高能量密度電池日益受寵

當前三元電池產品成熟度、市場滲透率比較高，推廣起來相對容易，受到國內電池公司青睞。但毋庸置疑，未來固態電池會爆發出強大的替代力，顛覆動力鋰電池產業格局。

自從能源車補貼與能量密度直接掛鉤后，提升動力鋰電池能量密度就成為動力鋰電池公司贏得市場的重要“籌碼”。從今年新公布的七批推薦車型目錄來看，不管是新能源客車，還是新能源乘用車，搭載電池能量密度均大幅提升，拿到1.2倍補貼車型占比已超過60%，動力鋰電池正朝著高能量密度的方向發展。

只不過，按照此前四部委公布的《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》中提到的動力鋰電池能量密度的關鍵指標和完成的時間節點，到2020年鋰離子動力鋰電池單體能量密度要做到300Wh/kg，系統能量密度要做到260Wh/kg。從目前情況來看，絕大部分電池公司僅完成該指標的1/2不到，還需苦心鉆研。

受此影響，包括比亞迪、CATL、力神、沃特瑪等紛紛出臺自己的“三元計劃”。華東鋰電技術研究所研究員劉鍇表示，“走三元路線實現300Wh/kg能量密度目標是可行的，目前日亞化學三元電池能量密度可做到330Wh/kg，而用于特斯拉的松下的三元電池已經可以做到252Wh/kg，國內三元電池仍有較大潛力可挖”。

鑒于能量密度還有很大提升空間，三元電池成為主流技術路線趨勢已不可逆轉。但時至今日，困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決，就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不斷，今年僅國內就有兩輛ModelS發生嚴重起火事件，三元電池的安全性仍然受到大家的質疑。

既然如此，有沒有能量密度和安全性兼具的電池技術路線呢？答案是肯定的，那就是固態電池。業內普遍共識是，固態電池在繼承傳統電池優點的基礎上，安全性、能量密度都有大幅進步，特別是充電時間可縮短至幾分鐘。近日，豐田更宣布研發全固態電池電動汽車，最快將于2022年上市，在業內引起巨大反響。

豐田宣布2022推出固態電池電動汽車

未來為何是固態電池？

里程焦慮是困擾新能源汽車規模推廣的首要難題，未來關于動力鋰電池能量密度的要求只會越來越苛刻。目前新能源客車重要使用的是磷酸鐵鋰離子電池，雖然安全性有保障，但現在磷酸鐵鋰離子電池能量密度普遍在115Wh/kg，即使是比亞迪這樣的磷酸鐵鋰龍頭公司，能量密度也只能做到150Wh/kg，且已經接近極限值。

業內普遍認為，未來三年內三元電池必將完成對磷酸鐵鋰離子電池的替代，磷酸鐵鋰離子電池最終會退出新能源車市場。近日，特斯拉宣布摒棄此前所使用的18650三元電池，開始采用尺寸更大、能量密度更高的21700電池。按照特斯拉的說法，能量密度可提升20%，這也意味著三元電池系統能量密度已突破300Wh/kg。

從技術潛力角度來看，通過走三元路線實現300Wh/kg能量密度目標切實可行，但是能量密度提升的過程相對困難。三元電池目前的能量密度在200Wh/kg左右，其極限能量密度大約為350Wh/kg，提升空間非常有限。按照能量密度時間節點，2025年動力鋰電池單體能量密度要做到500Wh/kg，三元路線達不到。

固態電池能量密度提升，從理論上講更具可行性。首先固態鋰離子電池電壓平臺提升，固態電解質比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口，有利于提升電池的能量密度；二是固態電解質能阻隔鋰枝晶生長，材料應用體系的范圍也大幅提升，為具有更高能量密度空間的新型電池技術奠定基礎。

三星與麻省理工合作研發的固態電池

當前，固態鋰離子電池已在較小范圍內有應用，能量密度約400Wh/Kg，預估其最大能量密度值為900Wh/Kg，有超過100%的提升空間。我國工程院院士陳立泉曾表示，“固態電池的能量密度遠超三元電池。動力鋰電池關鍵在于成本、能量密度和安全性，要達成500Wh/kg能量密度目標，只有固態電池可勝任”。

再來說安全性，近年來國內外多次出現新能源汽車自燃事故，新能源汽車的安全性越來越受關注。原因就在于當前三元電池的電氣安全、功能安全、化學安全、機械安全方面控制仍未完善。三元電池液態電解質易燃易爆，長期使用易觸發“熱失控”，在充放電過程中鋰枝晶生長容易刺破隔膜，引起電池短路，造成安全隱患。

但固態電池則沒有這樣的煩惱，其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、無漏液，同時固態電池在大電流下工作不會因出現鋰枝晶刺破隔膜而導致短路，不會在高溫下發生副反應出現氣體發生燃燒，因此搭載固態鋰離子電池汽車的自燃概率會大大降低。所以，安全性也被認為是固態電池發展的最根本驅動力之一。

相同容量下固態電池體積更小

除此之外，固態電池體積更小、更輕薄，而且可以根據實際需求調整電池的形狀。因此純電動汽車的電池布局可以更靈活，也不會過分侵占車內空間；同時也不必像三元鋰離子電池那樣涉及復雜的熱管理系統，可以大幅節約成本；重量大幅減少（相同容量下約為三元電池組重量的1/3），車身輕量化的目標可以更容易實現。

都有誰在布局固態電池？

早在2012年，蘋果公司就將固態電池納入了自己的專利體系，時至今日已有不少研究機構和公司在固態電池領域展開布局。此前寶馬方面稱，公司正在研發將固態電解質代替現有的電解液，更輕、更安全、密度更高的固態電池，計劃于2026年量產。現如今，豐田有望將固態電池的量產時間提前四年。

外媒七月二十五日報道，豐田公司正致力于新型電動汽車動力鋰電池的研發，將大幅新增續航里程，并實現快速充電。據悉，該款搭載固態電池的電動汽車基于全新生產平臺打造，最快將于2022年上市。豐田為何會選擇固態電池呢？很大原因是豐田早在2010年就已經開始推出固態電池，2014年其實驗室能量密度已達400Wh/kg。

寶馬宣布2026年量產固態電池

豐田發言人表示，“目前為止，在所有新形態的電池中，固態電池被認為是最接近量產級別的。我們正在進行相關技術的研發，包括固態電池的量產工藝，希望能在2020年將其實現商業化。”不過，豐田能否率先實現固態電池的量產，并憑借這一技術完成對日產和特斯拉的彎道超車，目前還不能確定。

有證券分析師認為：“固態電池從實驗室研究成果到實現量產還有很長的路要走，從現在起到2022年，還存在許多變數，豐田的固態電池汽車能不能按時出來還是未知數。”然而這并沒有影響到大家關于發展固態電池的信心和決心。截至目前，國內已有不少研究機構和公司將目光瞄準固態電池領域。

據了解，目前國內從事固態電池研究的機構和公司就有中科院化學所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所、寧德時代新能源、上海空間電源研究所、中航鋰電、珈偉股份、橫店東磁、臺灣輝能等，并在某種程度上取得了不小的突破，甚至已經完成實驗室驗證并有小部分公司實現了小規模產業化。

譬如中科院青島能源所就表示，其開發的大容量固態聚合物鋰離子電池“青能I號”已完成深海科考，其能量密度超過250Wh/kg，500次循環容量保持80％以上，在多次針刺和擠壓等苛刻測試條件下保持著非常好的安全性能；如今“青能II號”也已經研發成功，能量密度高達300Wh/kg，尚未投入推廣及應用。

電池公司方面，CATL稱在固態鋰離子電池（鋰硫電池、聚合物電芯）均取得突破，其重要研發方向是硫化物電解質，采用正極包覆方法，解決了界面反應問題，熱壓方式降低了界面電阻。CATL設計制造的容量為325mAh的聚合物電芯，高溫循環性能表現良好。CATL已完成固態電池的技術布局，只不過同樣未投入推廣。

此前，德克薩斯州大學奧斯汀分校工程學院94歲教授JohnGoodenough，帶領工程師團隊已開發出首個固態鋰離子電池，這種電池具有低成本、全固態、非易燃、長壽命、高體積能量密度、快速充放電等優點。Goodenough表示，“我們相信，我們的這項發明解決了現今的電池中的許多固有的問題”。

固態電池離我們有多遠？

上海空間電源研究所湯衛平博士表示，雖然目前有不少公司宣稱自己已經做出了全固態電池，但大多不是真正意義上的全固態電池，“噱頭”的嫌疑很大，成熟的固態電池產品推出至少要5-10年的時間。“未來5年內，固態電池仍然難以形成產業化，鋰離子電池依然會是主流路線。”事實上，距離豐田固態電池電動汽車推出剛好還有五年時間。

盡管諸多光環纏身，固態電池其實并非完美，其最大的缺點就是采用固態電解質替代傳統電解質后，導致電導率低，高倍率放電性能極差。原因就在于鋰離子的固態擴散速度比在溶液里擴散慢得多。因此，目前固態電池還只能應用在小電流的設備中，同時想要實現快充的功能也會比較困難。

劉鍇認為，要想提升固態電池電導率，關于固態電解質材料的選擇尤為重要。“我們采用硅鈦納米管來做固態電解質的材料，在涂布后就可以有效減少內阻，從而提升固態電池的電導性及高倍率放電性。不過這種電解質材料也有弊端，就是壽命上不能保證，還要在后續的研究中加以完善。

此前特斯拉電池組價格也非常高

與此同時，生產成本高也是固態電池不被看好的原因。這也是為何特斯拉和松下要孜孜不倦的搗鼓三元鋰離子電池，甚至還引導著三元電池體系從18650直接進入到21700，這也吸引著寧德時代、比亞迪、LG化學和三星SDI這些主流動力鋰電池廠家，紛紛加入三元鋰離子電池研發陣列，甚至還引發了21700電池風潮。

只不過，固態電池成本高昂跟其產業化的深度有關。目前固態電池只適用于小眾的應用領域，其生產、使用的成本確實會非常高，但隨著固態電池的逐步產業化，其成本降低也是水到渠成的事情。舉個例子，當初特斯拉電池組的價格曾經達到1200美金/KWh，短短幾年的時間內已經下降到了180美金/KWh左右。

從理論的提出時間來看，固態電池并不是全新的概念。但多年來，研發上的進展并沒有想象那么快速。業內人士認為，即便最終能做到成本上的降低，電池從實驗室到最終的量產也要不短的時間。正如液態鋰離子電池，在上世紀70年代，相關理念和實驗認證就在齊頭并進地推進，但真正大規模使用已是20世紀末。

未來，新能源汽車的健康與規模化推廣應用很大程度上取決于高安全性、高續航里程的動力鋰電池的支撐力度。當前，新能源汽車動力鋰電池技術受到國家政策、外部競爭的雙重壓力的驅動，這就要求現有電池公司既要關注三元電池技術的持續提升，同時也要加速全固態鋰離子電池或新型動力鋰電池的技術儲備。

總的來說，經過固態電池和三元電池在能量密度、安全性、輕量化等方面的比較，固態電池具有絕對的優勢，但三元電池產品成熟度、市場滲透率比較高，目前推廣起來也會相對容易，因此國內公司不約而同選擇了三元路線。但毋庸置疑，未來固態電池會爆發出強大的產品替代力，顛覆動力鋰電池的產業格局。