2021年02月04日 | 全面接管电动车? 固态电池如何震撼下一个十年

“固态锂电池要大干快上，引领电动中国。”近日，中国工程院院士陈立泉在第七届中国电动汽车百人会论坛上喊出这样的口号。陈立泉表示，液态锂电池容易引发安全忧虑，300瓦时/公斤能量密度也已到达极限。下一步要发展固态电池，或者逐渐过渡到全固态锂电池。

对于国产新能源车企来说，刚刚过去的2020年是极具转折性的一年，补贴全面退坡、“双积分”接棒、外资品牌杀入国内市场，新能源车企也因此被迫走出“温室”，应对残酷的丛林法则。动力电池是新能源汽车的“心脏”，占整车成本的30%至40%，也正因如此，动力电池产业一度被认为是汽车工业下一个时代的突破点，然而随着政策降温、外资品牌卷土重来，动力电池行业也面临着和新能源汽车行业一样的严峻挑战。

目前来看，动力电池行业确实迎来了新的变数，近段时间以来，蔚来发布续航里程达1000公里的150度固态电池包，称将在2022年四季度交付。丰田计划在2021年首次亮相搭载了固态电池的量产车。根据主要车企的规划，搭载固态电池的产品预计最早于2022年以后量产。如果全固态电池全面量产，则意味着里程焦虑将被彻底打破，电池安全性也有了突破性保障，电动汽车将打破性能“天花板”。

固态电池领域加速“军备竞赛”

固态电池，即全固态锂二次电池。在传统的液态锂离子动力电池中体系中，正负极所用的材料在很大程度上决定了电池的本身的带电量，即能量密度，而电解液与隔膜是作为锂离子的传输媒介存在于电池结构中。而在固态电池的结构中，因其固态电解质既可传导锂离子也可起到隔膜的作用，因此在固态电池中，电解液，电解质盐 隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等材料都可以被省略。同时，因其固态电解质总体而言结构较为稳定，加上其电解质不易泄漏，易封装及工作范围宽等特性，所以安全性和操作性也得到了显著提升。

目前，市场上主流的固态电池按电解质的不同可分为三种类型：即聚合物，硫化物与氧化物。其中，聚合物电解质属于有机电解质，而后两种属于无机电解质。

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。从聚合物技术路线看，与硫系及氧化物相比，聚合物技术路线不占优势，但是在集成方面，聚合物技术路线还是有一些优势的。总体来看，氧化物固态电池是综合前景最好的。

在这一趋势下，多家企业都开始布局固态电池专利领域。近期宁德时代对外公布了两种固态电池的相关专利：一种固态电解质的制备方法，另一种硫化物固态电解质片及其制备方法。其中，引人关注的是一种固态电解质的制备方法，该专利是将锂前体、中心原子配体分散于有机溶剂中，形成反应初混液；将硼酸酯分散于有机溶剂中，形成改性溶液；将反应初混液与改性溶液混合，干燥，得到初始产物；对初始产物研磨、冷压、热处理得到固态电解质。在本申请所提供的制备方法中，制得的硫化物固态电解质的离子电导率得到显著提升，从而也利于全固态电池的能量密度的发挥。

另外一家新能源巨头比亚迪在固态电池研究上已未雨绸缪多年。近日根据国家知识产权局的信息，比亚迪公布了283项专利授权，涉及固态电池、电池热管理、自动驾驶控制系统等技术。其中有一项是“一种正极材料及其制备方法、一种固态锂电池”，申请日期为2019年7月17日，申请公布日为2021年1月19日，公开号CN112242519A。本发明还提供了正极材料的制备方法和固态锂电池。该正极材料可同时构建锂离子传输通道和电子传输通道，极大的提升了固态锂电池的容量发挥、首圈库伦效率、循环性能和高倍率性能。还有一个专利也跟固态电池有关，名为“一种锂离子电池固态电解质及其制备方法和固态锂离子电池”，申请日期为2019年7月19日，申请公布日同样为2021年1月19日，公开号CN112242557A。据报道，比亚迪称预计最早将于2021年量产固态电池，2022年应用到旗下高端车型当中。

中国方面，部分企业已进入固态锂离子电池（半固态电池）测试阶段，2025年前或可实现量产，如宁德时代、辉能科技、比亚迪等。

国外方面，最早在固态电池领域布局的车企是日本丰田，近日有媒体报道称丰田已经在某些概念车上测试了固态电池，这些电池的限量生产计划将在2025年左右开始。韩国方面，2020年11月，三星SDI、LG化学和SK创新同意联手开发核心电池技术，此外，三家公司将成立一个规模1000亿韩元（约合9000万美元）的基金，它们将共同投资于研发项目，来打造下一代电池产业生态系统，其中就包含了固态电池技术。欧洲则谋求在固态电池领域翻盘，欧美各大车企纷纷投资固态电池初创企业。例如美国高校衍生的初创企业Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。

很明显，固态电池领域已经进入“军备竞赛”阶段，市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。

全固态电池五年内量产只是幻想

虽然固态电池已经取得了重要进展，但仍有不少问题有待解决，一是重塑供应链，固态电池相比现有成熟的液态锂电池技术变化巨大，需要重塑本就极其复杂的锂电池供应链。二是降低成本，固态电池采用的预锂化硅碳负极或远景金属锂负极、高镍正极、固态电解质等新科技材料生产成本远高于目前对应的材料，成本下降过程极其艰巨漫长。三是快充性能不佳。

值得注意的是，“固态”锂电池和“全固态”锂电池的概念常被混淆。根据电解质的不同，锂离子电池可以分为液态锂电池、混合固液锂电池和全固态锂电池三大类。实际上，半固态锂电池、准固态锂电池、固态锂电池均属于“混合固液锂电池”范畴，只是液体电解质与固体电解质比例不同。两者的区别在于，混合固液锂电池仍然含有一定量液体电解质，而全固态锂电池只含有固态电解质，不包含任何液体电解质。

鉴于固态电池面临的技术和经济性挑战，其商业化路径线应该从小容量电池逐渐过渡到大容量的动力电池领域，也会从固液混合的“半固态”“混成固态”发展到“全固态”。

我们目前只是站在起点，距离终点商业化量产全固态电池至少需要十年时间。而蔚来在今年NIO Day 2020 活动上正式推出的150千瓦时的固态电池包其实是固液混合电池或者半固态电池。这是固态电池到来前的一个过渡方案，也就是同时使用固态电解质和电解液，但是两者混合的比例和安全性目前在国际上还没有定论。对此，蔚来董事长李斌在接受媒体采访时也曾表示，目前他们采用的并非全固态电池，电池内部还是带有部分液体的。

但是即便是初级阶段的半固态电池也能让蔚来ET7的标准续航里程达到1000公里左右。另一款搭载固态电池的哪吒U即将小批量产，据悉，该车的固态电池能量密度有望超过500Wh/kg，即如果一台续航600公里的锂离子电池电动车把电池换成固态电池，续航可以超过2000公里。这种指数级的续航提升是非常具有跨时代意义的。

基于各国动力电池技术路线的比较，短期来看是液态电解液的锂离子电池，发展高镍三元正极和硅炭负极，相比于三元锂离子电池，目前的混合固液产品能量密度有所提升，安全性可大幅提高，能够满足整车企业的需求，是全固态电池技术尚未突破情况下的务实选择。

我们以蔚来的固液混合电解质电池为例，即便是这种半固态电池，其360Wh/kg的能量密度依然吊打现阶段主流三元锂电池。为了提升电池的热稳定性和安全性，蔚来提出的解决方案是“纳米级包覆”。纳米级表面包覆层能够很好的抑制电解液的分解和材料的表面相变，是提升高镍三元材料稳定性的有效方法。但包覆太厚会影响锂离子从正极材料的脱嵌，因此采用的是纳米级的包覆，即把包覆做薄。虽然不能称之为真正的固态电池，但蔚来此次发布的“半固态电池包”确实结合了当前最为前沿且可以实现的动力电池技术，一切按部就班的话，2022年交付使用装车问题不大。

直播车市

在一项新事物诞生之初，无论是一昧的捧还是一昧的踩，都不是一种理智的行为；只有摒弃掉被他人影响而戴上的有色眼镜，通过对技术的探讨，才能真正了解这款事物的真实状况。真正的固态电池距离来到现实生活确实还需要时间与技术的积淀，但是它带来的震撼已经昭然若揭。