以固態(tài)電池為核心的不同發(fā)展路線

前言： 固態(tài)電池作為新的鋰電池終結(jié)者方向，正在成為新能源汽車干掉燃油車的殺手锏。

但對于固態(tài)電池來說，無論是技術(shù)指標(biāo)上的能量密度、循環(huán)壽命、安全、成本等要素，缺少哪一個(gè)，都是規(guī)模商業(yè)化路途的攔路虎。

以固態(tài)電池為核心的不同發(fā)展路線

由于固態(tài)電池的故事改變了人類儲能方式，誰攻克了它，就能掌握新能源動力的核心。

日韓傾舉國之力推進(jìn)硫化物材料技術(shù)路線，歐洲走聚合物，而中國主要走氧化物路線，美國則是以創(chuàng)業(yè)公司為主，同時(shí)推進(jìn)多條路線。

在實(shí)驗(yàn)室里，可以用制造芯片的納米級精度設(shè)備與工藝，來制備樣品，但對大規(guī)模生產(chǎn)就過于昂貴了。

但如果用更便宜的手段，還能否保持高良品率，也是未知數(shù)。

未來鋰電池的主流技術(shù)路徑屬于固態(tài)電池

長期以來，續(xù)航和快充是新能源車的阿克琉斯之踵，里程焦慮是令人尷尬的［常態(tài)］。

根據(jù)國家2020年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，我國純電動汽車動力電池的能量密度，2025年目標(biāo)為400Wh/kg，2030年目標(biāo)為500Wh/kg。

這對于現(xiàn)在的液態(tài)鋰電池技術(shù)來講是困難重重。

電解質(zhì)、正極等材料均沒有出現(xiàn)顛覆性替代的產(chǎn)品，沒有形成產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和需求增長，對鋰電池行業(yè)提出了愈來愈高的要求，鋰電池技術(shù)不斷進(jìn)步，向更高性能及安全性進(jìn)發(fā)。

其中較為明顯的優(yōu)勢有：

①固態(tài)電解質(zhì)具有不易燃、無腐蝕、無揮發(fā)等特性，在安全性方面遠(yuǎn)優(yōu)于液態(tài)電池；

②能量密度更高，理論上固態(tài)電池的能量密度可以達(dá)到400-500Wh/kg，進(jìn)而提升電動車輛的續(xù)航能力；

③由于固態(tài)電解質(zhì)取代正負(fù)極之間的隔膜電解液，使得電池更薄、體積更小，全固態(tài)電池技術(shù)也是電池小型化、薄膜化的必經(jīng)之路。

三大路徑優(yōu)勢與缺點(diǎn)都明顯

目前主流的三種技術(shù)路徑分別是：硫化物、氧化物和聚合物。

①聚合物

聚合物最初被認(rèn)為是合適的候選材料，最早實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池裝車測試。

聚合物的優(yōu)點(diǎn)是易加工，與現(xiàn)有的液態(tài)電解液的生產(chǎn)設(shè)備、工藝都比較兼容，它的機(jī)械性能好比較柔軟。

但它的缺點(diǎn)也十分致命，首先是電導(dǎo)率太低，需要加熱到60度高溫才能正常工作；

其次是與鋰金屬的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致它沒有辦法適配于高電壓的正極材料，所以限定了它的能量密度。

因此，聚合物雖然是三條技術(shù)路線中最早開始推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用的，但到現(xiàn)在也沒有大面積鋪開。

②硫化物

硫化物三種材料體系中電導(dǎo)率最高的，并且電化學(xué)穩(wěn)定窗口較寬（5V以上），但熱動力穩(wěn)定性很差，如何保持高穩(wěn)定性是一大難題。

硫化物是全固態(tài)電池中潛力最大的，諸多動力電池巨頭（豐田、LG、松下等）選擇其為主要技術(shù)路徑。

③氧化物

氧化物具有較好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，并且離子電導(dǎo)率比聚合物更高，熱穩(wěn)定性高達(dá)1000度，同時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性也都非常好。

但氧化物的缺點(diǎn)是，相對于硫化物，電導(dǎo)率還是偏低的，這使得在性能中會遇到容量、倍率性能受限等一系列問題。

這些核心問題導(dǎo)致氧化物體系不大可能是全固態(tài)電池。

國內(nèi)以固液混合技術(shù)路線為主

目前國內(nèi)都在研發(fā)的，其實(shí)是固液混合方向，既有氧化物的固態(tài)電解質(zhì)層，又有電解液浸潤，這樣能夠填充孔隙，讓它有完好的導(dǎo)鋰通道。

中國主要押注的是氧化物路線，中國四大頭部固態(tài)電池公司（北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶、寧波鋒鋰、臺灣輝能），都是以氧化物材料為基礎(chǔ)的固液混合技術(shù)路線為主。

固液混合并不是一個(gè)過渡技術(shù)，它可以算是固態(tài)電池的一種，甚至如果全固態(tài)電池走不通的話，也有可能成為一個(gè)最終的解決方案，這些現(xiàn)在都還很難準(zhǔn)確預(yù)測。

目前，其實(shí)不少材料能產(chǎn)生不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但離上車應(yīng)用與規(guī)?；a(chǎn)都還有很遠(yuǎn)的距離。

固態(tài)電池的技術(shù)路徑并非絕對，不同特性能適應(yīng)不同場景。

固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化路徑

雖然固態(tài)電池概念起源較早，部分企業(yè)也很早在固態(tài)電池領(lǐng)域持續(xù)布局，但目前行業(yè)仍然面臨前述的諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化舉步維艱。

從行業(yè)發(fā)展策略分析，預(yù)計(jì)固態(tài)電池的發(fā)展路徑基本遵循逐步降低電解質(zhì)中液體含量、由半固態(tài)向全固態(tài)進(jìn)步的大方向。

電解質(zhì)體系中的液體含量將逐步從25%降至0%，而負(fù)極材料將同步從現(xiàn)有的石墨負(fù)極逐步向鋰金屬負(fù)極過度，能量密度大幅提升，安全性能有效改善。

短期之內(nèi)，由于半固態(tài)電池與現(xiàn)有鋰電制作工藝基本兼容，對現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈沖擊較小，預(yù)計(jì)未來2—3年其有望伴隨超長續(xù)航電動車的推出實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

初創(chuàng)企業(yè)以衛(wèi)藍(lán)新能源（氧化物）、清陶能源（氧化物）、恩能新能源（硫化物）為代表；傳統(tǒng)鋰電巨頭包括寧德時(shí)代（硫化物）、比亞迪（硫化物）、贛鋒鋰業(yè)（氧化物）。

蘋果想從基帶芯片中降低產(chǎn)品成本規(guī)模量產(chǎn)處于龜速爬行

相較于其他鋰離子動力電池，固態(tài)電池的技術(shù)指標(biāo)比較優(yōu)越，但這些數(shù)據(jù)也是實(shí)驗(yàn)室里面的溫室指標(biāo)。

在實(shí)際量產(chǎn)的過程中，仍然存在許多尚未攻克的瓶頸。

①固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率較低，充電比較慢，固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差，電解質(zhì)對空氣敏感等問題。

②制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)工藝不成熟。舉例來說，制造固態(tài)電池的氧化物和硫化物電解質(zhì)，屬于多孔隙的陶瓷材料，想要加工成很薄的電解質(zhì)很困難，稍有不慎就會斷裂。

③全固態(tài)電池的制備工藝復(fù)雜，且固體電解質(zhì)較貴，現(xiàn)階段全固態(tài)電解質(zhì)鋰動力電池的成本較高。

④現(xiàn)階段的固態(tài)電池多是實(shí)驗(yàn)室中的溫室產(chǎn)品，實(shí)際落地經(jīng)過測試的電池屈指可數(shù)，以現(xiàn)有的工藝水平和設(shè)備能力，成品的良率也無法保障，更不用說大規(guī)模的量產(chǎn)上市。

技術(shù)路徑差異最后落到成本頭上

固態(tài)電池的成本高昂受限于兩點(diǎn)：

①原材料的成本問題，例如鋰硫化物的價(jià)格是碳酸鋰的5-10倍左右；

②固態(tài)電池對于生產(chǎn)環(huán)境與原材料純度的要求極高，會導(dǎo)致對于生產(chǎn)設(shè)備的投資較高。

原材料成本持續(xù)飆漲，已經(jīng)成為限制動力電池發(fā)展的最大攔路虎。

基于目前的情況來說，韓國研究機(jī)構(gòu)SNE預(yù)計(jì)全固態(tài)電池的成本，至少會是鋰離子電池的兩倍。

①低成本固態(tài)電解質(zhì)材料問題，綜合性質(zhì)優(yōu)異的滿足大規(guī)模應(yīng)用需求的低成本電解質(zhì)材料仍較缺乏。

②電解質(zhì)與正負(fù)極材料的界面匹配性問題，正負(fù)極材料與固態(tài)電解質(zhì)界面存在化學(xué)、電化學(xué)不兼容的問題。

③大容量電池工程化制備工藝及專用設(shè)備問題，滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的電池制備工藝及關(guān)鍵設(shè)備有待進(jìn)一步開發(fā)。

④循環(huán)過程中的界面穩(wěn)定性問題，正負(fù)極材料與固態(tài)電解質(zhì)存在力學(xué)不兼容，固-固界面隨循環(huán)剝離。

結(jié)尾：

無論企業(yè)是仍然堅(jiān)持全固態(tài)電池路線，還是折中選擇半固態(tài)路線，固態(tài)電池的技術(shù)路線都存在不確定性。

行業(yè)內(nèi)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，半固態(tài)電池或許能夠在2025年左右實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，但全固態(tài)電池完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至少還要10年的時(shí)間。

十年的時(shí)間線發(fā)展，固態(tài)電池最終到底是不是動力電池的終極路線，也沒人能百分百確定。

審核編輯 ：李倩