固態(tài)電池原理和優(yōu)缺點

新年伊始，不少車企紛紛推出續(xù)航1000公里的電池，但隨后又被中科院院士炮轟“夸大營銷”。其實目前業(yè)界主流觀點認為鋰離子電池已經(jīng)到了極限，固態(tài)電池是未來電池技術(shù)的發(fā)展方向。那么，固態(tài)電池到底是什么？電池安全問題解決了嗎？用戶還得擔(dān)心里程嗎？什么時候可以量產(chǎn)等等？這篇文章將為你一一解答。

快速學(xué)習(xí)全文:

★固態(tài)電池最大的優(yōu)點是安全性高，能量密度高；缺點是成本高，很難快速充電；

★預(yù)計2025-2030年后固態(tài)電池大規(guī)模商用；

★目前三元鋰電池能量密度接近極限，全固態(tài)鋰電池有望成為下一代主流產(chǎn)品；

★豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域有著深厚的積累。近年來，中國企業(yè)正在奮力追趕。

★蔚來推出的“固態(tài)電池”是半固態(tài)鋰離子電池，與全固態(tài)鋰電池有本質(zhì)區(qū)別。

1.什么是固態(tài)電池？

其實固態(tài)電池的工作原理和傳統(tǒng)鋰電池差不多。)也是如此，兩者都是依靠鋰離子在電池正負極之間的反復(fù)轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)充放電功能。在業(yè)內(nèi)也被形象地稱為“搖椅電池”。像運動員一樣，鋰離子在搖椅的兩端來回運行。兩者的區(qū)別在于固態(tài)電池的電解液為固態(tài)，而傳統(tǒng)鋰電池的電解液為液態(tài)。

眾所周知，傳統(tǒng)鋰離子電池由正極、負極、電解液和隔膜組成。運行中，除了液體電解質(zhì)傳導(dǎo)鋰離子外，還需要隔膜隔離正負極，避免系統(tǒng)短路。

另一方面，固態(tài)鋰電池用固體電解質(zhì)代替電解液和隔膜，結(jié)構(gòu)更簡單，絕緣更好，能有效避免正負極接觸造成的短路。當然，固態(tài)電池并不是更換電解液那么簡單，其正負極材料會根據(jù)化學(xué)特性進行重新匹配，從而達到更高的綜合性能。

需要注意的是，根據(jù)液體電解質(zhì)的質(zhì)量百分比，固態(tài)電池可以分為三類:半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)。由此可見，“固態(tài)電池”和“全固態(tài)電池”之間存在包容關(guān)系，就像“鋰電池”和“鋰離子電池”一樣。

進一步細分，全固態(tài)電池分為“全固態(tài)一次鋰電池”和“全固態(tài)鋰二次電池”，其中前者已投入商用；后者是目前業(yè)界研究的重點。其中，全固態(tài)鋰二次電池根據(jù)正負極材料的不同分為全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰金屬電池。一般來說，固態(tài)電池是一個很大的范疇，不能一概而論。

2.固態(tài)電池有什么優(yōu)勢？

在了解固態(tài)電池的優(yōu)勢之前，我們先來回顧一下目前鋰離子電池的“痛點”。我相信脫口而出一定是“里程焦慮”和“不安全”。事實上，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度和熱失控一直是其發(fā)展道路上的“攔路虎”，而固態(tài)電池在這兩方面都有了質(zhì)的提升。

●安全性高:液體電解質(zhì)中含有易燃的有機溶劑，當系統(tǒng)發(fā)生短路時，容易造成安全隱患。但固體電解質(zhì)不可燃、無腐蝕性、不揮發(fā)、不漏液、絕緣性好，在高溫下不會發(fā)生副反應(yīng)，因此其安全性較傳統(tǒng)鋰電池有質(zhì)的提高。

●高能量密度:由于固態(tài)電池沒有隔膜和電解液，節(jié)省了近40%的體積和25%的質(zhì)量，從而提高了電池組的能量密度。此外，以鋰金屬為負極等新型正負極材料，理論上電池的比能量可以輕松突破350Wh/kg的上限，甚至有望達到500Wh/kg。

●更長的循環(huán)壽命:在液體電解質(zhì)充放電過程中，界面膜和鋰枝晶會刺穿隔膜，而固體電解質(zhì)可以有效避免上述問題，從而大大提高電池的循環(huán)次數(shù)和使用壽命。

●適用范圍更廣:由于采用固體電解質(zhì)，電池的形狀將不再受到嚴格限制；而且工作溫度范圍更廣，可以應(yīng)用于更多的場景。此外，固體電解質(zhì)的電化學(xué)窗口更寬，可應(yīng)用于高壓電極材料，有利于進一步提高能量密度。

3.固態(tài)電池有哪些缺點？

●電導(dǎo)率低難以快速充電:由于固體電解質(zhì)與正負極材料固-固接觸，電極與電解質(zhì)的有效接觸面積小，大大降低了鋰離子的傳輸效率，因此電導(dǎo)率比液體電解質(zhì)低10倍以上。低電導(dǎo)率也使得固態(tài)電池很難快速充電，當車輛需要大功率放電時，可能會出現(xiàn)供電不足的情況。

●成本相對較高:成本是目前固態(tài)電池技術(shù)商業(yè)化面臨的最大挑戰(zhàn)，主要是因為固態(tài)電池的制備工藝還處于研發(fā)階段，產(chǎn)業(yè)化還不完善，導(dǎo)致成本較高。整體來看，固態(tài)電池技術(shù)仍處于從技術(shù)成熟到產(chǎn)業(yè)化的過渡階段，仍需要材料降價、工藝改進和更穩(wěn)定的供應(yīng)鏈體系。

★本章總結(jié):

可見，固態(tài)電池的優(yōu)缺點非常鮮明，安全性更好，能量密度更高，靈活性更強，這些都是傳統(tǒng)鋰電池?zé)o法突破的瓶頸。固態(tài)電池的缺點也是非常致命的，它的電導(dǎo)率低，很難快速充電，成本高，短期內(nèi)很難商業(yè)化。一般來說，從短期來看，固態(tài)電池和傳統(tǒng)鋰離子電池各有利弊，可能并行發(fā)展。但從長遠來看，一旦快速充電和成本問題得到解決，固態(tài)電池將擁有傳統(tǒng)鋰離子電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢。

固態(tài)電池的前景和應(yīng)用

4.固態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)狀

如前所述，固態(tài)電池的安全性相比傳統(tǒng)鋰電池有了質(zhì)的提升，這是與消費者關(guān)系最密切的特性。另外，目前大力發(fā)展固態(tài)電池的另一個原因是為了提高能量密度。一方面是用戶對續(xù)航里程的需求不斷增加，另一方面是政策引導(dǎo)。

近年來，雖然新能源汽車補貼政策經(jīng)歷了多次調(diào)整，但仍大力支持高續(xù)航、高能量密度的產(chǎn)品。但有專家指出，三元鋰離子動力電池已經(jīng)可以看到能量密度的“天花板”。未來要突破瓶頸，在2025年達到400Wh/kg，可能需要把希望寄托在固態(tài)電池上。

可見，固態(tài)電池幾乎可以算是傳統(tǒng)鋰電池的繼承者，這也是國家和企業(yè)大力研發(fā)的原因。據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略網(wǎng)統(tǒng)計，截至2021年12月31日，全球固態(tài)鋰電池領(lǐng)域?qū)＠暾埩繛?232件，其中日本在該領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔疃啵忌暾埧偭康?1%。其次是中國和美國，分別占23%和18%；韓國占11%。

在產(chǎn)業(yè)化進展方面，目前中國、日本、韓國、歐美共有53家企業(yè)布局固態(tài)電池研發(fā)，其中9家專注于硫化物固態(tài)電池。其中，日本與豐田、松下等公司和大學(xué)聯(lián)手開發(fā)硫化物固態(tài)電池。預(yù)計到2025年和2030年，硫化物固態(tài)電池在日本動力電池市場的滲透率將分別達到50%和95%。韓國也開發(fā)了60℃下循環(huán)1000次以上的硫化物全固態(tài)電池。

國內(nèi)固態(tài)電池的研發(fā)主要依托中科院等科研機構(gòu)，是氧化物固態(tài)電池技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。值得一提的是，近年來，一些企業(yè)開始嘗試科研成果產(chǎn)業(yè)化，其中包括惠能科技、陶青能源、京衛(wèi)蘭、贛鋒鋰業(yè)等。已經(jīng)推出了商業(yè)產(chǎn)品。

5.固態(tài)電池的未來展望

雖然中國在固態(tài)電池領(lǐng)域的積累與日本等國家還有一定差距，但得益于巨大的市場需求，中國近年來一直在追趕日本。此外，政策還對固態(tài)電池給予了高度重視。在2021年底發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，固態(tài)電池首次被提升到國家級。

中國科學(xué)院院士高指出:“正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)2025年的目標，但基本達到極限；為了實現(xiàn)2030年的目標，突破固體電解質(zhì)水平是必由之路。”

正是因為巨大的潛力，全球很多車企都增加了固態(tài)電池領(lǐng)域。其中，豐田技術(shù)儲備最深，擁有1000多項固態(tài)電池相關(guān)專利，計劃在2021年東京奧運會上推出固態(tài)電池商用車型；大眾汽車也早在2021年就開始布局固態(tài)電池。此外，寶馬、雷諾日產(chǎn)聯(lián)盟、現(xiàn)代等海外車企也在積極部署。

據(jù)SNE Researchd測算，2025年全球固態(tài)電池市場規(guī)模有望達到60億元空，中國市場價值有望達到30億元；2030年全球固態(tài)電池需求有望接近500GWh，總產(chǎn)值將達到200億元?？偟膩碚f，從長遠來看，固態(tài)電池很有可能成為未來的主流電池。

6.蔚來的固態(tài)電池是“真固態(tài)”嗎？

看完以上固態(tài)電池的介紹，我們再來看看，判斷一下蔚來在2020 NIO Day發(fā)布的固態(tài)電池是否是“真固態(tài)”。據(jù)官方介紹，該電池正極采用高鎳材料，負極采用硅碳材料，電解液為“固化過程的固液電解質(zhì)”。從單一的“固液電解質(zhì)”和硅碳陽極來看，首先可以排除的是全固態(tài)鋰電池。

據(jù)蔚來汽車電池系統(tǒng)助理副總裁曾世哲介紹，電池還需要電解液和隔膜。事實上，半固態(tài)鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋰電池相似，但與全固態(tài)電池有本質(zhì)區(qū)別。此外，蔚來創(chuàng)始人兼CEO李斌也表示:“全固態(tài)電池的量產(chǎn)還很遙遠，因為目前市場對固態(tài)電池的需求非常低?！币虼耍矎膫?cè)面證實了該產(chǎn)品是“半固態(tài)電池”。

此外，近期備受關(guān)注的智己汽車石墨烯基電池、硅負極電池、摻硅可充電鋰電池，原則上不在固態(tài)電池范疇。它們都是在現(xiàn)有三元鋰電池的基礎(chǔ)上，對電極材料進行了優(yōu)化，以提高電池的整體性能，但沒有本質(zhì)的創(chuàng)新。

★全文總結(jié):

總的來說，固態(tài)電池的技術(shù)路線是正確的，但目前還不具備商業(yè)化的條件。主流觀點認為，要到2025-2030年才能量產(chǎn)。所以各大汽車公司已經(jīng)開始提前布局固態(tài)電池領(lǐng)域，這本身無可厚非。但是，如果用“固態(tài)電池”的噱頭來混淆概念，誤導(dǎo)消費者，這樣的做法是絕對不可取的。你認為固態(tài)電池能成為革命性的“黑科技”嗎？不妨在評論區(qū)討論。