固态与半固态动力电池

印宁华|印宁华|Indining China|

2023-03-14 08:44:32 625

固态电池是一种电池科技。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是，固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。由于科学界认为锂离子电池已经到达极限，固态电池于近年被视为可以继承锂离子电池地位的电池。固态锂电池技术采用锂、钠等制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液，大大提升锂电池的能量密度，其能量密度是锂离子电池的2倍。

市场预计，自2021年起固态电池技术研发有望取得突破性进展，在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。目前日本就宣称固态电池研发成功, 可为新能源汽车提供高达1000公里里程续航。有行业分析乐观称，至2030年固态电池将是电动汽车电池的主流，锂离子电池将不再是电动汽车电池的主流，但锂离子电池在某些电子原件领域仍有一席之地。

相较传统锂离子电池，固态电池具有四大优势

优势一轻。使用了全固态电解质后，锂离子电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。

优势二薄。传统锂离子电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了电池中近40％的体积和25％的质量。而如果把它们用固态电解质取代（主要有有机和无机陶瓷材料两个体系），正负极之间的距离（传统上由隔膜电解液填充，现在由固态电解质填充）可以缩短到甚至只有几到十几个微米，这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化，薄膜化的必经之路。

优势三柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的，材料会变得有柔性。相应的，全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高，通过使用适当的封装材料（不能是刚性的外壳），制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

优势四更安全。传统锂电池可能发生以下危险：（1）在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路破坏（2）电解液为有机液体，在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。采用全固态电池技术，以上两点问题就可以直接得到解决。

不过，固态电池虽然将实现电解质全固态及负极金属锂的蜕变，但电导率，安全性，稳定性及高成本等问题仍需解决。总的说来，随着固态电池技术路线逐步发展之际，行业分析普遍认为高镍正极，碳酸锂，硅碳负极等领域企业将因固态电池而产生新机遇，而电解液及隔膜企业将因此产生冲击。

从电解质上看二者的主要差异
1、能量密度不同锂离子的电解质是液态的，以凝胶体、聚合物的形式存在，让电池的重量难以下降。固态电池的整体结构与传统锂离子电池相似，充放电方式也大同小异，但因为没有液体，所以电池内部更紧密，体积更小，能量密度增加。

2、充电速度不同  固态电池的充电速度比锂离子电池快。
3、寿命不同锂离子电解质会腐蚀电池的内部组件，充放电的过程也会产生晶枝（dendrites），降低电池的容量、性能与寿命。固态电池没有腐蚀性的问题，寿命更长。
4、热稳定性不同  锂离子电解质也具有可燃性，在高温下不稳定，有热失控的问题，若发生车祸，可能会导致严重火灾。电解质在低温也容易冻结，降低电池的续航力。固态电池具有热稳定性，也不会在低温冻结，对生活在中高纬度的使用者，这能确保电动车的续航力。
5、成本不同  固态电池成本高昂且不易量产。

固态电池成熟量产所面临的难题

从一窥日产汽车实验室，就可以想象通往固态电池的道路将是多么漫长和艰难。日产汽车负责创新电池生产工艺的副总经理Kenzo Oshihara说，目前这个实验室每月只能生产大约50个这样的四层电芯。Oshihara估计，一辆电动车就需要大约5000个这样的电芯。“要在这个试制房间里为汽车制造电池还需要很长时间。大规模生产的设备必须更加精密。”Oshihara补充说。

更大的挑战在于技术和制造。目前，日产汽车仍在寻找阴极和阳极的正确化学材料。该公司与美国*航空航天局（NASA）有合作关系，可以在NASA庞大的电池数据库中搜索有效的材料组合。利用人工智能筛选方式，日产汽车相信它可以将研究时间缩短一半以上，从5到20年缩短到2到3年。Kazuhiro Doi说，日产汽车还在专注于无钴阴极化学成分，可能会使用硫或锰，因为这些材料相对丰富且价格低廉。在阳极方面，日产汽车考虑硅基或锂金属化合物。

精度高于一切 下一步，是制造这些电池的严格标准。首先，浆液必须搅合得很细，必须把所有的结块都清理出来，以最大限度地提高电池的导电性。阴极－电解质－阳极层需要*精确地排列。在此过程中，日产汽车必须完善如何将所有这些程序提升到大规模量产的状态。“这一切都与精度有关，但精度与成本和速度有关。”Kazuhiro Doi说，“与传统的锂离子电池相比，这是一套复杂得多的工艺。” 日产汽车表示，它已经克服了一些障碍。阴极上采用了粘合剂，降低电阻的同时，改善了锂离子的移动。工程师们还发现了一种材料，可以抑制会导致电池短路的枝晶形成。他们还发明了一种设计，使得电解质和电极层重复扩张和收缩而不分离。更重要的是，该团队表示，他们已经破解了在低温下快速充电的秘诀。

自主研发 尽管有越来越多的初创公司和供应商试图进入固态电池领域，但日产汽车认为，单干和自主研发比合作更有优势，至少在初期阶段是这样。在谈到外部供应商时，Kazuhiro Doi表示：“他们没有成熟的技术，无法与我们这样的汽车制造商合作。”日产汽车希望控制电池设计和制造等领域的技术诀窍，而不一定是原材料本身的化学成分。“这将是我们竞争力的来源。”他说。但日产汽车只有几年的时间来解决这个问题，并在2028年之前实现成本目标。该公司希望通过使用更*的材料和简化生产流程来实现这一目标。“当然，我们目前谈论的是研发过程，所以没有百分之百的信心。但只要我们努力，我们就可以做到。”Kazuhiro Doi说。

固态电池≠全固态电池

我们注意到自2021年起东风、蔚来都先后发布过自家采用了“固态电池”及新能源车的示范运营项目。但后来被业内分析为这些也并非完全意义上的固态电池，而是一种半固态电池。更为准确的说法，是固液混合锂离子电池。与三元锂电池相同，这一电池的正负极材料同样为三元材料和石墨，只是电解质为固液混合。而全固态电池，电解质全部为固态。

换句话说，宣传未免有打“擦边球”的嫌疑。事实上作为一项还未成熟的新技术，固态电池在宣传话术上似乎还缺乏统一的标准。

2021年4月时，宁德时代董事长曾毓群曾公开表示，“3-5年内能做到车里的，都不是全固态电池”。丰田、大众、日产等车企发布的研发进程也证明了这一点。以丰田为例，作为全*拥有最多固态电池专利的企业，在一再推迟量产时间之后，最近，丰田将固态电池的量产时间定在了2025年。而此前，中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高也曾直言，中国的固态电池技术与日本最少相差五年，到2030 年中国固态电池的商业化应用规模才能达到 1% 左右。

全固态电池，“比登月还难”

作为公认的下一代电池技术，固态电池在提升续航能力、缩短充电时间、减少起火风险、降低车辆成本方面拥有其他技术路线无可比拟的优势：

例如，在能量密度方面，液体锂离子电池最高只能达到300Wh/kg，而固态电池可以轻松做到400Wh/kg，甚至500Wh/kg；

在成本上，目前的液体锂离子电池平均每千瓦时100至150美元，而日产曾表示，到 2028 年，固态电池将使电池包的成本降至每千瓦时75美元，甚至65美元以下。

“电动车的竞争最终将成为电池的竞争”，固态电池的广阔前景也使得不少当下相对落后的海外车企将这一技术作为了弯道超车的发力点，纷纷加大了在这一领域的投资：大众集团投资了固态电池企业Quantum Scape；宝马、福特、现代投资了Solid Power；奔驰、Stellantis则投资了Factorial Energy。

不过，尽管企业们对固态电池的研发付出了大量真金白银，但这一技术在短期内却似乎没有突破的可能。以至于有行业人士调侃称，“固态电池比登月还难，登月都成功了，固态电池的长征不知到何时”。于是，在不放弃这一路线的同时，也有不少企业将目光放到了半固态电池（固液混合锂离子电池）上，选择将这一过渡技术率先进行量产。而半固态电池也拥有固态电池的部分优点。以赣锋锂业的*代固态电池为例，其能量密度在与三元锂电池相当的同时，

安全性也相对更高。

孚能科技董事长王瑀就曾直言，“谁也不愿意在生产电池过程当中有隐患，用了半固态电池，你的工厂再不会出现起火的问题。”此外，从孚能科技、赣锋锂业、卫蓝新能源等多个电池企业发布的数据来看，有望在2022及2023年量产的半固态电池，能量密度还能更进一步达到360 Wh/kg左右。

当然，这也并非意味着半固态电池已经是当下动力电池领域的*解决方案。它面临的最大问题在于成本上较磷酸铁锂电池、三元锂电池等成熟的技术路线仍然没有优势。对于当下的电池企业来说，生产半固态电池，就必须要进行工艺设备的改造，而这也意味着成本的大幅增加。

对此，蜂巢能源董事长兼CEO杨红新认为，虽然目前半固态电池量产的技术问题可以解决，但是大规模商业化，还有相当的不确定性。在杨红新看来，未来十年，动力电池的主流还会是三元锂电池和磷酸铁锂电池。

从一些电池企业发布的规划来看，从2022年开始，半固态电池将逐步走向市场：

据赣锋锂业透露，除已经装车的*代固态电池外，能量密度将达到360Wh/kg的第二代固态电池在2021年一季度也已经完成了B样开发，2022年一季度将完成C样开发，2023年一季度完成SOP阶段；

国轩高科表示，其半固态电池预计将在2022年四季度开始小批量量产装车，在2023年实现产业化；

蔚来的固态电池供应商卫蓝新能源也曾透露，其研发的高安全车用固液混合动力电池2022年下半年就会给客户提供批量验证；

而接下来，半固态电池和三元锂电池、磷酸铁锂电池哪个将成为主流，市场的检验即将开始。

当然半固态电池也有着自身的缺点，最直观的就是制造成本较高。相比传统液态电池，半固态电池制造工艺更复杂，所使用的液态锂价格也更高，所以在制造成本上也明显高于传统液态电池。这就导致半固态电池目前只能使用在价格较高的高端车型上，普及的难度较大。此外，因为半固态电池内阻较大，在充电过程中会造成能量的损失，再加上本身能量密度高，所以用户花在充电上的时间也会大大增加。

虽然目前半固态电池才刚刚批量进入市场，且自身存在着一定的缺点，但各动力电池企业对它都非常看好的。除了上面我们提到的国轩高科和卫蓝新能源外，赣锋锂电、宁德时代、孚能科技等动力电池企业都有自己的半固态电池产品。而且除了半固态电池外，像固态电池、钠离子电池、氢燃料电池等新型电池，都是当下各动力电池企所研发的新方向。当下以三元锂和磷酸铁锂电池为主的新能源市场局势并不会持续太久，半固态电池半固态电池为代表的各款新型电池将会很快以百花齐放的姿态占领市场。

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