電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
近年來，不少汽車廠商都透露過基于固態電池打造電動車的計劃。例如Fisker申請固態鋰電池專利，最高續航800km，充電1分鐘、大眾計劃研發續航1000km固態電池等新聞屢見不鮮。這背后的黑科技固態電池究竟有哪些能耐？離實際使用還有多遠？我們就來詳盡聊一下固態電池的現狀和前景。
●依據電解質的不同可分為液態、半固態、準固態、全固態四大類。
●現有體系的鋰電池能量密度很難沖破300Wh/kg，基于安全和能量密度上的優點，固態電池已成為將來鋰電池發展的必經之路。
●準固態電池將以聚合物復合電解質為主，薄膜固態電池以氧化物復合電解質為主，全固態電池以硫化物復合電解質為主。
●目前快充型電池緊要在客車范疇使用較多，將來快充型動力鋰離子電池的消費結構將會向用車、專用物流車偏移。
一、固態電池是什么優勢
目前，動力鋰離子電池全球化競爭日益猛烈，雖然我國公司在本輪競爭中占據了市場規模優點，但歐美、日韓等公司已經在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。有不少專家呼吁提議，應當關注固體電池發展的問題。盡管目前固態電池還多處于實驗階段，離走向產業化還有一按時間。但為了搶占將來發展的制高點，各公司對固態電池的研發已快馬加鞭，市場需求或推動固態電池量產提前。
按照《我國制造2025》確定的技術目標，2020年鋰電池能量密度到300Wh/kg，2025年能量密度達到400Wh/kg，2030年能量密度達到500Wh/kg。但是基于高鎳三元+硅碳負極材料，現有體系的鋰電池的能量密度很難沖破300Wh/kg。而固態鋰電池的能量密度約莫為傳統鋰電池的2.53倍，且杜絕了電池破碎或高溫等意外帶來的燃燒隱鋰電池患。
全固態鋰電池具有極高的安全性，其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現象，搭載全固態鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。
電解質材料是全固態鋰電池技術的核心，目前固態電解質的研究緊要聚集在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經有商業化的使用案例；氧化物循環性能良好，適用于薄膜柔性結構；硫化物電導率最高，是將來緊要方向。
既然固態電池有這么多優勢，為甚么沒有大力推廣呢？這是因為固態電解質具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待處理的問題，要從固態電解質、正負極材料上著手。電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰，一旦這些問題能夠有效處理，必將在將來掀起一場新的電池革命。
總體來看固態電池的發展，電解質可能遵循從液態、半固態、固液混合到固態的路徑發展，最后到全固態。筆者認為，2020年前采用高鎳正極+準固態電解質+硅碳負極實現300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態電解質+硅碳/鋰金屬負極電池實現400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實現500Wh/Kg。
二、全球產業加速布局
目前，全球范圍內約有20多家制造公司、初創公司和高校科研院所致力于固態電池技術。2017年，關于固態鋰電池分別有1198篇文獻與117篇專利。其中鋰電池廠家1096篇文獻聚集在金屬鋰負極、固態電解質，以及固態電解質與正負極界面等基礎問題研究，其他有102篇文獻探討了固態鋰電池的組裝及相關探測結果，以硫系和氧化物電解質的固態鋰電池居多。文獻方面，我國發表的數量占據第一位，國際發明專利方面則是日本占據一半以上。
●法國Bollore
法國博洛雷集團（Bolloré）從2011年就開始嘗試固態電池在電動車范疇的商業化，其自主研發的電動車Bluecar搭載了子公司Batscap加工的30kWh金屬鋰聚合物電池，續航為120km。約莫有2900輛Bluecar投放到了巴黎汽車共享服務項目Autolib，這也是國際上第一個采用固態鋰電池的電動車案例。
BatScap選擇全固態中的聚合物技術路線，正極材料采用LFP，負極材料采用金屬鋰，電解質采用聚環氧乙烷（PEO），但其Pack能量密度僅為100Wh/kg，且工作溫度要求60~80℃，非得繼續將電池加熱至60°C以上來維持電池內部的導電能力。
●德國博世+美國SEEO
成立于2007年的SEEO是美國勞倫斯伯克利國家試驗室唯一授權擁有核心專利的電池公司，2015年博世（BOSCH）收購美國SEEO，并與日本GSYUASA（湯淺）公司、三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態陽極鋰電池。當時SEEO開發的固態電池就已實現350Wh/kg的能量密度，約是同等體積鋰電池的兩倍能量。但在2018年初，由于博世的戰略變化，不再自行加工電池，也就宣告放棄對SEEO的投入。
●英國戴森+美國Sakit3
美國Sakti3創辦于2008年，號稱開發出了能量密度達到1000Wh/kg的固態電池，并稱將來實現商業化量產之后，成本惟有當前鋰電池的20%，可以把搭載其電池的電動車成本控制在2.5萬美元。2015年Sakti3被戴森以9000萬美金的價格全資收購，之后戴森宣布投資14億美元建造電池廠，發展固態鋰電池技術。
戴森計劃在2020年量產首款電動車產品，電池包為一種可拆卸的盒式固態電池包，安裝在傳統燃油車發動機艙的位置。
●日本38家機構聯合研發全固態鋰電池
2018年六月，日本經濟產業省與日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）宣布啟動新一代高效電池全固態電池核心技術的開發。該項目預計總投資100億日元（約合5.8億元人民幣），豐田、本田、日產、松下等23家汽車、電池和材料公司，以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究，計劃到2022年全面掌握全固態電池相關技術，到2030年前后將每千瓦時電池包的成本降至鋰電池的三分之一左右，將快速充電時間也鋰電池縮短至三分之一（10分鐘）。
其中，豐田被認為現階段硫化物固態電池龍頭。其2010年就推出硫化物固態電池，2014年該電池試驗原型能量密度達到400Wh/kg。2017年十二月，豐田聯合松下對外宣布將共同開發全固態電鉅大鋰電池。依據規劃，豐田將在2020年實現硫化物固態電池的產業化。
三、國內公司蓄勢待發
我國固態鋰電池處于基礎研發階段，清華大學、北大深圳研究院、電子科大、國防科大、中科院物理所、化學所、寧波材料所、青島能源所、上海硅酸鹽所等單位已開始固態鋰電池關鍵材料、固態鋰電池制造裝備及電芯制造技術的研發。同時，國內鋰電池材料及電芯優點公司，如寧德時代、比亞迪、中航鋰電、貝特瑞、力神、贛鋒鋰業等，也已開始布局固態鋰電池技術開發。
●寧德時代
寧德時代投入固態電池研發已有幾年時間，在聚合物和硫化物基固態電池方向分別開展了相關的研發工作。其招股說明書中聲明，下一代電池研發重點就是全固態鋰電池。但從官方解析的情況來看，離商業化依然比較遠。在制造工藝方面，寧德時代初步提出以下工藝路線：正極材料與離子導體的平均混合與涂覆；經過一輪預熱壓，形成繼續的離子導電通道；經過二次涂覆LPS之后，再進行熱壓，全固態化之后可以去掉孔隙；再涂覆緩沖層后與金屬鋰復合重疊。
●比亞迪
比亞迪2016年中期業績會議透露，公司認為固體電池將是鋰電池將來的方向，已經在嘗試小規模使用，并確定將在將來10年，最快5年內供應當類型產品。2017年八月，比亞迪申請了一種全固態鋰電池正極復合材料及一種全固態鋰電池的發明專利。
●國軒高科
國軒高科固態電池的研發緊要在海外進行，2018年二月，國軒高科透露正在美國和日本分別開發下一代動力鋰離子電池加工技術工藝與加工設備，相關產品將使用半固態電池技術。目前，國軒高科半固態電池技術已處于試驗室向中試轉換階段，計劃2019年建設中試線。
●贛鋒鋰業
2017年八月，贛鋒鋰業通過引進寧波材料所的固態電池博士團隊，正式切入固態電池板塊，目標在3年內實現固態電池產業化。隨后，贛鋒鋰業通告稱將投資2.5億元，于2018年底建成億瓦時級第一代固態鋰電池加工線，并實現送樣；在2019年十二月完成3億元固態電池銷售，并分別推動二代固態鋰電池技術成熟，實現三代固態鋰電池可研。依據測算，贛鋒鋰業加工的第一代固態鋰電池電芯的能量密度可達240Wh/kg，按照單車500kg電池包估算，80kWh的電量可以實現480km的續航，且千次循環后最大電量仍有90%，充電僅需12分鐘洋溢。
●珈偉股份
2017年十二月，珈偉股份子公司珈偉龍能公布了其首款快充類固態電池產品。珈偉龍能科技具備一期1億Wh高性能動力鋰離子電池，采用類固態快充技術；2018年二期擬再次投產2GWh電池產能。公司加工的電池正極采用改性的鐵鋰和三元，負極則使用鈦酸鋰和納米化的石墨。然而，珈偉股份公布的電池與全固態電池技術不甚相同，此次珈偉股份加工的類固態電池為凝膠狀（類固態）電池，采用了隔膜，非完全意義的固態電池。
全文總結：
從全球范圍來看，全固態電池預計會在2020年到2025年開始批量使用。在這個過程中，還有很多的基礎科研和工藝技術問題要沖破，今朝展示了一個希望，從綜合指標上看，還不能滿足動力鋰離子電池的技術，希望一步步往前走，逐步改善現有鋰電池兼顧能量密度和安全性方面的挑戰。我國應加大發展固態鋰電池的力度，爭取在將來5年內研發出高能量密度、高安全，且綜合性能優異的固態鋰電池，并推向產業化使用。
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