钜大LARGE | 点击量：577次 | 2021年08月17日
固态电池是否“引爆”电动汽车的催化剂？
如今，纯电动汽车自燃、爆炸等事件时有发生，而动力锂电池特别是锂离子电池安全性，更是萦绕在电气化发展之路上的长期课题。无论是较早推行纯电动的“新势力”，还是正处于转型期的传统车企，在动力锂电池安全性与长期使用的稳定性方面，都难以给消费者在安全方面“打包票”。
所以在车云菌看来，电池技术发展将成为推动各大车企向纯电动转型的催化剂，固态电池可能就是其中之一。
一、什么是固态电池
1、分类与特点
固态电池可依据电解质中液态成分的占比，分为半固态锂离子电池（液固各占一半）、准固态锂离子电池（固多液少）、固态锂离子电池（少量液态）、全固态锂离子电池，而全固态电池顾名思义是正极、负极和电解质均为固态的锂离子电池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
相比目前纯电动汽车采用的锂离子或锂聚合物电池，全固态锂离子电池可“省略”隔膜材料，固态电解质本身充当了隔膜，因而固态锂离子电池的结构更接近“三明治”。
要说明的是，固态锂电充放电机理与常规锂离子电池相近，都是锂离子在电极材料上的嵌入与脱嵌过程，不过得益于固态电解质在密度与结构方面的优点，带电离子集中在一端，传导的电流更大，从而提升了电池容量，换言之，体积相同的情况下，固态电池的容量会大于常规锂离子电池。
由此说来，固态电池的优势可归结为以下几点：
更轻：伴随电极与电解质迈入全固态，锂离子电池的材料体系也会发生相应变化，电池能量密度提升的同时，电池单体、电池包甚至电池组的重量也随之下降。综合当前报道，“试制”阶段的全固态电池能量密度已可达300-400Wh/kg。
更薄：舍弃液态电解质与隔膜材料后，正负极间仅剩固态电解质，因而两极间的距离可缩短至十几微米，甚至更低。
更稳定：虽然固态陶瓷氧化物电解质自身较“脆”，但依旧具备一定的柔性，配合相应的封装材料，电池在经受上千次也可保证性能不会衰减。
更安全：眼下，造成锂离子电池自燃、爆炸的原由有很多，而热管理失效和锂枝晶问题仍是重要因素。所谓热管理失效，是由于电池组要上千个电池单体组成，常规锂离子电池电解质中的有机物，有概率在高温下发生氧化分析或副反应并萌生气体，造成电池鼓胀甚至爆炸；而锂枝晶则是电池在充放电中难以规避的问题，假如枝晶间电解质隔膜穿透，便会造成电池短路，进而引发自燃。虽然固态电池并非“不可能”萌生枝晶，但能够得到抑制，且全固态电池中不易生长枝晶，伴随科技手段进步，枝晶问题也有望得到处理。
不仅如此，从相关资料来看，钴酸锂电解液电化学窗口为4.45V，三元材料为4.35V，假如电压新增则会遇到电解液氧化问题，而正极表面也会发生不可逆相变，即便是当前的“811”电池，充电电压也受到了耐高压电解液的制约。
反观固态电池，固态电解质电化学窗口有望提升至5V，能够适应高压电极材料，甚至有报道称可承受7.4V电压，加之固态电池可串行重叠排列或重叠多电极使用，单体电池经过串联后可承受的电压也随之新增。
由于封装工艺简化、单体重量降低，固态电池构成的电池组能量密度可超过255Wh/kg，而目前常规电动汽车电池能量密度最高为170Wh/kg左右，参考2019年新能源补贴政策，160Wh/kg及以上的车型补贴系数为1，180Wh/kg以上补贴系数为1.2。
重点在于，依据“我国制造2025”的规划，至2020年锂离子电池能量密度将达到300Wh/kg，2025年为400Wh/kg，2030年为500Wh/kg，也就是说，无论从国家规划还是技术发展角度来说，固态电池都更具潜力与实力。
值得一提的是，伴随固态电池逐渐向“全固态”的最终目标发展，其仅用“干法”回收即可，也就是通过破裂法将电池内部的有效成分提取出来，这也就处理了当下动力锂电池回收难、易萌生废液等问题。
2、问题与现状
考虑到固态电池具有能量密度大、重量轻等优势，并能够处理现阶段锂离子电池的诸多痛点，因而该技术有望成为纯电动汽车续航提升，甚至从推广转向普及的核心发力点，但固态电池自身的也面对着众多技术难点。
电解质材料
从电解质技术路线来看，固态电池电解质可分为聚合物型、氧化物型、硫化物型和卤化物型，不过各自均有不同的优缺点。
以聚合物固态电解质为例，该类型电解质由聚合物基体和锂盐组成，前者多为聚环氧乙烷、聚硅氧烷和脂肪族聚碳酸酯等，而常见的锂盐则蕴含LiPF6、LiTFSI、LiClO4、LiAsF4、LibF4等，室温电导率约10-7-10-5S/cm。
虽然该类型电解质具备较出众的机械出产性能，但此前欧阳明高在接受媒体采访时曾表示，“今朝有用聚合物电解质的电池，搭载于法国的一些车辆上，它的问题就是要加热到60度，离子电导率才上来，电池才能正常工作。”。也就是说，要怎么样提升聚合物固态电解质的电导率，并扩宽其工作范围，将成为研发方向之一。
反观氧化物型固态电解质，其室温电导率为10-6-10-3S/cm，该类型中较为可观的是钙钛矿型晶态氧化物固体电解质，相关文献称该类型电解质电导性通常由晶体中的空穴浓度、Li+在材料中传输瓶颈大小及晶体有序度等因素决定，通过在材料中掺杂原子半径大的离子，可制造空穴浓度较高的电解质材料，有效提高电解质材料的离子电导率和界面性能。而反钙钛矿型电解质材料，具有充放电过程中，伴随温度升高界面阻抗降低的特性，前景较为光明，但对空气较敏感，在水、稀酸环境下易造成锂流失，电导率下降。
此外，氧化物型固态电解质中的Garnet型和LiPON型，制备难度较大，加工效率是问题。
硫化物固态电解质与氧化物固态电解质相近，只是后者的氧被硫原子替代，得益于硫拥有更大的原子半径和极化率，且与锂离子的结合力较弱，因而硫化物固态电解质的电导性更加出众，室温下可达10-3-10-2S/cm，这也是丰田致力于硫化物固态电解质研发的原由之一。
不过，该类型电解质在空气中易与水反应生成硫化氢，后者易燃、易爆的缺点，对固态电池的安全性与循环寿命造成了影响。好在，目前已有研究证明硫化氢的生成量与Li2S-P2S5的组成比例相关，同时用砷（As）部分替代电解质材料中的部分元素，即可提升材料对水的化学稳定性，所以硫化物固态电解质或仍为日后发展重点。
相比之下，卤化物固态电解质由于难以兼顾高离子电导性与高稳定性，对该类型的研究仍较为有限。
电极材料
伴随电解质走向固态，电池正负极材料也将进行升级，比如目前主流的NCM和NCA正极材料体系将面对组分比例调整、界面改性、能量密度提升等进阶方向。考虑到金属锂在循环过程中易萌生枝晶问题，氧化物在循环过程中体积变化率大，易撑破电池造成电池失效等问题，碳族负极材料仍是将来发展重点。
其中最有代表性的是石墨材料，不过该材料理论容量仅为372mAh/g，伴随能量密度提升，石墨烯、碳纳米管等新材料的引入，碳族负极材料的理论容量可提升至800~900mAh/g。此外，还有理论容量为994mAh/g的锡基材料，以及理论容量可达4200mAh/g的硅基材料，但锡基材料循环性能差、可逆容量低等问题不利于其商业化加工，而硅基材料虽然导电率高、稳定性好，但硅基材料在充放电过程中的体积变化高达300%，且多次循环后表面包覆的碳材料会破裂、脱落，可见要怎么样处理碳硅负极材料的体积变化问题，是该材料发展的瓶颈之一。
界面问题
有别于当前锂离子电池的固液界面，固态电池特别是全固态电池，将面对电极与电解质的固/固界面高阻抗问题，简单的说，由于界面接触不良、离子导电界面层劣化、相变或体积变化导致结构失效等，都是导致“固/固界面”阻抗较高的原由。
当然，依据电固体解质类型的不同，改善界面问题的方式也有差异，从方向上说，目前的技术手段蕴含化学气相沉积、涂布法和包覆等。值得一提的是，枝晶也是界面问题之一，虽然有资料声明部分材料与相应技术手段能够抑制该问题，但整体技术尚未成熟。
此外，能够获得更高的充电速度也是固态电池的潜在优点之一，虽然2018年有外媒称固态电池相比目前的锂离子电池，在充电速度方面不具备分明优点，但今年七月比利时微电子研究中心（IMEC）与EnergyVille合作推出的固态锂金属电池，能量密度达到了400Wh/L，并可在2小时内洋溢电，同时该机构还计划在2024年将能量密度提升至1000Wh/L，且具备30分钟内完成充电的能力。当然，除了技术不成熟外，要怎么样控制成本也是固态电池量产并投放市场前要攻克的难题。
二、固态电池与纯电动汽车的将来
与时间赛跑的技术研发
固态电池作为有望替代当前锂离子电池的“新一代”电池技术，除了相关机构与供应商发力研究外，各大车企也早把目光锁定在了该技术上，甚至可以说固态电池的投产，与车企电气化布局息息相关。综合海内外各大媒体报道不难发现：
1、作为对固态电池呼声最高的车企，大众集团已向QuantumScape注资一亿美元用于开发固态电池，并在牵手国内的宁德时代不久后，大众集团首席执行官赫伯特·迪斯称，大众集团将在欧洲建厂加工固态电池，并有望在2024-2025年间实现量产。不过也有外媒认为，大众集团可能在2020年底开始布局固态电池。
2、宝马集团于2017年牵手SoildPower开发固态电池，同时与国内的宁德时代展开合作，布局电气化车型。
3、丰田也是较早着手研发固态电池的车企之一，除了与松下共同发力外，其侧重硫化物固态电解质技术路线也已曝光，且外媒称丰田有望在2022年推出搭载固态电池的车型。聚焦国内，与丰田达成伙伴关系的是宁德时代与比亚迪，“巧合”的是，宁德时代目前在硫化物固态电解质范畴已取得初步进展，而比亚迪在2017年申请了一项固态锂离子电池正极复合材料专利，眼下正推动固态电池迈向商业化。
4、现代集团已投资IonicMaterials用于固态电池研发，而为后者出钱的还有三星和戴森。
5、本田在发力固态电池范畴选择的伙伴也是松下，同时该品牌与宁德时代展开了合作，而本田与通用还“官宣”共研“下一代”电池技术，只是除了燃料动力电池外，尚未透露更多细节。
此外，部分供应商也在推进固态电池范畴的研究，从博洛雷、大陆、LG、苹果，到国内的比亚迪、宁德时代、国轩高科、赣锋锂业等，无论是车企借新技术推出全新产品，还是各大供应商争夺将来锂离子电池市场份额，加速技术研发的同时，从一定程度上说，也是在与时间赛跑。
值得一提的是，我国的初创公司——清陶（昆山）能源发展有限公司，已在昆山部建立了固态电池加工线。该加工线的年产量为100兆瓦时，计划到2020年新增到700兆瓦时。与容量为250-300Wh/kg的新一代锂离子电池相比，其固态电池的能量密度已经超过了400Wh/kg。
电池技术会影响到车企电气化布局？
客观地说，相比自主品牌，海外车企在布局纯电车型方面动作较为保守，在车云菌看来，要顾及全球产品进度是原由之一，但部分产品受限于当前电池技术难以实现更优表现，则是更深层原由。
比如，宝马今年七月公布的MiniCooperSE，270km的最大续航里程让这台小车略显逊色，究其原由，或许与UKL平台给电池组预留的空间较为有限不无关系，可这也折射出目前锂离子电池仍存在能量密度、体积甚至重量方面的不足之处。
无独有偶，车云菌在与宝骏汽车产品负责人交流时，对方认为当前的电池技术，不利于打造纯电小型SUV，相比之下，从紧凑型SUV开始布局纯电车型更加适宜。换言之，没有足够大的空间安放电池包，就无法衍生出具有竞争力的产品，至少在续航里程方面如此。
要说明的是，保时捷Taycan等即将推向市场的车型将支持350kW快充，而高压充电则是对电池、温控系统、充电桩等，车辆自身与配套设施的综合大考。
反观固态电池自身优势，高能量密度、小体积、支持快充，无疑将打消现阶段消费者对续航和补能的焦虑。眼下，部分车企为了加速布局纯电车型，已将自身产品阵营进一步整合，“高销量优先”的同时，能够转型为纯电动的车型才“适者生存”，当然，削减成本聚集火力技术攻坚与布局纯电，可能也是产品阵容调整背后的因素。
在车云菌看来，伴随电池技术发展，当下视为“不适合转型纯电”或者“非销量主力”的车型有望重回我们视野。重点在于，电池技术也将推动更多品牌迈向纯电。
正如宾利在推出EXP100GT概念车的同时，其官方对将来电池技术发展表示乐观，并称其续航里程将达到700km，车身重量或在1900kg以下，且装备相当于目前能量密度的五倍电池，仅需15分钟即可充电80％，而量产版EXP100GT的车身会超过全新FlyingSpur。
要了解，以该品牌当前产品来看，若推出纯电产品，“控制体重”的工作只在车身材料下功夫是不够的。此外，也有外媒称奥迪或将在2023年推出采用固态电池的全新跑车。从一定程度上说，更先进的电池技术除了会用途于产品层，对标榜自身品牌含金量同样功不可没。
三、固态电池不会是终点
从半固态发展到全固态，固态电池的优点有望处理目前锂离子电池的痛点，但即便是全固态电池也不会是电池发展的终点。
考虑到可继续发展和环境友好等方面，氢燃料动力电池的前景仍不容小觑，除了早已涉足该范畴研究的宝马、丰田、本田、通用等车企外，现代集团也开始发力氢燃料动力电池，同时奥迪也于近日宣布重启燃料动力电池技术研发。
不过在车云菌看来，燃料动力电池对环境更加友好的同时，距成为主流还尚需时日，至少当前会遇到如下这些问题：
1、氢气的制备、运输成本不容忽视；
2、无论加工还是落脚车型端，安全问题也要更多技术背书；
3、相比充电桩和充电站升级，氢燃料网络的建设要更多成本和时间。
车云小结：
电池技术无疑是纯电动汽车发展的托盘，而迈向固态化则是锂离子电池前进的大势所趋，伴随固态电池技术发展，在处理锂离子电池使用过程中的痛点之余，电池小型化、高能化、轻量化和快充能力，将成为海内外各大车企产品，甚至旗下全品牌迈向电气化的催化剂。
同时，电池技术的迭代与发展，也是对车企与供应商的大浪淘沙，也就不难解释“触电”为甚么会成为竞争对手间合作的纽带。再联想到一贯严谨的某日系品牌，近期在联手本土电池公司，以及公布电动化产品架构方面的“高调”，以其为缩影，或许传统车企在技术层面触电的步伐一点也不慢，只是在“等”。
