隨著主流磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池技術(shù)逐漸步入瓶頸期，尋找性能更優(yōu)的替代產(chǎn)品成為新能源汽車企業(yè)與電池廠商的共同目標(biāo)。近期，智己汽車、廣汽埃安相繼發(fā)布固態(tài)電池最新技術(shù)成果，曾經(jīng)充滿爭議的固態(tài)電池再度進(jìn)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(chǎn)生哪些影響？是否已經(jīng)具備了量產(chǎn)條件？本期《質(zhì)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(shù)路線？
固態(tài)電池顧名思義就是采用固態(tài)電解質(zhì)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(zhǔn)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(fù)合電解質(zhì)。此外，負(fù)極從石墨體系升級到預(yù)鋰化的硅基負(fù)極 / 鋰金屬負(fù)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(zhì)涂層，鋰鹽從 LiPF6 升級為 LiTFSI，能量密度可達(dá) 350Wh/kg 以上。
準(zhǔn)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(zhì)，并以薄膜的形式分隔正負(fù)極，從而替代隔膜的作用。負(fù)極從石墨體系升級到預(yù)鋰化的硅基負(fù)極 / 鋰金屬負(fù)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(dá) 500Wh/kg。
從電解質(zhì)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(shù)路線。其中，聚合物電解質(zhì)采用高分子聚合物為電解質(zhì)基體，添加導(dǎo)電鋰鹽，構(gòu)成離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，具備柔性與易加工特點(diǎn)。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(yīng)用潛力。國內(nèi)采用這一技術(shù)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(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)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(zhì)更適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。目前國內(nèi)在該技術(shù)路線進(jìn)展領(lǐng)先的企業(yè)包括贛鋒鋰業(yè)、當(dāng)升科技等。
硫化物電解質(zhì)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(diǎn)包括電化學(xué)窗口相對較窄，易與鋰金屬及空氣發(fā)生反應(yīng)。此外，由于可能產(chǎn)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(chǎn)、LG、SKI。國內(nèi)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(fù)極的共性問題，相比傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，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(zhì)離子間相互作用力強(qiáng)，離子遷移能壘是液體的十倍以上，離子電導(dǎo)率低。綜合來看，固態(tài)電池技術(shù)并不成熟，當(dāng)前各企業(yè)只能采取折中的方式，即半固態(tài)電池技術(shù)。半固態(tài)電池由于技術(shù)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(shí)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(fēng)、長安、廣汽等汽車企業(yè)，都已實(shí)現(xiàn)或即將實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)裝車。不過，半固態(tài)電池雖然減少了液態(tài)電解質(zhì)的用量，但是仍存在易燃風(fēng)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(fù)極、電解液和隔膜四大關(guān)鍵要素組成，固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)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(fù)兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)。在鋰離子從正極到負(fù)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(zhì)的晶格中脫嵌，通過固態(tài)電解質(zhì)向負(fù)極遷移，電子通過外電路向負(fù)極遷移，兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)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?fù)碛懈叩哪芰棵芏取⒏玫陌踩阅?、更長的使用壽命、更快的充放電速度、更強(qiáng)的適應(yīng)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(zhì)替代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，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(zhì)替代了液態(tài)電解質(zhì)，從而消除了電池內(nèi)部漏液、短路等安全隱患。固態(tài)電解質(zhì)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(fēng)險。此外，固態(tài)電池還采用了多層結(jié)構(gòu)和熱隔離等安全措施，進(jìn)一步提高了其安全性能。
更長的使用壽命：固態(tài)電解質(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）的問題，減少了電池內(nèi)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(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)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(qiáng)的適應(yīng)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(fù)雜環(huán)境中都能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。
全固態(tài)電池量產(chǎn)前景，還面臨哪些問題？
研究機(jī)構(gòu) GGII 預(yù)測認(rèn)為，2024 年將是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要節(jié)點(diǎn)，年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)（半）固態(tài)電池的大規(guī)模裝載應(yīng)用，預(yù)計全年裝機(jī)總量將歷史性地突破 5GWh 大關(guān)。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(tuán)宣布，從 2024 年起將在不同車型上實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)應(yīng)用。長安汽車、廣汽集團(tuán)等則瞄準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池裝車。韓國 SK On 正在開發(fā)高分子氧化物復(fù)合和硫化物兩種固態(tài)電池，目標(biāo)是到 2026 年生產(chǎn)出原型產(chǎn)品，2028 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。三星 SDI 正在開發(fā)一種沒有負(fù)極的固態(tài)電池，預(yù)計將于 2027 年量產(chǎn)。此外，寶馬和日產(chǎn)也分別公布了各自的固態(tài)電池研發(fā)和應(yīng)用計劃。
雖然目前半固態(tài)電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小范圍裝車，但并不意味著全固態(tài)電池已經(jīng)具備了量產(chǎn)上車的條件，全固態(tài)電池在技術(shù)、成本以及大規(guī)模生產(chǎn)等方面仍然面臨多重挑戰(zhàn)。
一方面，是技術(shù)仍不成熟。雖然固態(tài)電池的理論性能不錯，但是在實(shí)際應(yīng)用中，固態(tài)電池的性能可能會比較不穩(wěn)定。因?yàn)楣虘B(tài)電池的電解質(zhì)是固體，離子電導(dǎo)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(zhì)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(nèi)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(zhì)接觸面積非常小，這也可能導(dǎo)致電極材料與電解質(zhì)之間的反應(yīng)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(fù)雜的工藝來進(jìn)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(zhì)、電極材料等等。據(jù)贛鋒鋰電估算，當(dāng)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(dāng)驚人。
最后，是大規(guī)模生產(chǎn)存在不少障礙。由于固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝非常復(fù)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(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大更加困難。此外，全固態(tài)電池量產(chǎn)勢必將對原料 / 基材生產(chǎn)、電芯 / 電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用、電池回收等全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈造成顛覆性變革，與現(xiàn)有液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈截然不同，很難快速完成切換。
總結(jié)：
固態(tài)電池一直被認(rèn)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(diǎn)，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(chǎn)還有很長的路要走，但值得欣慰的是，目前準(zhǔn)固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并且實(shí)現(xiàn)了小批量裝車。相信隨著材料技術(shù)和成本控制取得突破，市場供應(yīng)體系不斷成熟，固態(tài)電池量產(chǎn)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(shù)路線？
固態(tài)電池顧名思義就是采用固態(tài)電解質(zhì)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(zhǔn)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(fù)合電解質(zhì)。此外，負(fù)極從石墨體系升級到預(yù)鋰化的硅基負(fù)極 / 鋰金屬負(fù)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(zhì)涂層，鋰鹽從 LiPF6 升級為 LiTFSI，能量密度可達(dá) 350Wh/kg 以上。
準(zhǔn)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(zhì)，并以薄膜的形式分隔正負(fù)極，從而替代隔膜的作用。負(fù)極從石墨體系升級到預(yù)鋰化的硅基負(fù)極 / 鋰金屬負(fù)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(dá) 500Wh/kg。
從電解質(zhì)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(shù)路線。其中，聚合物電解質(zhì)采用高分子聚合物為電解質(zhì)基體，添加導(dǎo)電鋰鹽，構(gòu)成離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，具備柔性與易加工特點(diǎn)。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(yīng)用潛力。國內(nèi)采用這一技術(shù)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(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)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(zhì)更適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。目前國內(nèi)在該技術(shù)路線進(jìn)展領(lǐng)先的企業(yè)包括贛鋒鋰業(yè)、當(dāng)升科技等。
硫化物電解質(zhì)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(diǎn)包括電化學(xué)窗口相對較窄，易與鋰金屬及空氣發(fā)生反應(yīng)。此外，由于可能產(chǎn)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(chǎn)、LG、SKI。國內(nèi)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(fù)極的共性問題，相比傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，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(zhì)離子間相互作用力強(qiáng)，離子遷移能壘是液體的十倍以上，離子電導(dǎo)率低。綜合來看，固態(tài)電池技術(shù)并不成熟，當(dāng)前各企業(yè)只能采取折中的方式，即半固態(tài)電池技術(shù)。半固態(tài)電池由于技術(shù)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(shí)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(fēng)、長安、廣汽等汽車企業(yè)，都已實(shí)現(xiàn)或即將實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)裝車。不過，半固態(tài)電池雖然減少了液態(tài)電解質(zhì)的用量，但是仍存在易燃風(fēng)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(fù)極、電解液和隔膜四大關(guān)鍵要素組成，固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)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(fù)兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)。在鋰離子從正極到負(fù)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(zhì)的晶格中脫嵌，通過固態(tài)電解質(zhì)向負(fù)極遷移，電子通過外電路向負(fù)極遷移，兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)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?fù)碛懈叩哪芰棵芏取⒏玫陌踩阅?、更長的使用壽命、更快的充放電速度、更強(qiáng)的適應(yīng)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(zhì)替代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，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(zhì)替代了液態(tài)電解質(zhì)，從而消除了電池內(nèi)部漏液、短路等安全隱患。固態(tài)電解質(zhì)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(fēng)險。此外，固態(tài)電池還采用了多層結(jié)構(gòu)和熱隔離等安全措施，進(jìn)一步提高了其安全性能。
更長的使用壽命：固態(tài)電解質(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）的問題，減少了電池內(nèi)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(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)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(qiáng)的適應(yīng)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(fù)雜環(huán)境中都能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。
全固態(tài)電池量產(chǎn)前景，還面臨哪些問題？
研究機(jī)構(gòu) GGII 預(yù)測認(rèn)為，2024 年將是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要節(jié)點(diǎn)，年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)（半）固態(tài)電池的大規(guī)模裝載應(yīng)用，預(yù)計全年裝機(jī)總量將歷史性地突破 5GWh 大關(guān)。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(tuán)宣布，從 2024 年起將在不同車型上實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)應(yīng)用。長安汽車、廣汽集團(tuán)等則瞄準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池裝車。韓國 SK On 正在開發(fā)高分子氧化物復(fù)合和硫化物兩種固態(tài)電池，目標(biāo)是到 2026 年生產(chǎn)出原型產(chǎn)品，2028 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。三星 SDI 正在開發(fā)一種沒有負(fù)極的固態(tài)電池，預(yù)計將于 2027 年量產(chǎn)。此外，寶馬和日產(chǎn)也分別公布了各自的固態(tài)電池研發(fā)和應(yīng)用計劃。
雖然目前半固態(tài)電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小范圍裝車，但并不意味著全固態(tài)電池已經(jīng)具備了量產(chǎn)上車的條件，全固態(tài)電池在技術(shù)、成本以及大規(guī)模生產(chǎn)等方面仍然面臨多重挑戰(zhàn)。
一方面，是技術(shù)仍不成熟。雖然固態(tài)電池的理論性能不錯，但是在實(shí)際應(yīng)用中，固態(tài)電池的性能可能會比較不穩(wěn)定。因?yàn)楣虘B(tài)電池的電解質(zhì)是固體，離子電導(dǎo)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(zhì)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(nèi)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(zhì)接觸面積非常小，這也可能導(dǎo)致電極材料與電解質(zhì)之間的反應(yīng)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(fù)雜的工藝來進(jìn)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(zhì)、電極材料等等。據(jù)贛鋒鋰電估算，當(dāng)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(dāng)驚人。
最后，是大規(guī)模生產(chǎn)存在不少障礙。由于固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝非常復(fù)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(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大更加困難。此外，全固態(tài)電池量產(chǎn)勢必將對原料 / 基材生產(chǎn)、電芯 / 電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用、電池回收等全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈造成顛覆性變革，與現(xiàn)有液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈截然不同，很難快速完成切換。
總結(jié)：
固態(tài)電池一直被認(rèn)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(diǎn)，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(chǎn)還有很長的路要走，但值得欣慰的是，目前準(zhǔn)固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并且實(shí)現(xiàn)了小批量裝車。相信隨著材料技術(shù)和成本控制取得突破，市場供應(yīng)體系不斷成熟，固態(tài)電池量產(chǎn)有望提速，新能源汽車發(fā)展也將迎來顛覆性的變革。
