1、固態電池引起市場廣泛關注

近日，ChargeCCCV（C4V）宣布已研發出固態電池原型，其固態電池容量達到380Wh/kg和700Wh/L，進一步優化有望達到400Wh/kg和750Wh/L，公司計劃于2019年第二季度商用。無獨有偶，9月14日，電池技術公司-QuantumScape獲得了大眾投資的1億美元，兩家公司共同成立合資公司，希望在2025年前將固態電池技術推向市場。通過該項投資，兩家公司成立了合資公司，計劃到2025年前將固態電池技術推向市場。。根據豐田披露的全固態電池框架，其計劃于本世紀20年代初實現商業化。現代、三星風投、美國電池制造商A123等投資了全固態電池（ASSB）開發商SolidPower2000萬美金。

我國上市公司贛鋒鋰業也已完成第一代固態鋰電池研發中試線項目，送檢的兩只固態鋰電池放電容量分別為12.99Ah和13.20Ah，25oC時，能量密度分別為244.33Wh/kg和248.09Wh/kg。充電倍率/放電倍率=5C/5C，25oC時，送檢的兩只固態鋰電池的充電容量分別為12.10Ah和12.23Ah，放電容量分別為10.02Ah和10.22Ah，放電容量分別可達到0.1C倍率下的77.1%和77.4%。送檢的兩只固態鋰電池循環1010次后，放電容量保持率分別為90.1%和90.3%。

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長等優點，但隨著能量密度的提高，其安全問題日益突出，研究固態電池技術也成為解決電動汽車安全性問題路徑之一。國內外車企、電池公司、初創公司均已將固態電池作為研發重點之一。

2、固態電池優點

電池自燃是電動汽車起火事故的重要原因。自燃的原因在于鋰電池的熱失控，而液態電解液在高溫下容易被點燃，導致電動汽車事故。雖然業界已經采取優化BMS、添加阻燃性等不斷改善電池熱穩定性，但是依然無法解決電池自燃問題。

固態電池是采用固態電解質的鋰離子電池，全固態鋰電池結構里沒有氣體和液體，材料均以固態形式存在，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將大大降低自燃概率。

正極材料容量需要充電至高電壓才能脫出更多的鋰，鈷酸鋰的電解質溶液可以充電到4.45V，三元材料可達到4.35V，而固態電解質可達到5V，有利于其在高電壓型電極材料中的應用。固態電解質有利于提升電池系統的能量密度。

高容量與高電壓的特性，讓金屬鋰負極材料的理想材料之一。鋰金屬的克容量為3860mAh/g，約為石墨（372mAh/g）的10倍。同時，金屬鋰即是自然界電化學勢最低的材料，同時其本身就是鋰源，使得正極材料選擇性更多，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣，對應為鋰硫和鋰空電池，其理論能量密度接近當前電池的10倍。由于固態電解質將正極與負極材料隔離開，不會發生鋰枝晶刺破隔膜導致短路的情形。鋰金屬材料將在固態電池平臺上率先應用。

固態電池不再需要嵌鋰材料，可以直接用鋰金屬作為負極材料，將減輕負極用量，同時固態電池不再需要液態電解液，其重量將進一步減輕并提高能量密度。

3、固態電池核心：電解質材料

目前固態電解質的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。電解質的功能在于為電池鋰離子提供傳輸通道。如果鋰離子導電率低，意味著鋰離子導電率低意味著電解質導鋰能力差。鋰離子不能順利在電池正負極之間運動。傳統液態電解質比任意固態電解質類型的離子電導率都要高。

電極的界面處理也是固態電池目前面臨的一大難題。在固體電解質中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質體積的變化容易破壞界面的穩定。此外，在固態鋰電池中，除了電解質和電極之間的界面，電極內部還存在復雜的多級界面，電化學以及形變等因素都會導致接觸失效影響電池性能。

固態電解質中聚合物電解質屬于有機電解質，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質。

聚合物體系屬于有機固態電解質，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。目前研究較多的聚合物固體電解質是PEO(聚環氧乙烷)及其衍生物絡合鋰鹽類聚合物電解質。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導率，且加工性能好。但該類電解質在室溫下離子導電率低，同時與金屬鋰負極相容性較差的問題嚴重限制了其發展。

無機固態電解質可以分為氧化物體系與硫化物體系，室溫下無機材料的鋰離子電導率在更高，但界面電阻高于聚合物體系。氧化物體系又可以進一步分為薄膜型與非薄膜型。縮短鋰離子流動的傳導距離，可以減少電阻，使電解質變薄可以一定程度上提高離子傳導率。但薄膜化也限制了電池容量的提升。薄膜型產品電導率大于非薄膜型，但是非薄膜型電導率依然高于聚合物電解質。非薄膜型生產成本低，各項指標較為均衡。

從上面可以看到固體電解質中硫化物電解質電導率最高，室溫下與液態電解質相差無幾，同時也有可能率先實現快充快放。其生產環境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，防止氧化并遇水產生有害氣體。硫化物在充電過程中體積會發生變化，惡化了電極與電解質界面接觸，導致較大的界面電阻，較大的體積變化會惡化其與電解質之間的界面。

4、固態電池發展趨勢

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。如，本文開始提到的C4V固態電池原型就是使用了固體電解質來替代80％以上的液體電解質，因此其并不屬于全固態電池。

根據《中國制造2025》確定的技術目標，鋰電池能量密度要在2020年到300Wh/kg，2025年達到400Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。顯然，新能源汽車產業中長期發展需要新的技術儲備，全固態鋰電池則有望成為下一代車用動力電池主導技術路線。

目前，動力電池全球化競爭日益激烈，雖然中國企業在本輪競爭中占據了市場規模優勢，但歐美、日韓等企業已經在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。中國企業也應該關注固體電池發展的問題，積極搶占未來發展的制高點。