在現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車社會(huì)的主要矛盾已轉(zhuǎn)化為人民群眾日益增長(zhǎng)的續(xù)航里程與動(dòng)力電池落后的能量密度之間的矛盾。
而人民對(duì)美好生活的向往，正是整個(gè)產(chǎn)業(yè)從業(yè)者們的奮斗目標(biāo)。為此，在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中，我國(guó)特別提出了2020年動(dòng)力電池的能量密度達(dá)到300Wh／kg，2025年400Wh／kg，2030年500Wh／kg的目標(biāo)。在工信部頒布的《中國(guó)制造2025》中，這一目標(biāo)甚至提高到了2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg。
顯然，不管是哪一個(gè)，這些技術(shù)指標(biāo)都已極其接近和突破了當(dāng)下電化學(xué)體系內(nèi)的鋰離子電池的天花板了。
鋰電池業(yè)界普遍認(rèn)為三元鋰電池技術(shù)路線的比能量密度上限是350Wh/kg。全球范圍內(nèi)來(lái)看，鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的幾個(gè)國(guó)家中，日本科學(xué)家判斷可規(guī)模量產(chǎn)化的鋰離子電池的比能量密度上限是300Wh/kg，我國(guó)和美國(guó)則把這個(gè)上限提高到了350Wh/kg。
三元體系內(nèi)，全球諸國(guó)都把賭注押在高鎳三元+硅碳負(fù)極材料的引入上。不過(guò)即使做到了松下21700圓柱電池的鎳鈷鋁摩爾比達(dá)到變態(tài)的0.9:0.5:0.5的極限，單體電芯的比能量也就最高做到300Wh/kg，上下不超過(guò)20Wh/kg的水平了。
而隨著能量密度的不斷提升，鋰電池的安全隱患也像揮之不去的魔咒一樣緊隨而來(lái)，新聞上被曝出的各種電動(dòng)車電池起火爆炸的事故更是此起彼伏。
面對(duì)市場(chǎng)和人民對(duì)超越300Wh/kg的殷殷期盼，現(xiàn)有的材料體系表示力不從心，恐怕要讓群眾們失望了。
所以業(yè)界公認(rèn)，未來(lái)要實(shí)現(xiàn)350Wh/kg以上，就要走另一條技術(shù)路線了。目前看來(lái)，下一個(gè)能堪當(dāng)此大任的就是固態(tài)電池了。
基于此，固態(tài)電池被看成動(dòng)力電池的下一個(gè)風(fēng)口。全球范圍內(nèi)不管是在傳統(tǒng)鋰電領(lǐng)域已經(jīng)站穩(wěn)腳跟的中日韓三國(guó)，還是手里握著多項(xiàng)電池核心技術(shù)專利的美國(guó)，甚至連已經(jīng)在當(dāng)下競(jìng)爭(zhēng)格局中敗下陣來(lái)的歐洲諸國(guó)，都試圖占領(lǐng)下一個(gè)固態(tài)電池的戰(zhàn)略高地。于是乎，包括多家科研院所、頂級(jí)學(xué)府、車企巨頭、科技公司在內(nèi)數(shù)十家機(jī)構(gòu)在大量涌入的資本和政策支持下，展開(kāi)了一場(chǎng)跟時(shí)間賽跑的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。
未來(lái)，致勝電動(dòng)汽車時(shí)代的關(guān)鍵，是掌握動(dòng)力電池的主動(dòng)權(quán)。所以在這份不斷壯大的名單中，目前已經(jīng)出現(xiàn)了豐田、大眾、寶馬、現(xiàn)代、三菱、蘋果、松下、三星和戴森。在中國(guó)，有中科院、清華大學(xué)、寧德時(shí)代、清陶發(fā)展、贛鋒鋰業(yè)、珈偉股份等。
11月19日，清陶對(duì)外宣布，其建成的全國(guó)首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線已經(jīng)正式投產(chǎn)。
更早之前，贛鋒鋰業(yè)布局的固態(tài)電池生產(chǎn)線號(hào)稱已經(jīng)開(kāi)始中試。
更更早之前，已在這個(gè)領(lǐng)域投入多年心血的豐田將固態(tài)電池的商業(yè)化時(shí)間一再提前，從2030年提前到2022年，直至最新的2020年。
更更更早之前，法國(guó)Bollore公司在英國(guó)倫敦投放了3500輛搭載固態(tài)電池的共享電動(dòng)汽車。
看起來(lái)，好像固態(tài)電池的美好未來(lái)已經(jīng)近在咫尺，仿佛明天就能到來(lái)。
本質(zhì)上，固態(tài)電池的原理和“傳統(tǒng)”的鋰電池是相同的，都是靠著鋰離子在電池的正負(fù)兩極之間穿梭往來(lái)，實(shí)現(xiàn)充放電的功能。不同的是，固態(tài)電池中的電解質(zhì)是固態(tài)的，而傳統(tǒng)鋰電池的電解質(zhì)是液態(tài)的。
交代一下背景：根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)材料的不同，固態(tài)電池又分成聚合物、氧化物和硫化物三大體系，其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)。
聚合物電解質(zhì)主要由聚合物基體與鋰鹽構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)在于高溫離子電導(dǎo)率高，易于加工，電極界面阻抗可控。因此成為最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向，法國(guó)的Bollore公司和中國(guó)的清陶就是這種技術(shù)路線。但這種電池的最大缺點(diǎn)也是低溫離子導(dǎo)電率低，在室溫下的離子電導(dǎo)率也是三大體系中最低的，這也就嚴(yán)重制約了該類型固態(tài)電池的發(fā)展。
對(duì)比聚合物有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，包括氧化物與硫化物體系在內(nèi)的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率在室溫下更高，但缺點(diǎn)是電解質(zhì)和正負(fù)電極之間的界面電阻也遠(yuǎn)高于聚合物體系。
看似只是換了一種電解質(zhì)的形態(tài)，固態(tài)電池就如此被器重。可以說(shuō)固態(tài)電池之所以招人待見(jiàn)，就是因?yàn)槠湓诶碚撋辖鉀Q了當(dāng)前困擾鋰電池，尤其是動(dòng)力電池行業(yè)的兩大根本痛點(diǎn)，即能量密度和安全問(wèn)題。
相較于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)電池，可以說(shuō)固態(tài)電池在各方面的提升都是質(zhì)的飛躍：
一能量密度大幅提高了。
因?yàn)槭褂昧斯虘B(tài)電解質(zhì)，之前與液態(tài)電解質(zhì)兼容不好的更高性能的正負(fù)極材料就可以應(yīng)用上了。例如可以將負(fù)極材料從當(dāng)前的石墨換成金屬鋰，金屬鋰作為負(fù)極材料，優(yōu)勢(shì)天差地別的：一來(lái)負(fù)極材料換成金屬鋰后要比石墨材料減輕了很大用量，二來(lái)金屬鋰的克容量高達(dá)3860mAh/g，是石墨材料（372mAh/g）的10倍，三來(lái)金屬鋰是自然界電化學(xué)勢(shì)最低的材料，對(duì)應(yīng)的正極材料選擇面更寬，可以是含鋰或不含鋰的化合物，也可以是硫或硫化物甚至是空氣（即鋰硫和鋰空電池），理論能量密度是當(dāng)前鋰電池的10倍以上。
此外，固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口更寬，理論上可以達(dá)到5V，更加適應(yīng)于高電壓型正極材料，因?yàn)樘岣哒龢O材料容量需要充電至高電壓以便使其脫出更多的鋰離子，而當(dāng)前三元高鎳材料的應(yīng)用已然受到了耐高壓電解液的制約，因?yàn)橐岣哒龢O材料的容量就要充到更高電壓，而高電壓就會(huì)把液態(tài)電解液氧化。
所以在有固態(tài)電解質(zhì)之后，理論上電池的比能量就可以輕松突破350Wh/kg的天花板，甚至超越400Wh/kg。
二安全性能大幅提升。
液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機(jī)溶劑，發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)溫度驟升容易引起燃燒，導(dǎo)致電池起火爆炸。雖然可以通過(guò)加裝溫控和防短路這樣的安全裝置起到一定預(yù)防作用，但終究是治標(biāo)不治本，無(wú)法徹底解決安全問(wèn)題。
而固體電解質(zhì)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，也有望克服當(dāng)前困擾整個(gè)鋰電池行業(yè)的鋰枝晶問(wèn)題。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其可以把電池正極與負(fù)極阻隔，從而做到有效避免正負(fù)極接觸發(fā)生短路的隱患，所以說(shuō)固態(tài)電池也具有很高的安全特性。
因?yàn)楣虘B(tài)電池具有很高的安全性，所以在系統(tǒng)集成時(shí)候就可以省去傳統(tǒng)電池PACK中很大一部分熱管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)，同時(shí)減少了組裝殼體用料。因?yàn)槌山M效率得到提升，進(jìn)而大幅提升整個(gè)電池PACK的系統(tǒng)能量密度。
三循環(huán)壽命有效拉長(zhǎng)。
固體電解質(zhì)可以避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜等問(wèn)題，從而有大大提升了鋰電池的循環(huán)次數(shù)和使用壽命。
根據(jù)目前已有的報(bào)導(dǎo)，薄膜型固態(tài)電池的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到4.5萬(wàn)次的水平了。
此外，固態(tài)電池還具有工作溫度范圍寬（可以達(dá)到300度以上），可以疊加多個(gè)電極，使單元內(nèi)串聯(lián)制備12V及24V的大電壓?jiǎn)误w電芯成為可能，以及由于沒(méi)有廢液使二次回收更加簡(jiǎn)單安全等優(yōu)勢(shì)。
有這些亮眼的諸多優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池看起來(lái)美好之極。但是，歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一般前途光明的都會(huì)緊隨著道路的曲折，而前途越光明，道路就越曲折。我們必須認(rèn)識(shí)到的事實(shí)是，固態(tài)電池至今仍沒(méi)有走出實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些。基于工程化應(yīng)用方面的技術(shù)研發(fā)甚至還處于起步階段，而要到大規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化，更是需要很長(zhǎng)的一段路要走。
拿今天清陶號(hào)稱已經(jīng)下線的小型固態(tài)電池產(chǎn)品為例，業(yè)界資深從業(yè)者、一個(gè)朋友告訴燕十七，“跟這差不多的小型固態(tài)電池，日本人（豐田）大概在2005年就搞出來(lái)了。一直沒(méi)有大規(guī)模商業(yè)化的原因，就在于技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟到這個(gè)地步。”
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