导读

电动车以其“环保”的标签，近年已经在全球掀起一轮又一轮的追捧——2020年特斯拉的股价一年涨八倍，已经最大限度表明了这种狂热！但抛去浮华之下，电动车首先是一部车，能够代步的工具。

正文

这个冬天，面对着多年未见的寒冷天气，因电池续航时间下降，以及电动桩的不完备，导致的电动车“掉链子”的新闻屡见不鲜：甚至有最极端的新闻：明明显示还有100多公里余量，开了8公里就不动弹了，广大车主把自家车称为“电动爹”!

图片

2021年的第9天，蔚来的150kWh固态电池横空出世！按照蔚来自己的说法，该固态电池可实现360Wh/kg超高能量密度，将续航里程提升至1000公里（再也不用担心半路掉链子了），并且2022年就会正式装备。此言一出，引来争议不断，某资深院士更是直言“绝对不可能”！

争议的焦点在于，业内此前一直认为“固态电池短期内没有推出的可能性”，就连全球电池业的“一哥”宁德时代，按照目前的计划表，也要2030年才能推出固态电池。因而此次，蔚来放的“电池卫星”不可谓不大——如果真的实现了，这不是弯道超车，简直是弯道飙车了！

就在2021年伊始，固态电池的研究迎来了一颗“重磅炸弹”：据全球顶级科学杂志Nature Energy报道，31岁郑州大学教授发明突破性固态电解质熔融锂金属电池：采用U 型陶瓷管作为电解质，负责传导锂离子，在 U 型管内外分别装载正负极材料。电池的负极采用熔融的金属锂，正极采用熔融合金。

图片
【图】新型电池结构（来源：Nature Energy ）

但实验室的研发成功远非万事大吉，距离实际上市还差得不是一点半点。那么问题来了，和目前的锂电池，相比固态电池究竟有哪些好处，它的研发究竟难在哪些方面呢？目前国际上对固态电池的研究又到了什么程度呢？本文为大家一一简要梳理。

图片
何为固态电池？研发固态电池有哪些挑战？

锂电池理论能量密度主要取决于正负极材料克容量和工作电压（电势差）。正负极之间电势差越大，工作电压越高，以及电极材料克容量越大，电池能量密度越高。

但是提升能量密度时，同时还要兼顾安全性。磷酸铁锂电池安全性好、成本低，但能量密度不高，耐低温性能差（今年的低温天气下，这一缺点已经暴露无遗），目前比亚迪采用刀片电池改进；三元电池能量密度高，耐低温，但由于其本身的设计原理存在安全性差、成本高的缺点。有关两种电池的对比，可以参考扑克投资家此前发布的文章《不忘初心，终于“弯道超车”：这家中国锂电池企业背后有怎样的江湖？》

图片
【图】不同材料体系的动力电池成本（图片来源：光大证券）

由于对能量和续航的更高要求，在小型乘用车领域，目前三元电池已占据过半市场份额，但三元电池带来的安全隐患不容忽视。就在2021年初，上海还发生了一起特斯拉起火事件，这是2019年4月以来，上海特斯拉的第二起起火！虽然目前原因尚未调查公布，不能说一定是电池造成的，但对市场已经造成了恐慌情绪。

图片

液态锂离子电池存在安全隐患，矛头指向液态电解质。引发电动汽车安全事故的主要原因是热失控导致电池爆炸或自燃。而电池自燃的原因，是在过充电、低温或高温环境下动力电池发生短路，短时间内电池释放大量热量，点燃电池内部的液态电解质，最终导致电池起火。

如果进一步探究其微观机理，就是在传统的液态电解质中，锂金属不稳定的沉积过程，以及枝晶生长，由此引发一系列的安全问题——包括燃烧，爆炸！这些固有缺陷严重阻碍了锂金属负极的发展。

要解决这些问题，一是“治标”，设法抑制枝晶生长，更加有效的办法则是“治本”，直接用固态电解质代替传统的液态电解质，这也是目前全球学术界和工业界努力的方向。

所谓固态电解质，也叫快离子导体，它区别于一般离子导体的最基本特征是，在一定的温度范围内，具有能与液态电解质相比拟的导电能力。1834年，著名科学家法拉第首先观察到AgS中的离子传输现象。但直到1974年，Armand 才将Li||TiS2 应用于以固态β-氧化铝为电解质的三元石墨正极中的Na+扩散，这是关于固态电池的第一份报道。

170多年来，固态电解质历经了一代又一代的更迭。下面这张《自然》杂志上的图，就简要总结了目前已被发现有潜在实用价值的固体电解质类别，可以看出来，以锂为基础的固态电解质是上世纪70年代发端的：

图片
【图】固态电解质的发展历程（图片来源：自然杂志）

一旦用固态电解质替代了液态锂离子电池的液态电解质，其本身能够良好地将电池正极与负极阻隔，避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜。隔膜此时也就成为多余的了！研究表明，固态电池潜力巨大，有希望安全性更高、单体能量密度更高（＞350 Wh/kg）和寿命更长（＞5000 次）。下面这张图清楚展现出液态锂离子电池与固态电池性能对比：

图片
图片
【图】两种电池的全面对比（图片来源：光大证券）

和液态锂离子电池复杂的制备过程相比，固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提升70%以上。据研究，固态电池电化学窗口可达5V 以上，高于液态锂离子电池（4.2V），有望解决新能源汽车里程焦虑问题，“电动爹”的时代有望成为历史！

图片
【图】液态锂离子电池与固态电池制备工艺对比（图片来源：光大证券）

但是研发有实用价值的固态电解质，目前依然有许多挑战。其主要难点可以归结为以下三个方面：

（1）目前的固态电解质本身电导率偏低，与液体电解质相比，还有一定的差距；
（2）稳定性比较差，特别是不能与空气进行接触；
（3）循环的过程最终会导致电池的循环性能、循环寿命都变差。

虽然这三个方面近年来都提出了不少的解决方案，但整体而言，固态电池的发展还有很长的路要走。下面这张图，就简要归纳了固态电解质发展过程中需要解决的四大主要问题，供读者参考：

图片
【图】固态电解质发展面临的四大问题（图片来源：Elsevier）

饭要一口一口吃，另一条思路就是，如果一下完全做到固态电解质有困难，可以走一条“逐步迭代”的路线——从半固态、准固态、最后实现全固态！

所谓半固态，就是固态电解质、液态电解质各占一半，或者说电芯的一半是固态的、一半是液态，准固态就是主要为固态，少量是液态，这是一个“含固量”逐渐提高的过程。在这一过程中，液态电解质含量将逐步从20wt%降至0wt%，电池负极逐步替换成金锂片，电池能量密度有望提升至500Wh/kg，电池工作温度范围扩大三倍以上。

图片
【图】固态电池发展策略路线图（图片来源：光大证券）

那么这次蔚来推出的究竟是哪种固态电池呢？按照蔚来自己的官方介绍，它应用的是所谓的“原位固化固液电解质”。

这个词比较绕口，核心在“固液电解质”，所谓原位固化，就是逐步把当前的液态电解质转换为固体，而不是一步到位全固态的方法。也就是蔚来汽车的固态电池，本质上是同时含有固态电解质和液态电解质的锂电池，也就是“半固态”或者是“准固态”。当然其电池还涉及到很多技术细节，具体可以参考这篇文章《“一夜爆红”的固态电池，究竟是什么？》。

图片
【图】蔚来“固态电池”的三大技术特点（图片来源：蔚来官网）

由此可见，蔚来的“固态电池”更多的是，沿着行业公认主流技术路线的推进和落地，尚未实现真正意义上的固态电池制造。尽管如此，依然引起了这么大的波动，可见市场对其有多高的期望，希望能够尽快落地！

截至目前，有望未来商用的固态电解质主流技术路线有三条（硫化物、氧化物、聚合物），而这三条路线，背后各自都有一系列特定的国家和企业支持。下面我们就来梳理一下，三条路线及背后的江湖。

图片
固态电池的三条技术路线，谁主沉浮？

就目前而言，受到所在国家相关科研方向的影响，欧美企业以及中国的一些企业偏好氧化物与聚合物体系，而日韩企业和宁德时代则更多致力于解决硫化物体系。

聚合物固态电解质率先实现应用，但存在高成本和低电导率两个致命问题。目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷（PEO）电解质及其衍生材料。

就在去年9月，中科院沈阳金属所在基于聚环氧乙烷的固态电解质研发上取得了重要进展，使得全固态聚合物锂电池在50°C下表现出高达1200圈的超高循环稳定性，并在室温和低温下（0°C）下表现出优异的电化学性能。相关论文发表在Nano Energy和Advanced Functional Materials等期刊上。

图片
【图】固态电解质锂离子传输模式示意图（图片来源：沈阳金属所）

当然研发成功不代表马上能应用，但聚合物固态电池路线的商业化似乎是跑在最前面的——连车都已经造出来了。

法国Bolloré公司已在2011 年实现聚合物固态电池小规模量产，并推出以其为动力系统的电动车，标志着这一体系率先实现商业化。几年来已累计投入了3000辆搭载30kWh的由BatScap制造的固态电池，是全球首个固态电池电动车商业化的公司。

美国Solid Energy同样走的聚合物路线。公司采用超薄锂金属负极和同时拥有固态和液态部分的电解质，实现了电池能量密度提升一倍，重量减少一半。产品虽然还没有应用在车上，但目前已经小规模试制用于原型演示和专业航空航天市场。

图片
【图】聚合物电解质技术路线代表企业（图片来源：前瞻产业研究院）

虽然已经有了这么多的进展，但整体而言，聚合物电解质在室温下导电率低，能量上限不高，升温后离子电导率大幅提高，既消耗能量又增加成本，因而增大了商业化的难度。

氧化物固态电解质综合性能好，LiPON 薄膜型全固态电池已小批量生产，非薄膜型已尝试打开消费电子市场。

LLZO（石榴石型）型富锂电解质室温离子导电率为10-4 S/cm、电化学窗口宽、锂负极兼容性好，被认为是最有吸引力的固态电解质材料之一，2020年Chemical Review上的一篇综述全面回顾了石榴石型固态电解质材料和电池的前世今生。制约其发展的重要因素是电解质和电极之间界面阻抗较大，界面反应造成电池容量衰减。

图片
【图】一种LLZO电解质的结构及电压（图片来源：Chemical Reviews）

在氧化物电解质技术上，中国台湾辉能科技作为布局在氧化物电解质技术上的领军企业，自2006年起花费十年开发三项技术：Ceramion® 、Microcell® 与Logithium®，并率先在2012年发布第一代固态氧化物的基础电解质技术平台，创造出柔性具基本导电性的电解质。

此外，全球最大的锂生产商——中国江西的赣锋锂业，也是主攻氧化物电解质的企业，实现了LISCON 氧化物粉体和Garnet 氧化物粉体研制，具备年产100吨的量产能力，并实现了电解质膜的量产，也是一家具有锂行业上下游全系列生产能力的企业。


温馨提示：投资有风险，选择需谨慎。