固態(tài)與半固態(tài)動力電池

印寧華|印寧華|Indining China|

2023-03-14 08:44:32 639

固態(tài)電池是一種電池科技。與現(xiàn)今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。由于科學界認為鋰離子電池已經(jīng)到達極限，固態(tài)電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態(tài)鋰電池技術采用鋰、鈉等制成的玻璃化合物為傳導物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度，其能量密度是鋰離子電池的2倍。

市場預計，自2021年起固態(tài)電池技術研發(fā)有望取得突破性進展，在成本、能量密度和生產(chǎn)過程等方面進一步趕超鋰離子電池技術。目前日本就宣稱固態(tài)電池研發(fā)成功, 可為新能源汽車提供高達1000公里里程續(xù)航。有行業(yè)分析樂觀稱，至2030年固態(tài)電池將是電動汽車電池的主流，鋰離子電池將不再是電動汽車電池的主流，但鋰離子電池在某些電子原件領域仍有一席之地。

相較傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)電池具有四大優(yōu)勢

優(yōu)勢一輕。使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會發(fā)生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。

優(yōu)勢二薄。傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據(jù)了電池中近40％的體積和25％的質(zhì)量。而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固態(tài)電池技術是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。

優(yōu)勢三柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。相應的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高，通過使用適當?shù)姆庋b材料（不能是剛性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

優(yōu)勢四更安全。傳統(tǒng)鋰電池可能發(fā)生以下危險：（1）在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導致短路破壞（2）電解液為有機液體，在高溫下發(fā)生副反應、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會加劇。采用全固態(tài)電池技術，以上兩點問題就可以直接得到解決。

不過，固態(tài)電池雖然將實現(xiàn)電解質(zhì)全固態(tài)及負極金屬鋰的蛻變，但電導率，安全性，穩(wěn)定性及高成本等問題仍需解決。總的說來，隨著固態(tài)電池技術路線逐步發(fā)展之際，行業(yè)分析普遍認為高鎳正極，碳酸鋰，硅碳負極等領域企業(yè)將因固態(tài)電池而產(chǎn)生新機遇，而電解液及隔膜企業(yè)將因此產(chǎn)生沖擊。

從電解質(zhì)上看二者的主要差異
1、能量密度不同鋰離子的電解質(zhì)是液態(tài)的，以凝膠體、聚合物的形式存在，讓電池的重量難以下降。固態(tài)電池的整體結(jié)構與傳統(tǒng)鋰離子電池相似，充放電方式也大同小異，但因為沒有液體，所以電池內(nèi)部更緊密，體積更小，能量密度增加。

2、充電速度不同  固態(tài)電池的充電速度比鋰離子電池快。
3、壽命不同鋰離子電解質(zhì)會腐蝕電池的內(nèi)部組件，充放電的過程也會產(chǎn)生晶枝（dendrites），降低電池的容量、性能與壽命。固態(tài)電池沒有腐蝕性的問題，壽命更長。
4、熱穩(wěn)定性不同  鋰離子電解質(zhì)也具有可燃性，在高溫下不穩(wěn)定，有熱失控的問題，若發(fā)生車禍，可能會導致嚴重火災。電解質(zhì)在低溫也容易凍結(jié)，降低電池的續(xù)航力。固態(tài)電池具有熱穩(wěn)定性，也不會在低溫凍結(jié)，對生活在中高緯度的使用者，這能確保電動車的續(xù)航力。
5、成本不同  固態(tài)電池成本高昂且不易量產(chǎn)。

固態(tài)電池成熟量產(chǎn)所面臨的難題

從一窺日產(chǎn)汽車實驗室，就可以想象通往固態(tài)電池的道路將是多么漫長和艱難。日產(chǎn)汽車負責創(chuàng)新電池生產(chǎn)工藝的副總經(jīng)理Kenzo Oshihara說，目前這個實驗室每月只能生產(chǎn)大約50個這樣的四層電芯。Oshihara估計，一輛電動車就需要大約5000個這樣的電芯。“要在這個試制房間里為汽車制造電池還需要很長時間。大規(guī)模生產(chǎn)的設備必須更加精密。”O(jiān)shihara補充說。

更大的挑戰(zhàn)在于技術和制造。目前，日產(chǎn)汽車仍在尋找陰極和陽極的正確化學材料。該公司與美國*航空航天局（NASA）有合作關系，可以在NASA龐大的電池數(shù)據(jù)庫中搜索有效的材料組合。利用人工智能篩選方式，日產(chǎn)汽車相信它可以將研究時間縮短一半以上，從5到20年縮短到2到3年。Kazuhiro Doi說，日產(chǎn)汽車還在專注于無鈷陰極化學成分，可能會使用硫或錳，因為這些材料相對豐富且價格低廉。在陽極方面，日產(chǎn)汽車考慮硅基或鋰金屬化合物。

精度高于一切 下一步，是制造這些電池的嚴格標準。首先，漿液必須攪合得很細，必須把所有的結(jié)塊都清理出來，以最大限度地提高電池的導電性。陰極－電解質(zhì)－陽極層需要*精確地排列。在此過程中，日產(chǎn)汽車必須完善如何將所有這些程序提升到大規(guī)模量產(chǎn)的狀態(tài)。“這一切都與精度有關，但精度與成本和速度有關。”Kazuhiro Doi說，“與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，這是一套復雜得多的工藝。” 日產(chǎn)汽車表示，它已經(jīng)克服了一些障礙。陰極上采用了粘合劑，降低電阻的同時，改善了鋰離子的移動。工程師們還發(fā)現(xiàn)了一種材料，可以抑制會導致電池短路的枝晶形成。他們還發(fā)明了一種設計，使得電解質(zhì)和電極層重復擴張和收縮而不分離。更重要的是，該團隊表示，他們已經(jīng)破解了在低溫下快速充電的秘訣。

自主研發(fā) 盡管有越來越多的初創(chuàng)公司和供應商試圖進入固態(tài)電池領域，但日產(chǎn)汽車認為，單干和自主研發(fā)比合作更有優(yōu)勢，至少在初期階段是這樣。在談到外部供應商時，Kazuhiro Doi表示：“他們沒有成熟的技術，無法與我們這樣的汽車制造商合作。”日產(chǎn)汽車希望控制電池設計和制造等領域的技術訣竅，而不一定是原材料本身的化學成分。“這將是我們競爭力的來源。”他說。但日產(chǎn)汽車只有幾年的時間來解決這個問題，并在2028年之前實現(xiàn)成本目標。該公司希望通過使用更*的材料和簡化生產(chǎn)流程來實現(xiàn)這一目標。“當然，我們目前談論的是研發(fā)過程，所以沒有百分之百的信心。但只要我們努力，我們就可以做到。”Kazuhiro Doi說。

固態(tài)電池≠全固態(tài)電池

我們注意到自2021年起東風、蔚來都先后發(fā)布過自家采用了“固態(tài)電池”及新能源車的示范運營項目。但后來被業(yè)內(nèi)分析為這些也并非完全意義上的固態(tài)電池，而是一種半固態(tài)電池。更為準確的說法，是固液混合鋰離子電池。與三元鋰電池相同，這一電池的正負極材料同樣為三元材料和石墨，只是電解質(zhì)為固液混合。而全固態(tài)電池，電解質(zhì)全部為固態(tài)。

換句話說，宣傳未免有打“擦邊球”的嫌疑。事實上作為一項還未成熟的新技術，固態(tài)電池在宣傳話術上似乎還缺乏統(tǒng)一的標準。

2021年4月時，寧德時代董事長曾毓群曾公開表示，“3-5年內(nèi)能做到車里的，都不是全固態(tài)電池”。豐田、大眾、日產(chǎn)等車企發(fā)布的研發(fā)進程也證明了這一點。以豐田為例，作為全*擁有最多固態(tài)電池專利的企業(yè)，在一再推遲量產(chǎn)時間之后，最近，豐田將固態(tài)電池的量產(chǎn)時間定在了2025年。而此前，中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高也曾直言，中國的固態(tài)電池技術與日本最少相差五年，到2030 年中國固態(tài)電池的商業(yè)化應用規(guī)模才能達到 1% 左右。

全固態(tài)電池，“比登月還難”

作為公認的下一代電池技術，固態(tài)電池在提升續(xù)航能力、縮短充電時間、減少起火風險、降低車輛成本方面擁有其他技術路線無可比擬的優(yōu)勢：

例如，在能量密度方面，液體鋰離子電池最高只能達到300Wh/kg，而固態(tài)電池可以輕松做到400Wh/kg，甚至500Wh/kg；

在成本上，目前的液體鋰離子電池平均每千瓦時100至150美元，而日產(chǎn)曾表示，到 2028 年，固態(tài)電池將使電池包的成本降至每千瓦時75美元，甚至65美元以下。

“電動車的競爭最終將成為電池的競爭”，固態(tài)電池的廣闊前景也使得不少當下相對落后的海外車企將這一技術作為了彎道超車的發(fā)力點，紛紛加大了在這一領域的投資：大眾集團投資了固態(tài)電池企業(yè)Quantum Scape；寶馬、福特、現(xiàn)代投資了Solid Power；奔馳、Stellantis則投資了Factorial Energy。

不過，盡管企業(yè)們對固態(tài)電池的研發(fā)付出了大量真金白銀，但這一技術在短期內(nèi)卻似乎沒有突破的可能。以至于有行業(yè)人士調(diào)侃稱，“固態(tài)電池比登月還難，登月都成功了，固態(tài)電池的長征不知到何時”。于是，在不放棄這一路線的同時，也有不少企業(yè)將目光放到了半固態(tài)電池（固液混合鋰離子電池）上，選擇將這一過渡技術率先進行量產(chǎn)。而半固態(tài)電池也擁有固態(tài)電池的部分優(yōu)點。以贛鋒鋰業(yè)的*代固態(tài)電池為例，其能量密度在與三元鋰電池相當?shù)耐瑫r，

安全性也相對更高。

孚能科技董事長王瑀就曾直言，“誰也不愿意在生產(chǎn)電池過程當中有隱患，用了半固態(tài)電池，你的工廠再不會出現(xiàn)起火的問題。”此外，從孚能科技、贛鋒鋰業(yè)、衛(wèi)藍新能源等多個電池企業(yè)發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，有望在2022及2023年量產(chǎn)的半固態(tài)電池，能量密度還能更進一步達到360 Wh/kg左右。

當然，這也并非意味著半固態(tài)電池已經(jīng)是當下動力電池領域的*解決方案。它面臨的最大問題在于成本上較磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等成熟的技術路線仍然沒有優(yōu)勢。對于當下的電池企業(yè)來說，生產(chǎn)半固態(tài)電池，就必須要進行工藝設備的改造，而這也意味著成本的大幅增加。

對此，蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新認為，雖然目前半固態(tài)電池量產(chǎn)的技術問題可以解決，但是大規(guī)模商業(yè)化，還有相當?shù)牟淮_定性。在楊紅新看來，未來十年，動力電池的主流還會是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。

從一些電池企業(yè)發(fā)布的規(guī)劃來看，從2022年開始，半固態(tài)電池將逐步走向市場：

據(jù)贛鋒鋰業(yè)透露，除已經(jīng)裝車的*代固態(tài)電池外，能量密度將達到360Wh/kg的第二代固態(tài)電池在2021年一季度也已經(jīng)完成了B樣開發(fā)，2022年一季度將完成C樣開發(fā)，2023年一季度完成SOP階段；

國軒高科表示，其半固態(tài)電池預計將在2022年四季度開始小批量量產(chǎn)裝車，在2023年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；

蔚來的固態(tài)電池供應商衛(wèi)藍新能源也曾透露，其研發(fā)的高安全車用固液混合動力電池2022年下半年就會給客戶提供批量驗證；

而接下來，半固態(tài)電池和三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池哪個將成為主流，市場的檢驗即將開始。

當然半固態(tài)電池也有著自身的缺點，最直觀的就是制造成本較高。相比傳統(tǒng)液態(tài)電池，半固態(tài)電池制造工藝更復雜，所使用的液態(tài)鋰價格也更高，所以在制造成本上也明顯高于傳統(tǒng)液態(tài)電池。這就導致半固態(tài)電池目前只能使用在價格較高的高端車型上，普及的難度較大。此外，因為半固態(tài)電池內(nèi)阻較大，在充電過程中會造成能量的損失，再加上本身能量密度高，所以用戶花在充電上的時間也會大大增加。

雖然目前半固態(tài)電池才剛剛批量進入市場，且自身存在著一定的缺點，但各動力電池企業(yè)對它都非常看好的。除了上面我們提到的國軒高科和衛(wèi)藍新能源外，贛鋒鋰電、寧德時代、孚能科技等動力電池企業(yè)都有自己的半固態(tài)電池產(chǎn)品。而且除了半固態(tài)電池外，像固態(tài)電池、鈉離子電池、氫燃料電池等新型電池，都是當下各動力電池企所研發(fā)的新方向。當下以三元鋰和磷酸鐵鋰電池為主的新能源市場局勢并不會持續(xù)太久，半固態(tài)電池半固態(tài)電池為代表的各款新型電池將會很快以百花齊放的姿態(tài)占領市場。

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