三星固态电池产业化路径

三月十日，多家媒体报道三星电子（注意，是三星电子，不是三星SDI，这部分会在后边解释原因）在《自然》杂志上发表了一篇有关全固态电池技术的论文。

该技术采用了沉积型锂金属负极技术，并解决了影响电池寿命与安全性的枝晶问题，可以使电池尺寸也减半。这里面的一个关键内容是固态代替电解质代替了液态，并且大幅减少了负极材料，随着电解质的固态化安全性得到了提高。

锂金属负极一直都被枝晶问题所困扰，这部分三星采用了银-碳（Ag-C）纳米粒子复合层来解决。通过将复合层的厚度减小至5m，可以减小电池总体积，在相同体积下的能量密度自然也得到提升。

据报道说，该技术与传统电池相比，在相同的体积和重量下，可以达到约800㎞续航。电池循环次数为1,000次，这部分或许应该更高一些，理想情况下最好可以保证10年以上的使用寿命。

Ag-C纳米粒子复合层

所以说，三星全固态技术的核心是Ag-C纳米粒子复合层。下图中四个柱形图解释了固态电池开发的演进路径。

左1是现有的锂离子电池结构，粗略看来正负极大小接近1:1。首先是将隔膜和液态电解质（中间蓝色细条部分）转变成固态电解质，转变后就可以称之为全固态电池了。

然后是负极由石墨转变为锂金属（左2）。当负极采用锂金属材料时，负极的体积就会大大减小，电池总体积也随之减小，能量密度新增。电池中锂离子含量代表电池容量的大小，而这取决于正极的大小。

因此在相同体积下正极尺寸增大，能量密度就新增了。但锂金属负极一直存在着枝晶问题，三星电子的新技术则用5m厚的Ag-C纳米颗粒复合层将负极中锂金属材料替代掉了（右1/2）。

进一步看一下《自然》的那篇论文，首先是电解质的部分，采用的是硫化物固态电解质（SSE）。由于目前业界对该领域进行了较多研究，实现起来似乎并不困难。此外，由于SSE柔软的机械性能，只需采用简单的压制法就可以批量生产。但据说这部分还有些问题待解决，因为在制造过程中会出现硫化氢有毒气体。

锂金属负极在实际使用过程中会出现枝晶，导致体积膨胀并影响到循环寿命。因此三星选择的方法是去除锂金属材质，论文中说是采用了仅使用集电体而无负极的概念。

因此就要一种替代原有负极功能的材料，而这个材料就是Ag-C纳米颗粒复合层。根据论文中的描述，Ag可溶于锂，可降低锂的晶核能量，有助于将锂均匀地沉积在集电体上。这部分有点难理解，但效果已经得到验证。

该复合层中由于使用了银，成本会有所新增，因此就要减小厚度，并采用碳纳米粒子。但有传闻说碳纳米粒子的量产目前还未得到完全解决。

最近，有一些中小初创公司正在尝试，并可以根据一些情况大概判断可量产的时间。而且这些公司开发的材料大部分都是专门针对电池的正负极材料的。

比如，像JEIO这家公司计划在未来2年内进行大规模生产投资，有望大幅降低单位价格。如此看来，似乎碳纳米粒子相关的进展也在稳步推进，在未来2年将会取得一些成果。

三星电池从研发到量产的流程

在论文底部会发现，署名是SamsungAdvancedInstituteofTechnology（SAIT）、三星电子和三星日本的研发中心。

进入SAIT的官网首页，马上就会看到有关这次固态电池研究成果的信息。SAIT的中文名称是“三星综合技术院”。

研究范围包括AI、电池材料、半导体、OLED显示材料等等。

点击电池材料部分进去，就会看到有关开发下一代动力锂电池材料的内容。三星的材料研究所其实之前是三星电子和三星SDI共同建立的，但后来二者因业务侧重点不同又分开了。因此，我们就了解了三星综合研究院也在进行电池材料研究，并且官网上显示最近的研究重点是包含固体电解质的3D结构。

其实三星电子的综合技术研究院和三星SDI电子材料研究所几乎位于同一地点，都在水原市。前面已经说到之前为同一家机构，之后分家。目前三星SDI材料研究所的角色就是，将三星技术学院开发的材料相关技术进行实际验证测试，然后再由SDI的开发部门进行量产前的Pilot生产，最后在厂进行正式量产。

因此，这次宣布的全固态技术是由三星综合技术研究院开发的，目前的进度还没有到三星SDI的验证测试阶段。由此可以推测，在最为理想的情况下大概至少要2年时间才能实现最终量产。另外，如上所述，碳纳米颗粒的量产部分也都要跟进，而目前来看进度还挺同步的。

不过，目前我想大多数人都是在翘首期盼着特斯拉下月的电池秀吧？