2021年09月22日 | 目标1000km+续航，宝马/福特在固态电池上“下重注”

从蔚来汽车到长城蜂巢，从宁德时代到辉能科技，固态电池已成为动力电池的重要发展方向。面对1000km+纯电续航里程的伟大愿景，目前各大车企及供应商都不惜“重注”投资研发。

宁德时代、LG化学、日本松下等电池供应商就甭说了，少不了固态电池的研发项目。近日最新消息显示，宝马和福特两家汽车巨头正在加速固态电池的研发，由Solid Power提供的商业化固态电池，准备在2022年初开始试生产固态电池，并在商品车上进行实际工况测试。今天我们就来聊聊，同样是通过以锂离子为基础的化学储能方式，固态电池为什么能在提高2-10倍的能量密度基础上，还保障电池安全性。

固态VS液态：相同食材，调料决定口味。

正/负极+电解质+隔膜，动力电池的基本结构其实都一样。在电池充放电过程中，锂离子（或者其他正电荷离子）在电池内部迁移，而电子则在外部导线通过用电设备，形成电流，从而，灯亮了，车动了，空调也转起来了。

“固态”还是“液态”本质差异就是电池电解质的特征，这玩意儿是锂离子在正负极迁移的桥梁，要求对锂离子畅通无阻，电子就完全不给过，专业说法是——绝缘（否则就短路了）。固态电解质说白了就是硬的、不流动的电解质，不像液态电解质那样会因为锂离子的频繁穿梭以及温度起伏而“变态”，物理和化学特性都更稳定。

用什么样的固态电解质合适呢？总不能随便撒一把石灰进去吧！目前，全固态电池的电解质有硫化物、氧化物、聚合物三种发展方向，都是材料科学经过筛选出来的最佳解决方案，且都有各自优势。（以下内容略硬核，懒得理解可跳过）

硫化物电解质就像灰一样，能跟能跟正负极材料超亲密贴合，相当于离子会更宽敞的道路来回跑动，自然效率高，未来最可能的技术路线（日系居多），短板在于，要做这东西的工艺复杂，产能低，良品率低，实验室整点样品还行，工厂大规模生产得亏死。另外，硫化物的空气稳定性差，跟空气接触后会有重污染的问题。目前这种“高精尖”的玩意儿主要还是一些重点军工航天设备用的比较多，用量小，性能强。

氧化物电解质是更纯粹的固态，机械性好，导电率也很高，虽不如硫化物，但导电率也比液态电解质强多了。同样的，因为材料偏硬的特点，所以不太好跟正极活性材料完美接触，锂离子从正极出来没法快速进入电解质，容易形成局部高温，结合部的机械稳定性也偏差，就好比尺寸不匹配的螺丝和螺母，工艺不到位做不到牢固的亲密接触。目前国内企业卫蓝、清陶、辉能都是走的这条路线。

宁德时代

最后是聚合物电解质，这其实是一种比较“中庸”的固态电池方案，电解质不是纯粹的固态，有些材料呈现会出的相对稳定的凝胶状态，你简单可以理解为果冻，虽然不硬，但也没有流动性。这种高分子材料相对容易加工，利用现有设备通过改造实现量产，如SANYO的商用产品，但缺点是离子电导率低，能量密度的潜力上不去，且跟液态电解质一样不容易控制热失控问题，机械稳定性和安全性都有待提高。宁德时代目前正在重点攻坚这一技术路线，目前容量为325mAh的聚合物锂金属固态电池能量密度达300Wh/kg，比现在一流水准的三元锂电池并没有突出的优势。

口感：红烧肉，大厨手里出来的就是不一样

面对纯电汽车续航、充电、全场景等多维度的诉求，任何动力电池都逃不过能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性能、安全性能这五种外在指标，新材料应用，工艺的优化升级，也都是为了提升相关技术指标服务的。

液态电池“短命”的一个重要原因就是电解质，其中最典型的案例就是长时间使用，锂枝晶的生长对电池性能和寿命的影响，就像针扎破气球一样，泄了气的电池就没用了。而固态电池的电解质机械和化学特性均更为稳定，不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发，再加上高度密封的电池包，这会极大提升整个电池组的静态及循环寿命，即，拿针扎砖头，没啥用。

普遍认为，固态电池的能量密度能达到当前三元锂电池的2-10倍，要达到这个高度，固态电池还需解决电解质和正负极高度贴合的问题，给离子建起“双向12车道的高速公路”，这样能量密度、功率密度才能上得去。与此同时，固态电解质也不像液态那样对温度敏感，普遍能在-50℃~200℃温度保持放电功率，可以极大程度缓解冬天电池容量衰减的问题。

冬季是纯电汽车“天敌”

同样因为固态电解质的稳定导电性，固态电池的内在阻值也更小，且并不会随着温度/容量剧烈变化，发热量小，不需要高功率的水冷系统，充/放电功率低一些的甚至不需要冷却系统。

工艺：没有高压锅，拿什么做佛跳墙？

理论上，固态电解质相比液态有着更高的发展潜力，但对工艺的要求也是极高的，想要达到全方位领先的数据和指标，要求对电解质进行微米甚至纳米级微观层面的高精度工艺处理，其难度不下于在半导体上刻电路（芯片），成本当然很难下得来。

以目前普遍看好，且潜力大的氧化物固态电解质为例，低温压合工艺生产出来的版本导电率只有硫化物的1/10-1/20，但通过高温烧结工艺处理后，其导电性会大幅提高。而如何把握这种工艺的火候则是一个长期探索的过程。

面对电解质和正负极固-固结合带来的“接触不良”问题，也有人提出界面抛光处理、增加特殊涂层等优化方案，这些都是解决导电率的良方，但也会影响工艺以及材料成本，甚至损失能量密度，违背初衷的事儿总让人有些不痛快。

实验室和商业化始终存在鸿沟。造一两个不计成本的高水准固态电池，对于任何一间专门做这玩意儿的实验室都不难，不排除航天/军工领域一些特殊设备就用来这些玩意儿。难的是如何让这项技术进入生产车间，还要让车企扣除各项成本后有的挣，这才是固态电池面临的最大难点。

总结：

产业链上游决定了一个行业的发展速度＆高度，而限制像宁德时代、LG化学这些电池大佬的则是材料科学，真正的科学技术最前沿，相比主机厂（也就是汽车品牌）在产品角度下功夫更能改变一个行业前景与格局。新能源汽车应用固态电池的发展思路已经是这条产业链的共识，且实验室的数据证明其各项指标相比当前液态锂离子电池强得多，基本确认商业化道路是可行的。然而，从实验室和市场永远存在巨大鸿沟，业内普遍认为固态电池全面产业化还需5-10年，这还是比较乐观的估计。

总之，固态电池的商业化不是做慈善，要的是效益，控制工艺成本、提高产能、让产品变得廉价，是任何高新技术走向民用的“罩门”。