固態(tài)電池能否取代鋰電池？

消費(fèi)鋰電經(jīng)歷三十載征程，經(jīng)歷了日本獨(dú)大到中日韓“三足鼎立”的時(shí)期，在消費(fèi)電子領(lǐng)域的格局已基本穩(wěn)定。動(dòng)力電池作為新能源汽車核心零部件，電池的能量密度及規(guī)模直接決定了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。因此，各大電池企業(yè)和汽車制造商都在想盡辦法突破電池“瓶頸”，具有高能量密度的固態(tài)鋰電池技術(shù)成為目前企業(yè)前沿技術(shù)首選方案。

近日，隨著2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的誕生，來(lái)自美日等國(guó)的三名科學(xué)家因“開(kāi)發(fā)鋰離子電池”，引起了動(dòng)力電池行業(yè)的巨大轟動(dòng)。作為三位諾獎(jiǎng)得主在固態(tài)電池研究方面取得的成就，同樣受到大家關(guān)注，引燃了對(duì)固態(tài)電池的大討論。

動(dòng)力電池在新能源汽車發(fā)展中扮演著十分重要的角色，自從2012年中國(guó)扶持新能源汽車開(kāi)始，動(dòng)力電池就備受各界關(guān)注，動(dòng)力電池作為整車的核心零部件，不僅在價(jià)格方面占有很高的比例，在汽車?yán)m(xù)航里程方面也起到關(guān)鍵作用。隨著新能源汽車在行業(yè)的壯大，動(dòng)力電池的研發(fā)技術(shù)也在一步步提升，并且出現(xiàn)了不同種類的電池，而近幾年最熱的便是固態(tài)電池。

一、2019年國(guó)內(nèi)外車企和電池公司都陸續(xù)布局固態(tài)電池技術(shù)。

1、雷諾汽車高級(jí)副總裁吉爾斯.諾曼德在幾日前，公開(kāi)表示，2025年將使用鈷態(tài)含量為零的固態(tài)電池，早在2018年初，雷諾日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟設(shè)立10億美元風(fēng)投基金，其首個(gè)投資項(xiàng)目便用于無(wú)鈷固態(tài)電池的研發(fā)。

2、日前，從哪吒汽車官方獲悉，哪吒汽車正式與清陶科技達(dá)成全面合作關(guān)系，共同推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)與應(yīng)用。

3、2019年4月天際汽車便與輝能科技達(dá)成了固態(tài)電池業(yè)務(wù)方面的合作。今年下半年蔚來(lái)汽車和愛(ài)馳汽車都陸續(xù)與輝能科技達(dá)成固態(tài)電池業(yè)務(wù)方面的合作，以搶先占領(lǐng)市場(chǎng)，完成固態(tài)電池的區(qū)域布局。

4、德國(guó)的大眾集團(tuán)豪擲1億美元投資電池技術(shù)公司QuantumScape，力爭(zhēng)在2024年大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池。

5、寶馬也提出與美國(guó)固態(tài)電池商Solid Power達(dá)成戰(zhàn)略合作，希望盡快研發(fā)出車載固態(tài)電池。

6、此外三星、戴森、奔馳等產(chǎn)業(yè)巨頭也紛紛布局涉足固態(tài)電池研發(fā)。

7、國(guó)內(nèi)除了中科院寧波材料所，中科院 青島能源所、寧德時(shí)代、中航鋰電、比亞迪、贛鋒鋰業(yè)等多家研究機(jī)構(gòu)和動(dòng)力電池企業(yè)也都在從事固態(tài)電池的研發(fā)工作。

車企和電池公司以及研究院院紛紛布局固態(tài)電池技術(shù)，固態(tài)電池為何如此受歡迎呢?與傳統(tǒng)鋰電池比較有什么優(yōu)勢(shì)呢？

二、固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)分析

固態(tài)電池發(fā)展于20世紀(jì)70年代，最早應(yīng)用于心臟起搏器。固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，是一種電池科技。固態(tài)電池具有不可燃、耐高溫、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)的特性。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高。

優(yōu)點(diǎn)：

①　直接使用金屬鋰做負(fù)極，重量輕且能量密度高，保證車輛續(xù)航能力。傳統(tǒng)鋰電池能量密度一般為200KW/kg,而固態(tài)電池能量密度可達(dá)400KW/kg.

②　固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)隔膜和電解液，電池厚度薄，體積小，質(zhì)量輕。

③　固態(tài)電池具有極好的柔韌性前景，可以保證其電池性能不衰退。

④　固態(tài)電解質(zhì)不燃燒，耐潮濕，電池安全系數(shù)比傳統(tǒng)鋰離子電池高。

缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高以及技術(shù)研發(fā)困難

傳統(tǒng)鋰電池使用液體電解質(zhì)，液體電解質(zhì)易燃、易爆、易揮發(fā)，在受到外部撞擊或者其他極端情況時(shí)，就會(huì)發(fā)生電池短路，起火燃燒的現(xiàn)象。

新能源汽車國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟8月公布的《新能源汽車國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報(bào)告》顯示，自5月起，新能源汽車國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)共發(fā)現(xiàn)79起安全事故，58%的車輛起火原因是電池問(wèn)題，86%的涉事車輛使用三元鋰電池。市場(chǎng)上目前最常見(jiàn)的是三元鋰和磷酸鐵鋰電池，但由于成本控制、安全、原材料渠道以及補(bǔ)貼政策的退坡等方面的原因，已無(wú)法滿足當(dāng)下新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品量產(chǎn)大。

缺點(diǎn)：安全系數(shù)低，容易爆炸，能量密度局限性大。

從上面的比較中可以看出，固態(tài)電池在成本以及技術(shù)方面的問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了固態(tài)電池的發(fā)展，而鋰電池在汽車發(fā)展中導(dǎo)致的車輛起火問(wèn)題也嚴(yán)重影響了鋰電池的發(fā)展，雖然固態(tài)電池遭遇了瓶頸，但是在未來(lái)的時(shí)間里，可以攻克這個(gè)問(wèn)題，然而鋰電池的問(wèn)題最終會(huì)導(dǎo)致它被市場(chǎng)所淘汰。

三、固態(tài)電池發(fā)展阻力

技術(shù)困難：

固態(tài)電池在固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率、內(nèi)阻界面阻抗及相容性上存在著問(wèn)題，因而固態(tài)電池短時(shí)間內(nèi)不能量產(chǎn)應(yīng)用于市場(chǎng)。

①　固態(tài)電解質(zhì)材料限制大，電池整體阻抗和倍率性能低。固體電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，目前應(yīng)用的固態(tài)電解質(zhì)有三種體系：聚合物、氧化物、硫化物。這三種固態(tài)電解質(zhì)材料各有優(yōu)勢(shì)，然而他們共同的缺點(diǎn)是：低離子電導(dǎo)率。低離子電導(dǎo)率會(huì)阻礙鋰離子在電池正負(fù)極之間的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致鋰離子傳輸速度和效率降低，在高倍率大電流下運(yùn)動(dòng)能力變差，電池能量密度和功率密度都將下降。

②　固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間以固/固界面的方式接觸，接觸面積小，界面阻抗大，電池循環(huán)壽命、倍率性能差，導(dǎo)致充電速度緩慢。

③　目前，針對(duì)無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的測(cè)試顯示，大部分固體電解質(zhì)機(jī)械性能相對(duì)較差，易破碎開(kāi)裂，導(dǎo)致電池短路，發(fā)生泄漏。

成本昂貴：

毋庸置疑，固態(tài)電池成本是十分昂貴的，這與固態(tài)電解質(zhì)材料有很大關(guān)系，具有良好性能的材料成本昂貴，而成本可接受的材料的導(dǎo)電度與穩(wěn)定性較差。目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)鋰電池成本大約在200-300美元/千瓦時(shí)，而生產(chǎn)滿足智能手機(jī)供電需要的固態(tài)電池成本則需要1.5萬(wàn)美元（按現(xiàn)有技術(shù)條件），那么可想而知生產(chǎn)滿足新能源汽車供電的固態(tài)電池成本為多少，據(jù)估算（按現(xiàn)有技術(shù)條件）成本費(fèi)用約為9000萬(wàn)美元。

四、發(fā)展前景向好

固態(tài)電池發(fā)展前景向好，只需在時(shí)間里開(kāi)花結(jié)果。

2019年10月9日,鋰電池?cái)孬@諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，此次化學(xué)獎(jiǎng)由三位科學(xué)家共同獲獎(jiǎng),以表彰三人在鋰電池開(kāi)發(fā)上的貢獻(xiàn),在國(guó)內(nèi)新能源環(huán)境低迷的情況下，這給車企、電池企業(yè)帶來(lái)了雨露，鋰電池再一次受到關(guān)注，而作為鋰電池全新領(lǐng)域的固態(tài)電池也被這些科學(xué)家所看好，兩年前，95歲高齡的古迪納夫帶領(lǐng)工程師團(tuán)隊(duì)打造了一個(gè)新型全固態(tài)電池，不過(guò)僅限實(shí)驗(yàn)，能否量產(chǎn)應(yīng)用于市場(chǎng)還有待考究。而現(xiàn)年97歲的約翰·B·古迪納夫依然在不停地工作，攻克技術(shù)難題，尋找解決固態(tài)電池難題的辦法。

目前中國(guó)已成為世界上最大的汽車生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，伴隨著環(huán)境污染和能源緊缺問(wèn)題，新能源汽車在未來(lái)的發(fā)展中定會(huì)斬落頭角。而電動(dòng)汽車也會(huì)逐漸普及全中國(guó)進(jìn)入尋常百姓家，為了滿足廣大市民的出行需求和解決環(huán)境以及能源緊缺問(wèn)題，固態(tài)電池的技術(shù)研發(fā)刻不容緩，現(xiàn)階段固態(tài)鋰電池量產(chǎn)產(chǎn)品很少，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍處于早期。根據(jù)資料顯示，固態(tài)電池有望在2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率較低，因此為了降低電池的內(nèi)阻，提高電池的大電流放電能力，需要將固態(tài)電解質(zhì)膜盡可能的做薄。目前國(guó)內(nèi)有北京大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)等院所正在進(jìn)行固態(tài)鋰電電解質(zhì)的研究。目前國(guó)家項(xiàng)目有計(jì)劃用材料基因組來(lái)做固態(tài)電池。

從海外各家企業(yè)實(shí)驗(yàn)與中試產(chǎn)品來(lái)看，固態(tài)鋰電池能量密度優(yōu)勢(shì)已開(kāi)始凸顯， 明顯超過(guò)現(xiàn)有鋰電水平。相信在不久的將來(lái)固態(tài)電池的難題會(huì)被攻克。

電車資源小結(jié)：固態(tài)電池相較于鋰電池有太多優(yōu)勢(shì)，而隨著國(guó)家政策和世界格局的變化，電動(dòng)汽車將會(huì)在全世界普及和發(fā)展，這為固態(tài)電池的發(fā)展提供了良好機(jī)遇，固態(tài)電池的量產(chǎn)有利于緩解世界環(huán)境和能源問(wèn)題，為電動(dòng)汽車提供綠色環(huán)保新動(dòng)力。在未來(lái)的發(fā)展中傳統(tǒng)鋰電池會(huì)被“洗”掉，而固態(tài)電池雖然由于種種困難目前不能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但它只需在時(shí)間里等待開(kāi)花結(jié)果。