深度解读｜固态锂电池：新能源汽车的新战场

前言

因电池续航时间下降，以及电动桩的不完备，导致的电动车“掉链子”的新闻屡见不鲜：甚至有最极端的新闻：明明显示还有100多公里余量，开了8公里就不动弹了，广大车主把自家车称为“电动爹”!

鉴于以上问题，本文我们讲解新材料，名字叫固态锂电池。2020年这个时间点，对于固态锂电池来说，是非常关键的一年。

报告里的很多材料，一直在产业界对它们未来进行预测，到底什么时候可以量产，可以真正投入使用。对于固态锂电池来说，从2020年这个节点开始，它已经进入真金白银投资、真刀真枪打拼的阶段。

2020年7月29日上午，清陶动力固态锂电池一期项目，在江西宜春举行了投产仪式。这个项目的负责方清陶发展公司，是一家专注新能源材料技术发展转化的高科技企业。而这次的投产仪式，标志着车规级，也就是一般用在汽车上的固态锂电池，正式进入生产阶段。

这是新能源汽车发展进程中里程碑，动力锂电池的战火即将从传统的锂电池，蔓延到新的固态锂电池战场。

清陶发展的首席科学家，是中国科学院院士、清华大学材料学院院长南策文教授。作为我们这一讲解读依据的两篇文献，就是南策文教授的研究。这两篇文献，一篇被《Small》杂志收录在2020年4月出版的“清华大学纳米/微米材料研究”特刊里，还有一篇则收录在2020年6月出版的《今日纳米材料》期刊中。这两本期刊都是材料领域排名靠前的期刊。

固态锂电池到底是什么材料？

我们得把它拆分成两部分，“固态”和“锂电池”。你肯定觉得你已经很熟悉锂电池了，智能手机里的电池就是锂电池。

但要准确地说，智能手机里的电池应该叫“锂离子电池”。真正的锂电池，是指用金属锂作为负极的电池。你可能对电池正负极的材料不熟悉，那我说一下它们两个在使用时最大的区别，锂离子电池都是可以充电、反复使用的;而真正的锂电池不能充电，是一次性的电池。

它们两个对比来看，锂离子电池是目前所有充电电池里最好用的，它电量大，充电又快;而真正的锂电池呢，使用寿命短，很快就会没电，又不能充电。所以真正的锂电池根本没什么优势，就没被推广开。时间长了，很多人忘记了还有这么一种电池，就把锂离子电池简称为“锂电池”了。

但我们这里讲的，我们得仔细地区分开它们两个，你了解了锂离子电池和锂电池的本质区别，才能明白固态锂电池到底是什么。

那锂离子电池和真正的锂电池，本质区别是什么呢?最关键的一点，是电流的形式不一样。

电池放电，需要形成电流。锂离子电池形成电流，靠的是锂离子的移动。而锂电池内部的电流，是靠电子流动实现的。

差别在哪儿呢?我小时候比较顽皮，拆过干电池。真正的锂电池就是干电池的一种。如果你也拆过，可能会注意到，很多干电池内部都有一个碳棒，那就是供电子通过的导体。

但电子能通过碳棒，是因为它的体积很小，移动起来比较容易。锂离子比电子要大得多，它的直径差不多是电子的百万倍，如果说电子是尘埃大小，那么锂离子就好比是一头大象。它太大了，不能通过碳棒传导。

某业内人士在分析此类现象时对《电动汽车观察家》表示，车企对固态电池企业投资热情大，一是看好这一技术的前景，二是避免重蹈液态电池的覆辙，“避免再有一家独大的电池企业，削弱车企话语权。”用该人士的话说，这次车企要提前进场。

所以，锂离子电池面临的一个实际问题，就是在电池内部，锂离子怎么流动呢?我们必须换个思路进行设计。

在日常生活中，我们都有这样的认识，因为道路的宽度是有限的，承重也是有限的，所以有些超宽、超重的货物，要想整体运输，不能走陆路，得通过水运的方式。

电池内部输送锂离子，也是采用了同样的原理，放弃碳棒这样的“陆路”，而是改走电解液这种“水路”。碳棒就像一条固定轨道的铁路，只能供电子通过。而电解液是液体，就像运河一样，它可以比较自由地流动，锂离子就可以很容易地通过了。

好，那我们现在可以说“固态锂电池”是什么了。

我们不再挖运河，而是设计一种特殊构造的铁路，让锂离子走陆路，这就是固态锂电池的基本原理。原本的电解质是液体，固态锂电池就是把这个液体换成了固态的电解质，让锂离子在固态的电解质里流动。

车企对固态电池投资状况

其实在2020年这个时间点，除了清陶发展公司的已经正式投产以外，还有最早实现固态锂电池量产的公司，辉能科技，也已经确定要在中国建设生产线，投资生产车规级固态锂电池。

丰田曾经用固态锂电池实现了汽车1000公里巡航，加入战场已经是板上钉钉的事了。

传统锂电池的生产商，比如比亚迪，也已经开始布局固态锂电池。

甚至就连一些不生产电池的汽车厂商，比如大众汽车，也在今年投资了固态锂电池的开发公司QuantumScape。

2019年的诺贝尔化学奖，颁发给了三位开发锂离子电池的科学家。锂离子电池作为一种诺贝尔奖级别的新材料，已经改变了这个世界;而我们，即将看到这种材料，以更为丰富的形式再次改变世界。

最早投资固态电池的应该是丰田，其在2008年就与固态电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作。

此后，比亚迪、本田、日产、现代、宝马等企业相继投资固态电池。其中比亚迪本身是车企和电池企业，也较早开始研发固态电池。

大众两次共3亿美金投资QuantumScape，押注固态电池的决心可见一斑。

国内方面，有新闻报道的投资固态电池企业的有一汽、北汽和上汽。

固态电池有什么优点?

对比液态锂电池，固态电池具备以下优点：

1)固态电池将液态电解质替换为固态电解质，大大降低热失控风险;2)固态电池电化学窗口可达5V以上，高于液态锂电池(4.2V)，允许匹配高能正极和金属锂负极，大幅提升理论能量密度;

3)固态电池可简化封装、冷却系统，在有限空间进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂电池(石墨负极)提升70%以上，达到500Wh/kg。

此外，固态电池在经济性上也具优势。

目前固体电池仍处于相当实验室-中试阶段，其成本相较于液态电池仍不具备可比性。但伴随后续规模化生产以及工艺改进(辉能双极电池包架构)，其成本有望迅速降低，根据辉能公布的数据显示在电芯产能达到20GWh的时候，虽然电芯成本依然是相同能量密度的液态电芯的1.1倍，但电池包成本只有98%;而如果采用MAB，电池包成本仅有同类别液态电池的7成。

固态电池有什么缺点

当然，固态电池现阶段也面临许多技术障碍，包括：

讲固态电池技术难题之前，我们先讲讲传统的锂离子电池，锂离子电池需要填充比较多的电解液。这就出现了两个很难克服的问题。

首先就是安全问题。电解液里有一种必不可少的成分，是碳酸二酯类的物质，它们非常容易燃烧。如果电池在工作的时候出现一点闪失，比如出现短路的情况，温度上升或者产生电火花，电解液就会剧烈燃烧。

所以，在锂离子电池普及的这些年里，如影随形的问题就是燃烧和爆炸。手机充电，可能会爆炸;汽车行驶，可能会自燃……说到底，都是这种设计的固有缺陷。

另外一个问题虽然不致命，但是可能更重要。那就是用了电解液之后，电池的能量密度上不去。什么意思呢?

还是借用前面的比方，两个城市之间搞运输，为了运输锂离子这种特殊的货物，只好在两座城市之间挖一条运河。但是，运河的运输速度比铁路、公路更慢。

电解液的道理也是一样，它对锂离子的电阻，要比碳棒对电子的电阻大多了，所以电池有很大一部分电量都消耗在对抗电阻上了。

电解液的锂离子电池，目前在能量密度等指标上，已经做到接近理论上限的水平，必须要进行革新。而我们刚刚说的这两个问题，都是液态的电解液带来的，也就都被固态锂电池解决了。固态锂电池的安全性更好，运输锂离子的效率更高，使用寿命更长。

但这两个突破我们早就已经实现了。我说2020年是固态锂电池的关键一年，是因为固态锂电池从之前的不能量产，到真正实现了量产。

一般来说，材料的量产是要在研究完全成熟的条件下进行的，但是固态锂电池的量产却是研究的一部分。研究者在量产的过程里，不断发现问题、解决问题，推进固态锂电池的技术突破，这才是这个材料“前沿”的地方。

既然这样，那我们不能不说说，固态锂电池未来还有哪些地方，会出现技术突破。我在南策文院士2020年发表的文献中，找到了一些答案。

第一点：现在的固态锂电池，还没有实现全面的固态化。循环过程中物理接触变差，影响使用寿命。

固态锂电池所用的电解质，通常是聚合物电解质，它虽然可以让锂离子在里面传输，但是阻力反而比液态的电解质还要大。那我们还用固态的电解质就没有意义了。显然，我们现在还没能找到最理想的固态电解质。

氧化物电解质的优势是稳定性好，循环寿命长(可达1000次以上)，能量密度较高，倍率性能较好，同时成本较低;主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。

相比之下，硫化物电解质工业化较难，与电极接触时的界面阻抗普遍较高;聚合物电池在移动电源市场上已经做到了量产，但是充电倍率较差，能量密度较低。

而且，液态电解质有可以润湿电极的优势，固态电解质也没有了。为什么要润湿电极呢?要想让两块固体紧紧地贴在一起，没有缝隙，这很难做到。但是让液体覆盖固体，就没有那么难。

而锂离子只有在电极和电解质之间顺利地转移，才能够形成电流通路。液态的电解液不难实现这一点。但是在固态电解质和固态的电极之间，锂离子转移起来，就没有那么容易了。

所以，在实际设计电池的时候，保留少量电解液还是一种常用的设计。但这样一来，固态锂电池并不比传统锂电池有显著的优势。从这个角度来说，固态锂电池的配方，还需要进行大幅度优化。

固态电解质是固态电池的核心，按电解质材料选择，固态电池分氧化物、聚合物、硫化物三种路线。氧化物是现在相对成熟路线，而硫化物离子导电率最高，是后期最可能技术路线，难度当前还比较大。

第二点：固态锂电池的性能，也还没有想象中那么理想。大部分固态电解质电导率比电解液小10倍以上，快充性能并不佳。

比如说，锂离子电池有一个常见的缺陷，就是在充电时，锂离子会还原成金属锂，从而形成“锂枝晶”，就是树枝状的锂晶体。锂枝晶就像针一样能够穿刺，会导致电池短路，这是影响锂离子电池稳定性和安全性的大问题。

理论上，固态电解质可以成为解决这个问题的有效手段。但是在实际应用时，锂离子还是会在一定条件下渗透固态电解质，生长成晶体，和研究人员的期望并不是很吻合。

而且到现在为止，研究人员还不知道出现这种情况的机制是什么，也没有什么太好的办法，还需要从实践中去摸索解决办法。

第三点：制备工艺复杂。

固态锂电池的发展虽然还有很多不成熟之处，新生的婴儿肯定打不过成年人，但谁又能知道这个婴儿成年之后是什么样呢?

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结语

无论如何，固态电池是被学界与业界同时认定的下一代动力电池的主流路线，固态电池初创企业、国内外车企都在重金投注，企业间的卡位赛已经展开。在科研和资本的重度投入下，产业化似乎也并不遥远。

锂电池的发展，困难重重，中间历经波折，在锂离子电池阶段出现了大繁荣。但锂电池发展的下一段路程还是要回到金属锂电池的路线，来到固态电池的跑道。而相比上一次，这次人类很有机会实现它。

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