全球知名車企之一的豐田公司曾公開表態(tài)，將在2020年推出使用固態(tài)電池的新能源汽車。日前，豐田聲稱：相比鋰電池，固態(tài)電池的能量密度可以提高兩倍以上，且固態(tài)電池不受低溫影響，充電速率更高。在電池壽命方面，豐田表示這種固態(tài)電池即便在使用30年后仍可以保持90%的性能。當(dāng)然，由于固態(tài)電池成本因素，其市場(chǎng)初期價(jià)格要高于傳統(tǒng)鋰離子電池。
眾所周知，鋰離子電池是目前移動(dòng)供電的最佳物質(zhì)載體，推動(dòng)了新能源汽車、筆記本電腦、智能手機(jī)、電動(dòng)工具、電化學(xué)儲(chǔ)能、無(wú)人機(jī)等多個(gè)行業(yè)的大發(fā)展，是一系列應(yīng)用創(chuàng)新的奠基者。然而，它們?cè)谙M(fèi)電子產(chǎn)品以及電動(dòng)汽車領(lǐng)域的推廣普及，并不能掩蓋其在安全性、性能、外形尺寸和成本方面的局限性。
當(dāng)前大多數(shù)鋰離子技術(shù)都使用液體電解質(zhì)，在有機(jī)溶劑中帶有鋰鹽，例如LiPF6、LiBF4或LiClO4。由于電解質(zhì)在負(fù)電極處的分解而導(dǎo)致的固體電解質(zhì)界面，限制了有效電導(dǎo)率。液體電解質(zhì)需要昂貴的膜來(lái)分隔陰極和陽(yáng)極，還需要不滲透的外殼來(lái)避免泄漏問(wèn)題。因此，這些都限制了電池尺寸和設(shè)計(jì)的自由度。此外，由于液體電解質(zhì)使用易燃和腐蝕性液體，還存在安全和健康問(wèn)題。
據(jù)《2019年動(dòng)力電池安全性研究報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，2019年1—7月國(guó)內(nèi)外媒體所報(bào)道的與動(dòng)力電池相關(guān)的電動(dòng)汽車安全事故達(dá)到40余起，2019年國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局因電池問(wèn)題而召回的新能源汽車占總召回量的18.68%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年內(nèi)已發(fā)生超過(guò)50起新能源車型的起火事件。而在電池失控的主要觸發(fā)條件當(dāng)中，短路問(wèn)題占大部分（大于90%）。對(duì)于傳統(tǒng)的鋰離子電池而言，大電流充電時(shí)內(nèi)阻的增大會(huì)導(dǎo)致焦耳發(fā)熱效應(yīng)加劇，進(jìn)而帶來(lái)副反應(yīng)，如電解液的反應(yīng)分解、產(chǎn)氣等一系列問(wèn)題。
據(jù)了解，目前的高鎳材料、碳硅負(fù)極的鋰電池，單體能量密度最高應(yīng)該在300Wh/kg左右（正負(fù)不超過(guò)20Wh/kg），高端鋰離子電池在電池單元級(jí)別的能量密度可以達(dá)到700Wh/kg以上，可助力電動(dòng)汽車的最大行駛里程約為500kM。雖然，改進(jìn)的高鎳陰極材料可以進(jìn)一步提升能量密度，但是活性材料的特性可能會(huì)有一個(gè)閾值。
面對(duì)上述“掣肘性”問(wèn)題，固態(tài)電池有望予以解決，特別是在電動(dòng)汽車、可穿戴設(shè)備和無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)鋰離子電池采用隔膜+電解液中間含有液態(tài)物質(zhì)，而固態(tài)電池則使用固態(tài)電解質(zhì)。
在20世紀(jì)70年代，固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了第一次應(yīng)用，作為起搏器的原電池：一片鋰金屬與固體碘接觸，這兩種材料的組合就像短路的電池，它們的反應(yīng)導(dǎo)致在其界面處形成碘化鋰層，碘化鋰層形成后幾年內(nèi)，仍有很小的恒定電流從鋰陽(yáng)極流向碘陰極。
而到2011年，豐田公司和東京理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種硫化物材料，該材料具有與液體電解質(zhì)相同的離子電導(dǎo)率。5年后，經(jīng)過(guò)不斷努力他們又將這一數(shù)值翻了一番，從而使固態(tài)電解質(zhì)在大功率應(yīng)用和快速充電應(yīng)用方面更具潛能。這些創(chuàng)新性進(jìn)展都推動(dòng)了對(duì)新型材料的研究和投資，而這些新材料可以使當(dāng)前的鋰離子電池能量密度增加3倍。
固態(tài)電解質(zhì)取代液體電解質(zhì)可以使其成為更安全、更耐用的電池，因?yàn)樗鼈兏蜏囟茸兓褪褂眠^(guò)程中引起的物理?yè)p壞。固態(tài)電池在降解前可以處理更多的充放電循環(huán)，有望延長(zhǎng)電池的使用壽命。更好的安全性，意味著電池模塊/電池組中可以安裝更少的安全監(jiān)控電子設(shè)備。
由于固態(tài)電解質(zhì)可以提供更大的電化學(xué)窗口，因此還可以使用高壓陰極材料和鋰金屬。此外，高能量密度的鋰金屬陽(yáng)極可進(jìn)一步將能量密度推至1000 Wh/kg以上，這些特點(diǎn)都可以使固態(tài)電池在安全性、性能、成本等方面更具優(yōu)勢(shì)。
同時(shí)，由于電極和電解質(zhì)都是固態(tài)的，固態(tài)電解質(zhì)通?？梢云鸬礁舭宓淖饔茫承┙M件（例如隔板和外殼）以縮小電池尺寸，減少電池的體積和重量，還能使電池組中的電池排列更加緊湊。而與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，它們有可能做得更薄、更柔軟并且每單位重量能夠包含更多的能量。例如，雙極性的布置可以使電池的電壓和容量更高，而簡(jiǎn)化的連接可以為電池組提供了額外的空間，使其可以容納更多的電池。
當(dāng)前，全球?qū)Ω鞣N固態(tài)電池公司的投資反映了固態(tài)電池的巨大潛力，據(jù)統(tǒng)計(jì)到2030年固態(tài)電池的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)60億美元。從技術(shù)和商業(yè)角度來(lái)看，固態(tài)電池的開發(fā)已成為下一代電池戰(zhàn)略的一部分。
固態(tài)電池并非僅基于單一技術(shù)，該行業(yè)有多種可用的技術(shù)方法，不同的材料選擇和制造程序的變化表明了電池供應(yīng)鏈的重組。目前，已經(jīng)在使用或接近商用的固態(tài)鋰電池電解質(zhì)有聚合物、硫化物和氧化物，其中氧化物電解質(zhì)性能最優(yōu)。
到目前為止，聚合物、氧化物和硫化物系統(tǒng)之間的競(jìng)爭(zhēng)還不清楚，電池公司嘗試多種方法是很常見的。就目前情況來(lái)看，歐洲固態(tài)電池發(fā)展主要聚焦于聚合物體系，美國(guó)傾向于固液混合，亞洲的中日韓主要是氧化物體系。
聚合物體系易于加工，最接近商業(yè)化，但相對(duì)較高的操作溫度、較低的抗氧化電位和較差的穩(wěn)定性使其存在著極大挑戰(zhàn)。據(jù)悉，法國(guó)Bollore推出了最新的LMP四代聚合物固態(tài)電池，循環(huán)性能較好，但能量密度仍需提升。裝載Blue LMP電池的電動(dòng)汽車Blue Car最高時(shí)速可達(dá)130km/h，均速行駛可續(xù)航250km。6m長(zhǎng)BlueBus可以實(shí)現(xiàn)140~180km最大續(xù)航，12m長(zhǎng)BlueBus最大續(xù)航可達(dá)到220~280km。
硫化物電解質(zhì)具有離子電導(dǎo)率高、加工溫度低、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬等優(yōu)點(diǎn)，許多特性使其具有吸引力，被許多人認(rèn)為是最終的選擇。然而，制造的難度和過(guò)程中可能產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)品使其商業(yè)化相對(duì)緩慢。目前，豐田與松下合資的公司正在研發(fā)硫化物固態(tài)電池，雖已推出固態(tài)電池原型產(chǎn)品，但真正市場(chǎng)化應(yīng)用預(yù)計(jì)要到2025年前后，除了技術(shù)還需要不斷完善外，成本過(guò)高也是一大阻礙。
據(jù)豐田稱，該固態(tài)電池在充電速度方面，電量從0到100%僅需15min；在電池壽命方面，計(jì)劃使用30年后仍能保持90%以上的性能；在能量密度方面，計(jì)劃到2025年將固態(tài)電池能量密度提升到現(xiàn)有鋰離子電池能量密度的2倍以上，預(yù)計(jì)可達(dá)到450Wh/kg。
氧化物電解質(zhì)比較適合動(dòng)力電池，如今國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)選擇了金屬氧化物動(dòng)力電池，其制造工藝和性能水平也在穩(wěn)步提升。氧化物電解質(zhì)的穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長(zhǎng)（可達(dá)1000次以上），能量密度較高，倍率性能較好。氧化物電解質(zhì)（鋰鑭鋯氧）物料價(jià)格低廉且電芯容易組裝，封裝成本低。如果加工成本低于4.4美元/kWh，其電芯成本將低于傳統(tǒng)電池。
固態(tài)電池加工中沒(méi)有注液等工藝，加工成本及電池產(chǎn)線投資都低于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池。據(jù)輝能測(cè)算，就目前的技術(shù)，當(dāng)固態(tài)電池的產(chǎn)能超過(guò)20GWh時(shí)，固態(tài)電池組裝的成本將低于傳統(tǒng)電池。目前，科技人員和企業(yè)也正在尋找進(jìn)一步降低固態(tài)電池成本的技術(shù)和工藝。但較高的界面電阻和較高的加工溫度仍是一大挑戰(zhàn)，如果能將阻礙氧化物電解質(zhì)大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)難題加以解決，固態(tài)電池的量產(chǎn)成本或可與液態(tài)電池相媲美。
當(dāng)前，輝能在臺(tái)灣設(shè)有40MWh的硫化物固態(tài)電池中試線產(chǎn)能，產(chǎn)業(yè)化時(shí)間預(yù)計(jì)在2021年，其桃園G2線量產(chǎn)后產(chǎn)能將達(dá)1~2GWh。輝能與東方蜂巢等共同投資的青山湖科技城項(xiàng)目，將建設(shè)2GWh、5GWh固態(tài)鋰陶瓷電池芯生產(chǎn)線，并將考慮與車企合資建設(shè)產(chǎn)線等。
在便利性方面，在快速建設(shè)的充電網(wǎng)基礎(chǔ)上，固態(tài)電解質(zhì)同樣支持快充。鋰離子電池充電分為三部分：電量最低時(shí)的涓流充電（0.1C最慢），電量中等時(shí)的恒流充電（可以快充），電量快滿時(shí)的恒壓充電（較慢）。恒流充電階段實(shí)現(xiàn)快充相對(duì)簡(jiǎn)單，而固態(tài)電池在恒流充電階段做到快充也并不困難。據(jù)輝能此前提供的數(shù)據(jù)，2019年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5C倍率12min充電91.7%。
在愈加嚴(yán)格的碳排放標(biāo)準(zhǔn)下，中國(guó)、美國(guó)、日本及歐盟成員國(guó)等主要國(guó)家和地區(qū)都相繼出臺(tái)了各種扶持政策，如燃油車禁售時(shí)間表和電動(dòng)汽車發(fā)展目標(biāo)，以促進(jìn)電動(dòng)汽車的技術(shù)提升和市場(chǎng)推廣。
固態(tài)鋰電池作為動(dòng)力電池領(lǐng)域的新技術(shù)，不但可以解決電動(dòng)汽車的安全性問(wèn)題，也能通過(guò)提升續(xù)航能力及快充方式等提高便利性，如果能在經(jīng)濟(jì)性上與傳統(tǒng)鋰電池相媲美，電動(dòng)汽車固態(tài)電池時(shí)代可能會(huì)加速到來(lái)。
