎn)起來(lái)了。

“固態(tài)”還是“液態(tài)”本質(zhì)差異就是電池電解質(zhì)的特征，這玩意兒是鋰離子在正負(fù)極遷移的橋梁，要求對(duì)鋰離子暢通無(wú)阻，電子就完全不給過(guò)，專業(yè)說(shuō)法是——絕緣（否則就短路了）。固態(tài)電解質(zhì)說(shuō)白了就是硬的、不流動(dòng)的電解質(zhì)，不像液態(tài)電解質(zhì)那樣會(huì)因?yàn)殇囯x子的頻繁穿梭以及溫度起伏而“變態(tài)”，物理和化學(xué)特性都更穩(wěn)定。

用什么樣的固態(tài)電解質(zhì)合適呢？總不能隨便撒一把石灰進(jìn)去吧！目前，全固態(tài)電池的電解質(zhì)有硫化物、氧化物、聚合物三種發(fā)展方向，都是材料科學(xué)經(jīng)過(guò)篩選出來(lái)的最佳解決方案，且都有各自優(yōu)勢(shì)。（以下內(nèi)容略硬核，懶得理解可跳過(guò)）

硫化物電解質(zhì)就像灰一樣，能跟能跟正負(fù)極材料超親密貼合，相當(dāng)于離子會(huì)更寬敞的道路來(lái)回跑動(dòng)，自然效率高，未來(lái)最可能的技術(shù)路線（日系居多），短板在于，要做這東西的工藝復(fù)雜，產(chǎn)能低，良品率低，實(shí)驗(yàn)室整點(diǎn)樣品還行，工廠大規(guī)模生產(chǎn)得虧死。另外，硫化物的空氣穩(wěn)定性差，跟空氣接觸后會(huì)有重污染的問(wèn)題。目前這種“高精尖”的玩意兒主要還是一些重點(diǎn)軍工航天設(shè)備用的比較多，用量小，性能強(qiáng)。

氧化物電解質(zhì)是更純粹的固態(tài)，機(jī)械性好，導(dǎo)電率也很高，雖不如硫化物，但導(dǎo)電率也比液態(tài)電解質(zhì)強(qiáng)多了。同樣的，因?yàn)椴牧掀驳奶攸c(diǎn)，所以不太好跟正極活性材料完美接觸，鋰離子從正極出來(lái)沒(méi)法快速進(jìn)入電解質(zhì)，容易形成局部高溫，結(jié)合部的機(jī)械穩(wěn)定性也偏差，就好比尺寸不匹配的螺絲和螺母，工藝不到位做不到牢固的親密接觸。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)衛(wèi)藍(lán)、清陶、輝能都是走的這條路線。

寧德時(shí)代

最后是聚合物電解質(zhì)，這其實(shí)是一種比較“中庸”的固態(tài)電池方案，電解質(zhì)不是純粹的固態(tài)，有些材料呈現(xiàn)會(huì)出的相對(duì)穩(wěn)定的凝膠狀態(tài)，你簡(jiǎn)單可以理解為果凍，雖然不硬，但也沒(méi)有流動(dòng)性。這種高分子材料相對(duì)容易加工，利用現(xiàn)有設(shè)備通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如SANYO的商用產(chǎn)品，但缺點(diǎn)是離子電導(dǎo)率低，能量密度的潛力上不去，且跟液態(tài)電解質(zhì)一樣不容易控制熱失控問(wèn)題，機(jī)械穩(wěn)定性和安全性都有待提高。寧德時(shí)代目前正在重點(diǎn)攻堅(jiān)這一技術(shù)路線，目前容量為325mAh的聚合物鋰金屬固態(tài)電池能量密度達(dá)300Wh/kg，比現(xiàn)在一流水準(zhǔn)的三元鋰電池并沒(méi)有突出的優(yōu)勢(shì)。

口感：紅燒肉，大廚手里出來(lái)的就是不一樣

面對(duì)純電汽車?yán)m(xù)航、充電、全場(chǎng)景等多維度的訴求，任何動(dòng)力電池都逃不過(guò)能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、高低溫性能、安全性能這五種外在指標(biāo)，新材料應(yīng)用，工藝的優(yōu)化升級(jí)，也都是為了提升相關(guān)技術(shù)指標(biāo)服務(wù)的。

液態(tài)電池“短命”的一個(gè)重要原因就是電解質(zhì)，其中最典型的案例就是長(zhǎng)時(shí)間使用，鋰枝晶的生長(zhǎng)對(duì)電池性能和壽命的影響，就像針扎破氣球一樣，泄了氣的電池就沒(méi)用了。而固態(tài)電池的電解質(zhì)機(jī)械和化學(xué)特性均更為穩(wěn)定，不可燃、耐高溫、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)，再加上高度密封的電池包，這會(huì)極大提升整個(gè)電池組的靜態(tài)及循環(huán)壽命，即，拿針扎磚頭，沒(méi)啥用。

普遍認(rèn)為，固態(tài)電池的能量密度能達(dá)到當(dāng)前三元鋰電池的2-10倍，要達(dá)到這個(gè)高度，固態(tài)電池還需解決電解質(zhì)和正負(fù)極高度貼合的問(wèn)題，給離子建起“雙向12車道的高速公路”，這樣能量密度、功率密度才能上得去。與此同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)也不像液態(tài)那樣對(duì)溫度敏感，普遍能在-50℃~200℃溫度保持放電功率，可以極大程度緩解冬天電池容量衰減的問(wèn)題。

冬季是純電汽車“天敵”

同樣因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定導(dǎo)電性，固態(tài)電池的內(nèi)在阻值也更小，且并不會(huì)隨著溫度/容量劇烈變化，發(fā)熱量小，不需要高功率的水冷系統(tǒng)，充/放電功率低一些的甚至不需要冷卻系統(tǒng)。

工藝：沒(méi)有高壓鍋，拿什么做佛跳墻？

理論上，固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)有著更高的發(fā)展?jié)摿Γ珜?duì)工藝的要求也是極高的，想要達(dá)到全方位領(lǐng)先的數(shù)據(jù)和指標(biāo)，要求對(duì)電解質(zhì)進(jìn)行微米甚至納米級(jí)微觀層面的高精度工藝處理，其難度不下于在半導(dǎo)體上刻電路（芯片），成本當(dāng)然很難下得來(lái)。

以目前普遍看好，且潛力大的氧化物固態(tài)電解質(zhì)為例，低溫壓合工藝生產(chǎn)出來(lái)的版本導(dǎo)電率只有硫化物的1/10-1/20，但通過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝處理后，其導(dǎo)電性會(huì)大幅提高。而如何把握這種工藝的火候則是一個(gè)長(zhǎng)期探索的過(guò)程。

面對(duì)電解質(zhì)和正負(fù)極固-固結(jié)合帶來(lái)的“接觸不良”問(wèn)題，也有人提出界面拋光處理、增加特殊涂層等優(yōu)化方案，這些都是解決導(dǎo)電率的良方，但也會(huì)影響工藝以及材料成本，甚至損失能量密度，違背初衷的事兒總讓人有些不痛快。

實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)化始終存在鴻溝。造一兩個(gè)不計(jì)成本的高水準(zhǔn)固態(tài)電池，對(duì)于任何一間專門做這玩意兒的實(shí)驗(yàn)室都不難，不排除航天/軍工領(lǐng)域一些特殊設(shè)備就用來(lái)這些玩意兒。難的是如何讓這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入生產(chǎn)車間，還要讓車企扣除各項(xiàng)成本后有的掙，這才是固態(tài)電池面臨的最大難點(diǎn)。

總結(jié)：

產(chǎn)業(yè)鏈上游決定了一個(gè)行業(yè)的發(fā)展速度＆高度，而限制像寧德時(shí)代、LG化學(xué)這些電池大佬的則是材料科學(xué)，真正的科學(xué)技術(shù)最前沿，相比主機(jī)廠（也就是汽車品牌）在產(chǎn)品角度下功夫更能改變一個(gè)行業(yè)前景與格局。新能源汽車應(yīng)用固態(tài)電池的發(fā)展思路已經(jīng)是這條產(chǎn)業(yè)鏈的共識(shí)，且實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)證明其各項(xiàng)指標(biāo)相比當(dāng)前液態(tài)鋰離子電池強(qiáng)得多，基本確認(rèn)商業(yè)化道路是可行的。然而，從實(shí)驗(yàn)室和市場(chǎng)永遠(yuǎn)存在巨大鴻溝，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為固態(tài)電池全面產(chǎn)業(yè)化還需5-10年，這還是比較樂(lè)觀的估計(jì)。

總之，固態(tài)電池的商業(yè)化不是做慈善，要的是效益，控制工藝成本、提高產(chǎn)能、讓產(chǎn)品變得廉價(jià)，是任何高新技術(shù)走向民用的“罩門”。