噱头还是黑科技？固态电池究竟为何物

　　[汽车之家 新能源]  新年伊始，多家车企纷纷推出续航1000公里的电池，随后却被中科院院士炮轰“夸大营销”。事实上，目前业内主流观点认为，锂离子电池已经到达极限，固态电池才是未来电池技术的发展方向。那么，固态电池究竟是什么？电池的安全问题解决了吗？用户是否还要为里程而焦虑？何时才能量产等等？本篇文章将为你一一解答。

快速了解全文：

　　★ 固态电池最大的优点是安全性高、能量密度大；缺点则是成本较高、难以快充；

　　★ 固态电池大规模商用预计会在2025-2030年以后；

　　★ 目前三元锂电池的能量密度已接近极限，全固态锂电池有望成为下一代主流产品；

　　★ 丰田在固态电池领域积淀深厚，近年来中国的企业也在奋力直追。

　　★ 蔚来推出的“固态电池”为半固态锂离子电池，与全固态锂电池有本质上的区别。

1、 什么是固态电池？

　　事实上，固态电池和传统锂电池（三元锂、磷酸铁锂电池等）的工作原理是相同的，都是靠着锂离子在电池的正负两极之间反复转移，从而实现充放电功能。业内也形象的将其称为“摇椅式电池”，锂离子就像运动员一样，在摇椅的两端来回奔跑。而两者不同的是，固态电池的电解质是固态，而传统锂电池的电解质是液态。

　　大家都知道，传统（液态）锂离子电池由正极（三元材料或磷酸铁锂）、负极（石墨或硅碳）、电解液（碳酸酯类和六氟磷酸锂）、隔膜（多孔聚烯烃）组成。在工作时，除了需要液态电解质来传导锂离子，还需要隔膜来隔绝正、负电极，从而避免系统短路。

　　而固态锂电池则是采用固态电解质来代替电解液和隔膜，在结构上更简单且具有较好的绝缘性，能够有效避免因正、负极接触而发生短路现象。当然，固态电池并非只是更换电解质那么简单，其正、负极材料也会根据化学特性进行重新匹配，从而达到更高的综合性能表现。

　　需要注意的是，根据液态电解质质量百分比含量，固态电池还分为了“半固态”、“准固态”、“全固态”三大类。可以看出，“固态电池”和“全固态电池”之间是包含关系，就好比“锂电池”和“锂离子电池”一样。

　　再往下细分，全固态电池又分为了“全固态锂一次电池”和“全固态锂二次电池”，其中前者已经投入商用（不可循环使用）；而后者则是目前行业内重点研究的对象。其中，全固态锂二次电池根据正负极材料的不同，又分为了全固态锂离子电池和全固态锂金属电池。总的来说，固态电池是一个较大的门类，并不能一概而论。（注：目前大家普遍认为固态电池就是全固态锂电池，这是错误的）

2、固态电池有哪些优点？

　　在了解固态电池的优点前，先让我们回顾下当下锂离子电池的“痛点”，相信大家脱口而出肯定是“里程焦虑”和“不安全”。事实上，传统（液态）锂离子电池的能量密度和热失控一直是其发展道路上的“拦路虎”，而固态电池则在这两方面都有了质的提升。

　　● 安全性较高：液态电解质中含有易燃的有机溶剂，系统内部短路时容易造成安全隐患。而固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液等特性，还拥有不错的绝缘性，并且在高温下不发生副反应，因此安全性相比传统（液态）锂电池有了质的提升。

　　● 能量密度高：由于固态电池没有隔膜和电解液，节约了近40%的体积和25%的质量，从而可以提升电池组的能量密度。此外，再配合新的正、负极材料，比如锂金属做负极，理论上电池的比能量可以轻松突破350Wh/kg的天花板，甚至有望达到500Wh/kg。

　　● 循环寿命更长：液态电解质在充放电过程中，会出现界面膜和锂枝晶刺穿隔膜等现象，固态电解质则可以有效避免上述问题，从而大幅度提升电池的循环次数和使用寿命（在理想状态下，循环次数能够达到4.5万次）。

　　● 适用范围更广泛：由于采用固态电解质，电池的形态将不再受到严格限制；并且工作温度范围更广（-25℃-60℃），因此可以适用于更多场景。此外，固态电解质的电化学窗口更宽（5V以上），可以适用于高电压型电极材料，有利于进一步提升能量密度。

3、固态电池有哪些不足？

　　● 电导率较低，难以进行快充：由于固态电解质与正、负极材料之间是固-固接触的状态（液态电解质为液-固接触），电极与电解质之间的有效接触面积较小，导致锂离子的传输效率大大降低，因此电导率要比液态电解质低10倍以上。较低的电导率也使得固态电池很难进行快充，并且当车辆需要大功率放电时，还可能会出现供电不足的现象。

　　● 成本相对较高：成本是固态电池技术目前商业化最大的挑战，主要是因为固态电池制备工艺尚处于研发阶段，产业化还不完善，因此导致成本较高。整体来看，固态电池技术仍处在成熟技术到产业化过渡阶段，还需物料价格下降、工艺改进以及更加稳定的供应链体系。

★ 本章小结：

　　可以看出，固态电池的优缺点非常鲜明，其具备更好的安全性、更高的能量密度以及柔性，这都是传统（液态）锂电池难以突破的瓶颈；固态电池的缺点同样非常致命，其电导率较低而导致难以快充，并且成本较高短期很难进行商业化。总的来说，从短期来看，固态电池和传统锂离子电池各有利弊，可能会并行发展；不过从长期来看，一旦快充和成本问题得到解决，固态电池将具有传统锂离子电池无可比拟的优势。

4、固态电池目前发展现状

　　前面我们曾提到，固态电池在安全性方面相比传统（液态）锂电池有了质的提升，这是与消费者最紧密相关的特性。除此之外，目前大力发展固态电池的另外一个原因是为了提高能量密度，这一方面是用户对续航里程的需求不断提升，另一方面则是政策的引导。

　　近年来，虽然新能源汽车补贴政策经历了多次调整，但对于高续航、高能量密度的产品依旧大力支持。不过有专家曾指出，三元锂离子动力电池目前已经可以看到能量密度的“天花板”（难以突破350Wh/kg），未来要突破瓶颈，达到2025年的400Wh/kg，可能需要寄希望于固态电池。（注：目前主流商用锂电池能量密度不到250Wh/kg）

　　由此可见，固态电池几乎可以视为传统（液态）锂电池的继任者，这也是各国家和企业大力研发的原因。根据国家知识产权战略网的统计显示，截止到2018年12月31日，全球在固态锂电池领域提交专利申请共9232件，其中日本在该领域的专利申请量最多，占申请总量的41%；中国和美国次之，占比分别为23%和18%；韩国占比为11%。

　　在产业化进度方面，中日韩欧美共53家企业布局研发固态电池，其中9家专注硫化物固态电池。其中，日本联合丰田、松下等公司和高校发展硫化物固态电池，预计到2025、2030年，硫化物全固态电池在日本动力电池市场的渗透率分别达50%、95%以上；韩国三星也已经开发出60℃下1000多次循环的硫化物全固态电池。

　　在国内方面，固态电池的研发主要依托于中科院等科研机构，并且在氧化物固态电池技术方面全球领先。值得一提的是，近几年部分企业开始尝试将科研成果进行产业化，其中辉能科技、清陶能源、北京卫蓝、赣锋锂业等已经推出了商用产品。

5、固态电池未来展望

　　虽然目前中国在固态电池领域的积累跟日本等国还有一定的差距，不过得益于市场的巨大需求，近年来也在不断赶超。另外，政策也给予了固态电池极大的关注，在2019年末发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》中，还首次将固态电池上升到了国家层面。

　　中科院院士欧阳明高指出：“2025年的目标（400Wh/kg）可以依靠正极材料由高镍三元向高容量富锂锰基材料转变实现，但基本到达极限；而要想实现2030年目标（400Wh/kg），固体电解质层面的突破是一条必由之路。”

　　正是由于潜力巨大，全球不少车企已纷纷加码固态电池领域。其中，丰田的技术储备最为深厚，拥有一千多项固态电池的相关专利，并计划在2021年的东京奥运会上推出固态电池的商用车型；大众汽车也早在2012年就开始布局固态电池领域。此外，宝马、雷诺日产联盟、现代等海外车企也均在积极布局。

　　根据SNE Researchd的测算，2025年固态电池全球市场空间有望达到60亿元，中国市场这一数值将有望达到30亿元；2030年全球固态电池需求有望接近500GWh，总产值将达200亿元。总的来说，从长期视角来看，固态电池很有可能成为未来的主流电池。

6、蔚来的固态电池是不是“真固态”？

　　看完了以上对固态电池的介绍，让我们再看判断下蔚来在NIO Day 2020上发布的固态电池是不是“真固态”？根据官方介绍，该电池的正极为高镍材料，负极采用硅碳，而电解质为“固化工艺的固液电解质”。单从“固液电解质”和硅碳负极来看，首先可以排除的是全固态锂电池。

　　而据蔚来汽车电池系统助理副总裁曾士哲的描述，该电池仍需要电解液、隔膜。事实上，半固态锂电池的内部结构与传统（液态）锂电池的结构相近，但与全固态电池还是有本质的区别。另外，蔚来创始人、CEO李斌也表示：“全固态电池的量产还是很远的事情，原因是目前固态电池的市场需求很低。”因此，也从侧面证实了该产品是“半固态电池”。

　　此外，最近关注度较高的广汽埃安石墨烯基电池和硅负极电池、智己汽车的掺硅补锂电池，在原理上也都不属于固态电池的范畴，它们都是在现有三元锂电池的基础上，对电极材料进行了优化，从而提升电池的整体性能，但并没有本质上的创新。

★ 全文总结：

　　总的来说，固态电池的技术路线是正确的，但目前还不具备商业化的条件，主流观点认为需要到2025-2030年才能大规模量产。因此，各大车企开始提前布局固态电池领域，这本身是无可非议的，不过如果打着“固态电池”的噱头，来混淆概念、误导消费者，这样的做法也是万万不可取的。你认为固态电池能否成为革命性的“黑科技”？不妨在评论区进行讨论。（文/汽车之家 侯明浩）