鉅大LARGE | 點擊量：935次 | 2021年05月14日
固態(tài)電池技術(shù)前沿與商業(yè)應(yīng)用展望
2021年一月，蔚來宣稱將于2022年第四季度交付裝配固態(tài)電池的新款汽車車型，能量密度超過360Wh/Kg，續(xù)航里程超過1000公里。這是業(yè)內(nèi)首次有整車企宣布將量產(chǎn)搭載固態(tài)電池的車型，隨后市場有關(guān)固態(tài)電池的關(guān)注度明顯升高。
業(yè)界有關(guān)固態(tài)電池技術(shù)的探索已經(jīng)持續(xù)多年，目前普遍觀點認(rèn)為固態(tài)電池技術(shù)成熟周期仍有5-10年之久（技術(shù)成熟、成本下降、供應(yīng)鏈重塑、裝車驗證）。2021年四月，國內(nèi)動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)龍頭公司寧德時代董事長曾毓群在接受對話訪談中公開表示，“3-5年內(nèi)能做到上車的，都不是全固態(tài)電池”。
在學(xué)術(shù)界，從不同層面提升固態(tài)電池穩(wěn)定性的材料和方法近些年來成為大量科研工作者的關(guān)注焦點。同時，工業(yè)界也涌現(xiàn)出一批致力于推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的中堅力量。固態(tài)電池出現(xiàn)和發(fā)展的驅(qū)動力是什么？主流的技術(shù)路徑包括什么方面？產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展態(tài)勢是怎么樣的？本文嘗試從科研與產(chǎn)業(yè)雙重角度，為讀者重點梳理固態(tài)電池的技術(shù)探索前沿以及產(chǎn)業(yè)化推動力量，并對短時間內(nèi)固態(tài)電池發(fā)展趨勢做展望。
固態(tài)電池發(fā)展的驅(qū)動力
新能源汽車的普及是遠(yuǎn)期實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。過去幾年尤其是2019-2020年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式上升，以特斯拉、比亞迪、造車新勢力為代表的電動汽車整車公司無論是在整車交付還是在資本市場表現(xiàn)都非常優(yōu)異。動力鋰離子電池作為新能源汽車中的核心零部件自然也備受關(guān)注，新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的爆發(fā)也帶動其上游的鋰離子動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈迎來強勁上升。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰離子動力鋰離子電池的能量密度伴隨著全產(chǎn)業(yè)鏈的爆發(fā)式上升而不斷上升，這得益于電池材料以及制造工藝等多方面的改進(jìn)。材料方面，三元材料/磷酸鐵鋰正極+石墨類負(fù)極是當(dāng)下動力鋰離子電池主流采用材料；制造工藝方面，以寧德時代“CTP”技術(shù)和比亞迪“刀片電池”技術(shù)為代表的先進(jìn)生產(chǎn)工藝也在提升著動力鋰離子電池的能量密度。目前鋰離子動力鋰離子電池的能量密度上限大約是300-350Wh/Kg。
持續(xù)推動動力鋰離子電池能量密度提升是解決新能源汽車?yán)锍探箲]的關(guān)鍵，也是當(dāng)下和未來一段時間繞不開的主題。根據(jù)十四五動力鋰離子電池技術(shù)路線圖（《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》）的規(guī)劃，到2025、2030、2035年這三個關(guān)鍵時間節(jié)點時，高能量密度電池的目標(biāo)分別將達(dá)到350、400、500Wh/Kg。
對固態(tài)電池的需求一方面來自對動力鋰離子電池體系更高能量密度的追求。鋰離子動力鋰離子電池的能量密度上限是受當(dāng)前主流的石墨負(fù)極和或?qū)⒊蔀橹髁鞯墓杼钾?fù)極決定的，假如想要達(dá)到更高的能量密度，例如350Wh/Kg以上，甚至達(dá)到500Wh/Kg，則依賴以金屬鋰為代表的新一代負(fù)極材料。
金屬鋰具有超高的比容量（3,860mAh/g）和最低的氧化還原電勢（-3.040Vvs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極），因此在未來高能量密度儲能體系（如全固態(tài)鋰離子電池、鋰硫電池、鋰氧電池）中均必不可少。因此固態(tài)電池的最終目標(biāo)也是圍繞金屬鋰負(fù)極打造可產(chǎn)業(yè)化的電化學(xué)體系。
圖1｜采用不同材料得到的理論能量密度上限，金屬鋰負(fù)極可以做到350-500Wh/Kg（圖片來源：BatteryShowCase,QuantumScape,2020.12）
另一方面，固態(tài)電池也有望改善動力鋰離子電池的安全性和延長其使用壽命。目前商用化的鋰離子動力鋰離子電池均采用有機(jī)電解液，其優(yōu)點是與電極材料浸潤性好，從而能夠保證電極材料的充分利用，且能夠在室溫環(huán)境下保持較高的離子電導(dǎo)率。但同時，有機(jī)電解液揮發(fā)性高、易泄露、易燃，存在安全隱患，例如最近兩年電動汽車自燃新聞屢屢引發(fā)社會關(guān)注。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)（solid-stateelectrolyte）替代液態(tài)鋰離子電池中的電解液和隔膜，安全性能將得到改善，并且有望提升電池的單體能量密度和延長電池使用壽命。
固態(tài)電池研發(fā)面對的重要痛點
目前動力鋰離子電池主流是鋰離子電池，其核心組成包括4個部分：正極、負(fù)極、隔膜、電解液。在充電時，正極的含鋰化合物（如磷酸鐵鋰、鎳鈷錳或鎳鈷鋁三元材料）有鋰離子脫出，在電解液中穿過隔膜移動到負(fù)極，負(fù)極的碳材料（如石墨、硅碳負(fù)極）呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。反之，鋰離子從負(fù)極移動回正極就完成了一次放電過程。
在鋰離子電池首次充放電過程中，負(fù)極材料與電解液在固液相界面上會發(fā)生反應(yīng)，在負(fù)極材料的表面沉積一層厚度約幾十納米的鈍化膜，這層膜被稱為固體電解質(zhì)界面膜（solidelectrolyteinterface，SEI膜），鋰離子可以穿過SEI膜自由的在負(fù)極嵌入和脫出，但電解液中的有機(jī)溶劑分子不能通過，因此SEI膜的存在雖然會消耗一部分鋰，但也會對負(fù)極起到保護(hù)用途，從而提升電池的循環(huán)性能和使用壽命。
然而在電池長期循環(huán)充放電的過程中，當(dāng)負(fù)極材料和SEI膜表面變得不平整，或當(dāng)進(jìn)行過充電、使用大電流充電時，負(fù)極表面會出現(xiàn)析鋰效應(yīng)（Liplating），生長出鋰枝晶（Lidendrite）。
鋰枝晶不斷形成與斷裂，一方面會在斷裂后變成“死鋰”不再繼續(xù)貢獻(xiàn)容量，另一方面可能會持續(xù)生長甚至刺穿隔膜造成電池短路甚至引起爆炸。同時，鋰枝晶的形成還破壞了脆弱的SEI膜，新增了負(fù)極與電解液接觸的表面積，導(dǎo)致新暴露的鋰?yán)^續(xù)與電解液發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步降低電池的庫倫效率（充電效率），并縮短電池的循環(huán)壽命。
圖2｜金屬鋰負(fù)極令人困擾的鋰枝晶問題（圖片來源：Liuetal.,Pathwaysforpracticalhigh-energylong-cyclinglithiummetalbatteries,NatureEnergy,2019）
早在鋰離子電池實現(xiàn)商用化之前，StanleyWittingham（因鋰離子電池研發(fā)突出貢獻(xiàn)獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家之一）在1970年代首次提出可充電鋰離子電池概念時，就嘗試采用金屬鋰作為負(fù)極。然而鋰枝晶問題在當(dāng)時一直得不到解決，直到后來科學(xué)家放棄金屬鋰轉(zhuǎn)而采用石墨類電極，才實現(xiàn)了鋰離子電池邁向商業(yè)化的關(guān)鍵突破。
時至今日，經(jīng)過學(xué)術(shù)界對鋰離子電池和固態(tài)電池材料體系和研究方法的多年探索，金屬鋰負(fù)極有望得到“復(fù)興”，這是實現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)品化的關(guān)鍵前提。基于近年來在該領(lǐng)域取得的進(jìn)展，《麻省理工科技評論》（MITTechnologyReview）也將“鋰金屬電池”列為2021年十大突破性技術(shù)（10BreakthroughTechnologies）。
固態(tài)電池研發(fā)的重要技術(shù)路徑
2017年，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系崔屹教授團(tuán)隊在NatureNanotechnology期刊發(fā)表綜述論文（Revivingthelithiummetalanodeforhigh-energybatteries），總結(jié)了學(xué)術(shù)界為提升金屬鋰作為負(fù)極材料的穩(wěn)定性做出的努力和貢獻(xiàn)。我們將其整理成以下4個層面：
電解液層面，進(jìn)行電解液化學(xué)成分調(diào)控，例如新增鋰鹽溶劑濃度、設(shè)計新型電解液體系、改進(jìn)電解液添加劑等，目的是為了實現(xiàn)鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶形成；
電極-電解質(zhì)界面層面，優(yōu)化SEI膜的穩(wěn)定性，例如設(shè)計人工SEI膜、在納米尺度上強化自然形成的SEI膜、或者使用3D銅集流體調(diào)節(jié)鋰的沉積行為使鋰沉積更均勻；
負(fù)極材料和結(jié)構(gòu)層面，使用復(fù)合型穩(wěn)定材料或者三維骨架結(jié)構(gòu)減小充放電過程中負(fù)極的體積變化，但這方面的研究才剛開始。我們后文中介紹的三星電子設(shè)計采用Ag-C復(fù)合材料作為新型電池體系的負(fù)極就是這個層面的創(chuàng)新代表案例；
固體電解質(zhì)層面，采用固態(tài)電解質(zhì)替換有機(jī)電解液，包括無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及無機(jī)/聚合物混合固態(tài)電解質(zhì)，固體電解質(zhì)體系也正在從單一組分走向多元復(fù)合。
圖3｜提升金屬鋰負(fù)極穩(wěn)定性的重要技術(shù)路徑/研究手段（圖片來源：Zhangetal.,Towardspracticallithium-metalanodes,ChemicalSocietyReviews,2020）
其中，固態(tài)電解質(zhì)是目前國際上固態(tài)鋰離子電池專利申請量最多的技術(shù)領(lǐng)域，也是固態(tài)電池研發(fā)的核心。理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)具備以下性能：高彈性模量以防止被鋰枝晶穿透，常溫下鋰離子電導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性高不與正極或負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，電化學(xué)窗口寬，界面阻抗低，界面接觸良好等。
圖4｜理想的固態(tài)電解質(zhì)性能（圖片來源：Fanetal.,RecentProgressoftheSolid-StateElectrolytesforHigh-EnergyMetal-BasedBatteries,AdvancedEnergyMaterials,2018)
整體上，固態(tài)電解質(zhì)可以分為陶瓷（無機(jī)）固態(tài)電解質(zhì)和聚合物（有機(jī)）固態(tài)電解質(zhì)兩大類，前者又可進(jìn)一步細(xì)分為氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等，目前研究較為深入且更加有潛力的是氧化物和硫化物兩類。氧化物中根據(jù)晶型可以分為鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON型、LISICON型，石榴石型和NASICON型綜合來看是氧化物類中相對更加有潛力的材料。
不同材料的性能差異巨大。聚合物固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率低、彈性模量低，沒辦法有效的阻擋鋰枝晶生長，但其界面接觸比無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)更好，柔性易加工。陶瓷固態(tài)電解質(zhì)相比于聚合物固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電導(dǎo)率較高、彈性模量高，但陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的缺點是界面接觸差且會因此導(dǎo)致界面阻抗高；具體來看，硫化物類固態(tài)電解質(zhì)鋰鍺磷硫（LGPS）的鋰離子電導(dǎo)率接近液態(tài)電解質(zhì)，但對空氣極為敏感；NASICON型氧化物雖然離子電導(dǎo)率不高，對金屬鋰也不穩(wěn)定，但是可以耐受水的侵蝕；石榴石型氧化物固態(tài)電解質(zhì)鋰鑭鋯氧（LLZO）在空氣中相對穩(wěn)定，離子電導(dǎo)率介于硫化物和聚合物之間，對金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定，但界面問題是挑戰(zhàn)。
我們舉石榴石型氧化物鋰鑭鋯氧（LLZO）為例。2019年，南策文院士團(tuán)隊在Joule期刊發(fā)表論文論述了LLZO的潛力，他們認(rèn)為LLZO在以上四種典型固態(tài)電解質(zhì)中綜合性能是最優(yōu)的，最具應(yīng)用前景。南策文院士接受CellPress專訪時解釋了LLZO現(xiàn)實應(yīng)用的相對優(yōu)勢，具體包括：
1）LLZO離子電導(dǎo)率以及可達(dá)到的面電阻可以滿足應(yīng)用的需求；2）LLZO粉體材料可以在大氣環(huán)境下實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；3）LLZO在化學(xué)上對鋰金屬穩(wěn)定，為鋰金屬負(fù)極的使用供應(yīng)了可能，LLZO的電化學(xué)窗口寬，可以和高電壓正極相匹配，這些都為高能量密度固態(tài)電池的實現(xiàn)供應(yīng)了材料基礎(chǔ)；4）近幾年來，越來越多的研究人員關(guān)注LLZO的研發(fā)，澄清了很多制約LLZO應(yīng)用的瓶頸問題的關(guān)鍵機(jī)理，并給出了切實可行的解決方法。不過界面問題的挑戰(zhàn)依然艱巨，南策文院士也表示LLZO固態(tài)鋰離子電池投入實際應(yīng)用還需5-10年。
圖5｜4種典型固態(tài)電解質(zhì)性能比較（圖片來源：Zhaoetal.,SolidGarnetBatteries,Joule,2019)
如何平衡離子電導(dǎo)率、彈性模量以及界面接觸和界面阻抗之間的兩難問題，還要做大量的工作。其中一個很好的策略是將陶瓷和聚合物兩種固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，例如將陶瓷和聚合物組合成三明治結(jié)構(gòu)，或者將二者編織成三維納米導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。這個方向值得我們持續(xù)關(guān)注。
圖6｜兩種將陶瓷和聚合物固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行組合的示意圖（圖片來源：Linetal.,Revivingthelithiummetalanodeforhigh-energybatteries,NatureNanotechnology,2017）
除了電池材料領(lǐng)域追求不斷的創(chuàng)新，固態(tài)電池的生產(chǎn)制造工藝同樣要投入大量的工作。因為金屬鋰負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)的存在，固態(tài)電池與鋰離子電池的生產(chǎn)制造流程差異非常大。固態(tài)電池順利實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提是技術(shù)成熟和成本可控，如何在未來將固態(tài)電池的生產(chǎn)成本控制在可行的范圍內(nèi)，前方依然有很長的路程要探索。
圖7｜基于硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池生產(chǎn)制造流程比較（圖片來源：Schnelletal.,All-solid-statelithium-ionandlithiummetalbatteries–pavingthewaytolarge-scaleproduction,JournalofPowerSouces,2018）
推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的核心力量
近幾年，專業(yè)從事固態(tài)電池研發(fā)的公司尤其是創(chuàng)業(yè)公司成為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量，海內(nèi)外整車廠積極擁抱和參與。在國內(nèi)，清陶發(fā)展獲得了來自北汽、上汽、廣汽的多輪產(chǎn)業(yè)投資，除此之外還與合眾達(dá)成合作關(guān)系；輝能科技獲得了一汽的產(chǎn)業(yè)投資，同時蔚來、天際等與其就固態(tài)電池研發(fā)展開合作；在國外，固態(tài)電池全球第一股QuantumScape獲得了大眾、上汽的投資；SolidPower獲得了三星、現(xiàn)代、福特的投資，并與寶馬、福特達(dá)成深度合作伙伴關(guān)系；IonicMaterial獲得了雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟的投資。
另一方面，車企、動力鋰離子電池巨頭和鋰資源巨頭也積極布局固態(tài)電池。豐田自身在固態(tài)電池領(lǐng)域深耕多年，同時近年來也宣布與松下展開合作；三星近期采用新型負(fù)極材料體系在固態(tài)電池領(lǐng)域取得重大突破；寧德時代在固態(tài)電池專利方面持續(xù)積累勢能；贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所合作，成立浙江鋒鋰；天齊鋰業(yè)通過投資衛(wèi)藍(lán)新能源進(jìn)入固態(tài)電池領(lǐng)域。
本文中我們對有一定產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)展披露的固態(tài)電池研發(fā)商進(jìn)行重點復(fù)盤，為讀者梳理推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的核心力量（未全部覆蓋）。
我們注意到一個很有意思的現(xiàn)象，日韓公司多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，而我國公司多采用氧化物為主，歐美公司在聚合物、氧化物、硫化物路徑選擇上相對更均衡。豐田、三星在硫化物領(lǐng)域積累深厚，壓重注打造全固態(tài)電池；而我國和歐美公司則更加有可能采取從固液混合/半固態(tài)電池到全固態(tài)電池過渡的形式分步實現(xiàn)。
以下，清陶發(fā)展、衛(wèi)藍(lán)新能源、輝能科技、QuantumScape等重要采取氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線；豐田、三星電子、SolidPower等重要采取硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線。
圖8｜固態(tài)電池全景圖（圖片來源：Solid-statebatterylandscape,QuantumScape,2021.03）
清陶發(fā)展
清陶發(fā)展2014年成立，由我國科學(xué)院院士、發(fā)展我國家科學(xué)院院士、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院院長清南策文創(chuàng)辦。北汽、上汽、廣汽分別領(lǐng)投了清陶E輪、E+輪、E++輪融資，2021年三月，清陶完成了上海科創(chuàng)基金領(lǐng)投的F輪融資，公司估值已超100億人民幣。根據(jù)清陶披露，公司現(xiàn)已建成“新能源材料—固態(tài)鋰離子電池—自動化裝備—鋰離子電池資源綜合利用—科研成果孵化—產(chǎn)業(yè)投資”的完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。
技術(shù)路線方面，根據(jù)官網(wǎng)披露，清陶重要采用納米級鋰鑭鈦氧（LLTO）、鋰鑭鋯氧（LLZO）作為固態(tài)電解質(zhì)材料。產(chǎn)量方面，2018年清陶建成國內(nèi)首條固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)線，產(chǎn)量規(guī)模0.1GWh，產(chǎn)品在特種安全領(lǐng)域開展應(yīng)用。2020年七月，清陶在江西省宜春市建成投產(chǎn)首期年產(chǎn)1GWh固態(tài)鋰離子電池項目，投資5.5億元，并計劃二期新增產(chǎn)量9GWh，投資49.5億元。
清陶開發(fā)的第一代量產(chǎn)型動力固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品于2019年通過國家機(jī)動車產(chǎn)品強檢，并與北汽、上汽、廣汽、合眾等多家整車廠就上車開展合作溝通。合眾、北汽也分別在2020年七月展示了搭載清陶固態(tài)電池系統(tǒng)的哪吒U、北汽藍(lán)谷固態(tài)電池版純電動樣車。
衛(wèi)藍(lán)新能源
衛(wèi)藍(lán)新能源依托于中科院物理所于2016年成立，是物理所清潔能源實驗室固態(tài)電池技術(shù)的唯一產(chǎn)業(yè)化平臺。創(chuàng)始團(tuán)隊包括我國工程院院士、中科院物理所研究員陳立泉，北汽新能源前總工程師俞會根，中科院物理所研究員李泓。衛(wèi)藍(lán)目前已經(jīng)獲得中科院物理所和中科院科技成果轉(zhuǎn)化基金的投資，以及天齊鋰業(yè)、三峽資本的產(chǎn)業(yè)投資。
衛(wèi)藍(lán)新能源采用氧化物固態(tài)電池路線，根據(jù)公開信息，目前公司完成了300Wh/kg以上高鎳三元正極的混合固態(tài)電池設(shè)計開發(fā)，已經(jīng)給多家國際國內(nèi)整車廠送樣測試，成功通過針刺、擠壓、過充、短路等濫用試驗，循環(huán)壽命達(dá)到1200次以上。
輝能科技
輝能科技（ProLogium）的固態(tài)電池于2017年量產(chǎn)，重要應(yīng)用于消費電子和可穿戴電子產(chǎn)品市場，之后，輝能正式進(jìn)軍電動汽車市場。2020年，輝能完成了中銀投資、一汽的1億美元D輪融資。根據(jù)輝能公開披露消息，目前已經(jīng)有6家整車廠與輝能簽署了框架協(xié)議，其中就包括一汽。
輝能的固態(tài)電池技術(shù)路線是采用鋰陶瓷（Lithium-Ceramic）固態(tài)電解質(zhì)，同時也包括少于10%的液態(tài)電解質(zhì)，電極方面，2020年以前輝能采用的是LCO（鈷酸鋰）+石墨負(fù)極的配方，從2020年開始調(diào)整為高鎳三元正極+硅氧負(fù)極，這樣預(yù)期到2025年能夠達(dá)到接近900Wh/L的體積能量密度，同時能夠保持良好的安全性。輝能也表示目前330Wh/kg、850-880Wh/L的能量密度在實驗室中已經(jīng)可以實現(xiàn)，但因為成本的因素目前還不能量產(chǎn)。
產(chǎn)量方面，2020年七月，輝能大陸區(qū)總部及全球產(chǎn)業(yè)基地項目落地杭州臨安區(qū)，并宣布分兩期建設(shè)2GWh、5GWh的固態(tài)鋰陶瓷電池芯產(chǎn)業(yè)化項目，并同時將考慮與車企合資建置產(chǎn)線，預(yù)計2023年四季度兩期產(chǎn)量全部建成。此前，輝能分別在桃園建設(shè)了40MWh、1GWh的G1和G2廠產(chǎn)量。
圖9｜輝能科技（半）固態(tài)電池產(chǎn)品能量密度規(guī)劃路線圖（圖片來源：第一電動）
贛鋒鋰業(yè)
2017年，贛鋒鋰業(yè)引入中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員許曉雄團(tuán)隊，成立浙江鋒鋰新能源科技有限公司，切入固態(tài)電池研發(fā)。2021年四月，贛鋒鋰業(yè)披露公司第一代固態(tài)電池做了中試線，設(shè)計產(chǎn)量為0.3GWh，目前正在開發(fā)第二代基于高鎳三元正極、含金屬鋰負(fù)極的固態(tài)電池，能量密度超過350Wh/Kg，循環(huán)400次。
豐田
豐田是全球最早進(jìn)入固態(tài)電池研發(fā)的公司，可追隨到2004年，目前在固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)積累了超過1000項專利，遙遙領(lǐng)先于其他公司或組織。2019年，豐田宣布與松下合作開發(fā)固態(tài)電池，并于當(dāng)年展示了固態(tài)電池樣品。2020年，豐田宣布將推出搭載硫化物固態(tài)電池的車型，最早可能于2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。在今年舉辦的東京奧運會上豐田有可能展示其最新成果。
三星電子
2020年三月，三星電子旗下SamsungAdvancedInstituteofTechnology（SAIT）在NatureEnergy期刊發(fā)表固態(tài)電池研究進(jìn)展論文，提出了一種以銀-碳復(fù)合薄層作為負(fù)極、以硫化物材料為固體電解質(zhì)，以高鎳三元材料為正極的新型電池材料體系，在無過量鋰添加的條件下，這種容量0.6Ah的原型電池實現(xiàn)了超過900Wh/L的體積能量密度，超過99.8%的庫倫效率，以及長達(dá)1000次的循環(huán)壽命。
在這種新型的電池材料體系中，銀-碳復(fù)合層作為負(fù)極或者說金屬鋰與固體電解質(zhì)之間的過渡層，有關(guān)循環(huán)充放電的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵用途。單純使用碳或者銀都達(dá)不到二者協(xié)同的效果。在首次充電后，金屬鋰穿過銀-碳層沉積在負(fù)極，少量的鋰和銀結(jié)合成銀鋰合金，并分布于過渡層及鋰層內(nèi)，對鋰層的致密規(guī)整化有積極用途。放電后，鋰層完全消失，金屬鋰回歸正極。經(jīng)過多次循環(huán)后，銀在復(fù)合負(fù)極中的位置向負(fù)極集流體富集，電池的循環(huán)性能得到保持。
目前這種新型電池的室溫和低溫性能相比于傳統(tǒng)鋰離子電池仍有很大差距，且高昂的材料成本是規(guī)模化應(yīng)用的阻礙，后續(xù)仍需大量工作。
圖10｜三星電子設(shè)計的基于Ag-C復(fù)合負(fù)極材料的新型固態(tài)電池（圖片來源：Leeetal.,High-energylong-cyclingall-solid-statelithiummetalbatteriesenabledbysilver–carboncompositeanodes,NatureEnergy,2020）
QuantumScape
QuantumScape是一家專門做金屬鋰固態(tài)電池的美國公司，2010年公司從斯坦福大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化而來，創(chuàng)始人包括JagdeepSingh、斯坦福大學(xué)教授FritzPrinz、斯坦福大學(xué)研究員TimHolme。該公司于2020年十二月在紐約證券交易所上市，成為全球固態(tài)電池行業(yè)第一股。
QuantumScape目前擁有固態(tài)電池相關(guān)專利技術(shù)200+，超過250名員工，總?cè)谫Y額超過了15億美金。大眾集團(tuán)在2018年、2020年分別向其投資1億和2億美金，并與其成立合資公司。該公司其他知名投資人還包括比爾·蓋茨、大陸集團(tuán)、BreakthroughEnergyVentures、上汽集團(tuán)、Lightspeed、KhoslaVentures、KPCB等等。
QuantumScape開發(fā)的是基于100%固態(tài)陶瓷電解質(zhì)（solid-stateceramicseparator）的鋰金屬固態(tài)電池。QuantumScape公開披露的測試數(shù)據(jù)表明該電池：1）可支持快充，15分鐘可以充滿80%；2）具有良好的循環(huán)壽命，單層電池循環(huán)1000次依然能夠保持80%以上的容量，多層電池可循環(huán)800次并保持約80%容量；3）在零下30攝氏度的低溫環(huán)境中也能保持一定運行狀態(tài)。
目前QuantumScape給出的相關(guān)數(shù)據(jù)還是基于電池片原型，并非電芯cell，距離裝車還有較遠(yuǎn)的距離，根據(jù)公司的量產(chǎn)規(guī)劃，預(yù)計最早實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)裝車是在2026年前后。
根據(jù)中金公司的解讀，QuantumScape的固態(tài)電池技術(shù)路線極有可能是氧化物體系下的石榴石狀復(fù)合氧化物固態(tài)電池，電解質(zhì)體系為鋰鑭鋯氧（LLZO）。這種材料是固態(tài)電解質(zhì)中對金屬鋰負(fù)極適配性較優(yōu)的體系，可以做成隔膜產(chǎn)品，但同時也有高界面阻抗等缺點，且制造工藝復(fù)雜。因此，鋰鑭鋯氧電池單體從理論性能上具備一定的實用性，但距離量產(chǎn)還有很長的距離。
圖11｜QuantumScape發(fā)展里程碑（圖片來源：AnalystDay,QuantumScape,2020.10）
圖12｜QuantumScape生產(chǎn)的基于陶瓷材料的固態(tài)隔膜與單層電池片示意圖（圖片來源：BatteryShowcase,QuantumScape,2020.12）
圖13｜QuantumScape量產(chǎn)規(guī)劃：大規(guī)模量產(chǎn)裝車最早可能在2026年（圖片來源：AnalystDay,QuantumScape,2020.10）
SolidPower
SolidPower于2012年成立于美國科羅拉多州，從科羅拉多大學(xué)Boulder分校衍生出來，重要生產(chǎn)基于硫化物固體電解質(zhì)的全固態(tài)電池。SolidPower就全固態(tài)電池開發(fā)與寶馬、福特開啟了深度合作伙伴關(guān)系。同時該公司還獲得了來自三星、現(xiàn)代、福特、VoltaEnergyTechnologies、Solvay等產(chǎn)業(yè)方的投資。目前公司在科羅拉多州路易維爾市擁有MWh產(chǎn)量的電池生產(chǎn)線。
2020年十二月，SolidPower披露了該公司研發(fā)的22層20Ah、能量密度達(dá)到330Wh/Kg的全固態(tài)金屬鋰離子電池進(jìn)入量產(chǎn)。按照規(guī)劃，2022年能量密度將提升到400Wh/Kg。根據(jù)最新的測試數(shù)據(jù)，SolidPower的2層原型電池在室溫下（29攝氏度）可循環(huán)超250次，10層2Ah原型電池在室溫下可循環(huán)超30次。
SolidPower宣稱其研發(fā)的全固態(tài)金屬鋰離子電池可以利用現(xiàn)有的鋰離子電池產(chǎn)量進(jìn)行生產(chǎn)制造，時間規(guī)劃上，最早將于2022年進(jìn)行上車測試，搭載其固態(tài)電池的量產(chǎn)車型最早可能在2025年開始生產(chǎn)。
圖14｜SolidPower最新固態(tài)電池公布（圖片來源：SolidPowerCompanyUpdate）
圖15｜SolidPower固態(tài)電池測試數(shù)據(jù)（圖片來源：SolidPowerCompanyUpdate）
展望固態(tài)電池的未來
回顧可充電鋰離子電池的發(fā)展簡史，從StanleyWittingham在1970年代首次提出可充電鋰離子電池概念，并采用金屬鋰作為負(fù)極、層狀硫化物（二硫化鈦）作為正極，到JohnGoodenough在1970年代末1980年代初改進(jìn)正極材料為層狀氧化物（鈷酸鋰）、吉野彰1980年代開創(chuàng)可嵌入鋰離子的富碳材料作為負(fù)極，再到1991年索尼公司公布首個商用可充電鋰離子電池，鋰離子電池的研發(fā)跨度橫跨幾十年，且在此之后在科研和工業(yè)界的聯(lián)合推動下仍不斷迭代，直到我們今天熟悉的現(xiàn)狀。
圖16｜早期鋰離子電池研發(fā)里程碑（圖片來源：Xie&Lu,Aretrospectiveonlithium-ionbatteries,NatureCommunications,2020）
固態(tài)電池的出現(xiàn)是鋰離子電池研發(fā)的延續(xù)，從鋰離子電池的研發(fā)簡史可以推斷，固態(tài)電池的研發(fā)也將經(jīng)歷以十年為單位的技術(shù)探索、試錯、迭代、優(yōu)化，這不是一件一蹴而就的易事。鋰離子電池的研發(fā)成功集成了全世界幾代優(yōu)秀科學(xué)家的成果，又因為消費電子、電動汽車、儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。固態(tài)電池也必定離不開全世界科研與工業(yè)界的相互融合，迎著碳中和時代的新需求，共同向前人的成果發(fā)起挑戰(zhàn)。
目前看來，從鋰離子液態(tài)電池向全固態(tài)電池的過渡依賴技術(shù)的迭代，中間將會出現(xiàn)半固態(tài)或混合固態(tài)電池，液態(tài)電解質(zhì)可能將作為固態(tài)電解質(zhì)的補充而非直接被全部替代，穩(wěn)定的復(fù)合材料而非金屬鋰作為負(fù)極短時間內(nèi)可能更為現(xiàn)實。固態(tài)電池應(yīng)用領(lǐng)域的滲透有可能依次遵循特種設(shè)備、消費鋰電、動力鋰電的路徑。
固態(tài)電池不同的研發(fā)技術(shù)路線還沒有明顯的勝負(fù)之分，在一段時間內(nèi)，采取不同技術(shù)路線的固態(tài)電池研發(fā)都將持續(xù)（例如不管是采用哪種材料體系的固體電解質(zhì)），并都有機(jī)會成為下一代電池技術(shù)的核心。
當(dāng)下，液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)依然保有極其旺盛的生命力，到2025年前，液態(tài)鋰離子電池仍是市場主角?？赡茏钤缭?023年前后，半固態(tài)電池將逐漸進(jìn)入市場，且因為量產(chǎn)有限成本高企僅在對能量密度要求較高的高端車型上出現(xiàn)，之后的5-7年時間是半固態(tài)電池向全固態(tài)電池進(jìn)化的關(guān)鍵期，2030年前后全固態(tài)電池可能將較為普及（這里具體時間不是絕對的，或許隨著技術(shù)的爆發(fā)成熟期更早到來，僅供參考）。
2030年及之后，全固態(tài)電池可能將極大程度消解消費者對新能源汽車的里程焦慮問題。且隨著充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的普及，純電動汽車相比于燃油車和混合動力車型也將更加有競爭力，并有可能在此基礎(chǔ)上走向純電動汽車對燃油汽車的完全替代。這是人類全面邁向碳中和時代的關(guān)鍵一步。
特別致謝
感謝吳凡老師對本文的技術(shù)指導(dǎo)意見。吳凡老師現(xiàn)任我國科學(xué)院物理研究所特聘研究員、博士生導(dǎo)師，我國科學(xué)院物理研究所長三角研究中心科學(xué)家工作室主任，天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院首席科學(xué)家。他的重要研究方向為全固態(tài)電池及固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。
有關(guān)絡(luò)繹知圖
絡(luò)繹知圖是集科技數(shù)據(jù)、智能分析、學(xué)術(shù)服務(wù)于一體的科技大數(shù)據(jù)平臺，以透視未來的科技本質(zhì)為使命，面向?qū)W者、高校、科研機(jī)構(gòu)以及從事科研成果轉(zhuǎn)化的相關(guān)群體，供應(yīng)研究型數(shù)據(jù)庫、分析工具、學(xué)術(shù)會議、學(xué)術(shù)社區(qū)等功能，并通過媒體傳播原創(chuàng)研究有效放大學(xué)術(shù)研究的影響力。
上一篇：氫電VS鋰電，未來誰更牛？
