一、現(xiàn)狀與變革

雖然目前在客車領(lǐng)域磷酸鐵鋰電池享有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，錳酸鋰電池是插電式混合動(dòng)力客車市場(chǎng)的佼佼者，鈦酸鋰電池則更傾向于純電動(dòng)快充類客車，三元電池在純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，鎳氫電池是混合動(dòng)力乘用車的更多選，但動(dòng)力電池一直以來都是制約新能源汽車發(fā)展的瓶頸所在，而且隨著國家對(duì)新能源汽車補(bǔ)貼政策的影響和動(dòng)力電池自身技術(shù)的升級(jí)，這些都將逐步成為歷史。

（一）、國家政策

2017年新能源汽車補(bǔ)貼政策對(duì)電池能量密度的具體要求為：純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，對(duì)高于120Wh/kg的按1.1倍給予補(bǔ)貼；非快充類純電動(dòng)客車電池系統(tǒng)能量密度要高于85Wh/kg；專用車裝載動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg。根據(jù)最新流傳的補(bǔ)貼調(diào)整討論稿，2018年純電動(dòng)乘用車要求動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于105Wh/kg，補(bǔ)貼系數(shù)進(jìn)行重新調(diào)檔，電池包能量密度為105~120Wh/kg的按0.5的系數(shù)補(bǔ)貼，電池包能量密度為120~140Wh/kg的按1倍的系數(shù)補(bǔ)貼，電池包能量密度高于140Wh/kg按1.1倍的系數(shù)補(bǔ)貼；新能源客車要求，系統(tǒng)能量密度不低于110Wh/kg，要想獲得1.2倍補(bǔ)貼，系統(tǒng)能量密度需要達(dá)到140Wh/kg以上；新能源專用車要求，裝載動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度不低于115Wh/kg。

（二）、技術(shù)升級(jí)

目前商用的鋰離子電池，主要問題在于使用液態(tài)/膠狀電解質(zhì)，電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研發(fā)的高電勢(shì)正極材料，從而使能量密度上升存在瓶頸。如果不能進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)，目前的許多新能源車企將求補(bǔ)無望。其次在安全層面，現(xiàn)在所采用的這些鋰離子電池這樣的架構(gòu)還會(huì)造成短路引燃、離子濃度差增大電池內(nèi)阻、電極材料持續(xù)消耗等問題。因此在各種新聞上我們看到有關(guān)電池技術(shù)突破或革命層出不窮，可更多的卻還是停留在實(shí)驗(yàn)室階段，譬如所謂的石墨烯電池，短期內(nèi)批量生產(chǎn)、商用化無望，但從科研院所到生產(chǎn)企業(yè)在尋找動(dòng)力電池新技術(shù)的腳步并未停下，2017年的幾則新聞讓大家開始關(guān)注固態(tài)電池。一則是中國工程院院士陳立泉在談到電池的未來發(fā)展時(shí)表示“如果能量密度進(jìn)一步提高，大于500Wh/kg的話，從現(xiàn)在開始就要考慮固態(tài)鋰電池，以及鋰空氣電池、鋰硫電池等新的電化學(xué)體系探索研究。”第二則是，日本企業(yè)巨頭日立公司研究人員宣布其固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)研發(fā)完成，新一代電池可以抵御外太空極端溫度，并且已經(jīng)將這種電池送到了航天部門和企業(yè)進(jìn)行使用實(shí)踐，聲稱要在三年后的2020年量產(chǎn)上市。第三則是，豐田正在研發(fā)由全固態(tài)電池提供動(dòng)力的電動(dòng)車。該動(dòng)力電池將大大提升電動(dòng)車的續(xù)航里程，并縮短充電時(shí)間。根據(jù)豐田的計(jì)劃，這款電動(dòng)車將于2022年上市銷售。第四則是電動(dòng)汽車制造商菲斯克公司今年申請(qǐng)了一項(xiàng)固態(tài)電池的專利，此項(xiàng)專利將可以實(shí)現(xiàn)1分鐘充滿電。同時(shí)，該公司將于2018年推出此項(xiàng)固態(tài)電池新技術(shù)。第一則是我國的動(dòng)力電池龍頭企業(yè)寧德時(shí)代也已做出表率，在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關(guān)的研發(fā)工作并取得了初步進(jìn)展，并在規(guī)模化生產(chǎn)上提出了初步的工藝路線。所以有專家分析認(rèn)為：固態(tài)電池已經(jīng)舉起了“革命大旗”，未來鋰電池整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì)發(fā)生顛覆性變化。

二、固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電池具有能量密度高、安全性好、循環(huán)能力強(qiáng)（使用壽命長(zhǎng)）和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，界面阻抗過大和成本相對(duì)較高等缺點(diǎn)。

（一）、能量密度高。

液體電解質(zhì)電池能量密度最高可至300Wh/kg，但是超過500瓦時(shí)每公斤被認(rèn)為是不可能的。全固態(tài)電解質(zhì)后，電池可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來做負(fù)極，這樣可以大大減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。固態(tài)電池研發(fā)可提供的能量密度基本可達(dá)300-400Wh/kg。

（二）、安全性好。

液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆，以及在充電過程中鋰枝晶的生長(zhǎng)容易刺破隔膜，引起電池短路，造成安全隱患。而固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等，也就是說在大電流下工作不會(huì)因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路，不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會(huì)因產(chǎn)生氣體而發(fā)生燃燒，因此，安全性被認(rèn)為是固態(tài)電池發(fā)展的最根本驅(qū)動(dòng)力之一。

（三）、循環(huán)性能強(qiáng)。

固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，大大提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命，理想情況下循環(huán)性能表現(xiàn)優(yōu)異，能夠達(dá)到45000次左右。

（四）、適用范圍擴(kuò)大。

固態(tài)電解質(zhì)賦予固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)模可調(diào)、設(shè)計(jì)彈性大等特點(diǎn)，即可應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)微型電子器件，也可用于動(dòng)力和儲(chǔ)能領(lǐng)域。此外，固態(tài)電池也擁有更寬的溫度工作范圍，目前基本保證-25℃—60℃的溫度范圍。

（五）、界面阻抗過大。

固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面是固--固狀態(tài)，因此電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低。

（六）、成本相對(duì)較高。

據(jù)了解，液態(tài)鋰電池的成本大約在200-300美元/KWh，如果使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機(jī)供電的固態(tài)電池，其成本會(huì)達(dá)到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態(tài)電池成本更是達(dá)到令人咋舌的9000萬美元。

固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體偏低導(dǎo)致了其倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，充電速度慢，且成本總體偏高，現(xiàn)在的固態(tài)電池如果要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，并沒有太大的優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)揮固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達(dá)到的柔性等其它多功能特性，與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場(chǎng)中進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，可能是固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場(chǎng)突破方向。

三、固態(tài)電池的類別與目前的發(fā)展情況

固態(tài)電池從電解質(zhì)形態(tài)上分成三類，一個(gè)是純聚合物，比如聚環(huán)氧乙烷；一個(gè)是無機(jī)固體電解質(zhì)的氧化物或者硫化物；第三個(gè)是把聚合物和無機(jī)物復(fù)合在一起。這三種固體電解質(zhì)最難解決的問題在于：在鋰離子電池或者是將來的金屬鋰電池中，正極反復(fù)體積膨脹收縮后，與固體電解質(zhì)相的接觸會(huì)逐漸變差。對(duì)于固態(tài)電池來說，就是在循環(huán)過程中如何一直保持較低的電子和離子阻抗。如果沒有更好的辦法，這三類電解質(zhì)中也可以添加少量液體來解決循環(huán)過程中電接觸惡化的問題，這一類電解質(zhì)可以稱為混合固液電解質(zhì)，也就是說電芯中同時(shí)含有固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。

在固體電解質(zhì)材料方面，國際上已經(jīng)開發(fā)了很多類，主要包括氧化物、硫化物、氫化物、鹵素、磷酸鹽薄膜和聚合物。現(xiàn)在主流的電解質(zhì)材料有三種：首先是氧化物固體電解質(zhì)，采用無機(jī)陶瓷電解質(zhì)來替代液體電解質(zhì)，主要是解決正極側(cè)的填充接觸問題，可能需要非常復(fù)雜的表面包覆技術(shù)。對(duì)于硫化物電解質(zhì)，其離子電導(dǎo)率非常高，也需要解決正極側(cè)電阻變大的問題，同時(shí)解決制備、儲(chǔ)存、服役過程中化學(xué)穩(wěn)定性差和產(chǎn)生硫化氫的問題。對(duì)于薄膜電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率雖然很低，但是通過薄膜化降低面電阻，也可以制備使用器件。但是做成大面積疊層的大容量電池還是很有挑戰(zhàn)。

總體來說，全固態(tài)電池的研發(fā)核心一在于電解質(zhì)材料本身，二在于界面性能的調(diào)控與優(yōu)化。許多研究分析，固態(tài)電池會(huì)成為動(dòng)力電池未來的技術(shù)路線。相對(duì)而言，技術(shù)成熟度較高、技術(shù)沉淀較深的當(dāng)屬法國的Autolib、美國Sakti3和日本豐田。這三家也分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態(tài)電解質(zhì)的典型技術(shù)開發(fā)方向。我國2013年中科院設(shè)立了全固態(tài)鋰電池先導(dǎo)計(jì)劃，目前中科院寧波材料所、中科院上海硅酸鹽所、青能所、天津十八所、清華大學(xué)、中科大、復(fù)旦大學(xué)、特種科大、武漢大學(xué)、東北師范大學(xué)等機(jī)構(gòu)紛紛開展各種全固態(tài)鋰電池研究。

目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的大容量固態(tài)電池主要還是聚合物固態(tài)電池，就是聚環(huán)氧乙烷基固態(tài)電解質(zhì)，加拿大魁北克水電研究所報(bào)道的數(shù)據(jù)顯示，可以使用46微米厚的金屬鋰，30微米厚聚合物電解質(zhì)以及30微米厚的磷酸鐵鋰正極，1/3C下循環(huán)1000多次，工作溫度在60到85度，電池包需要有加熱保溫功能。技術(shù)來源于加拿大魁北克水電研究所的法國Autolib的電動(dòng)汽車“Bluecar”配備了其子公司Batscap生產(chǎn)的30kwh金屬鋰聚合物電池(LMP)采用Li-PEO-LFP材料體系，加速進(jìn)入6.3秒，最高時(shí)速可以達(dá)到130km/h，而續(xù)航里程高達(dá)200km，足夠這款車在兩個(gè)城市間往返行駛。Bluecar于2011年10月正式進(jìn)入法國汽車租賃市場(chǎng)，在巴黎以及法國40個(gè)城市租賃到這款小車。該車在巴黎整車被曾酒鬼點(diǎn)燃后，但電池完好無損，其安全性可見一斑。

固態(tài)電池是否是未來新能源汽車動(dòng)力電池的必然選擇，還是暫時(shí)的升級(jí)換代，在全球范圍來看這還需要時(shí)間來進(jìn)行論證，而在我國作為技術(shù)人員從目前的數(shù)據(jù)來分析，至少還需要2年的時(shí)間固態(tài)電池才可能真正的量產(chǎn)并替代現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池。