全固态電池，“鴻溝”難跨

今天小編分享的汽車經驗：全固态電池，“鴻溝”難跨，歡迎閲讀。

導語

Introduction

" 目前可以這麼説，界面問題是全固态電池最難逾越的一個鴻溝。"

作者丨王小西

責編丨羅超

編輯丨靳鵬輝

豐田汽車沉寂已久的固态電池又有動靜和希望了。

6 月 14 日，豐田章男當選，連任董事長。而此前一天的技術説明會上，豐田汽車宣布了固态電池的量產消息。豐田汽車 CTO 中島裕樹表示，已經找到了很好的材料，能夠在 2027 年至 2028 年實現該技術的商業化，向市場投放配備全固态電池的純電動汽車。

問題是，豐田一再推遲全固态電池的量產時間，這次雖然再次重申量產時間，但并沒有公布什麼有價值的技術細節。所以，你相信豐田能順利量產全固态電池嗎？

為什麼要做固态電池？

實際上，固态電池确實很難實現量產，我也一直斷言會止步于半固态電池。因為，有一道 " 鴻溝 "。

就連電池霸主 " 寧王 " 都頭大。6 月 9 日的 2023 世界動力電池大會上，寧德時代首席科學家吳凱就匆匆講了兩句全固态電池，然後説台下坐着兩位院士，不班門弄斧了。

此前，寧德時代董事長曾毓群也説過，" 固态電池有很多科學及技術的基礎問題尚未解決，我們公司深耕 10 多年，仍然認為難以形成有技術可行性和市場競争力的產品。"

5 月 12 日，在首爾舉行的 " 新一代電池研讨會（NGBS2023）" 上，LG 能源的解決方案 TI 戰略組組長張赫鎮（音譯）表示：" 全固态電池等新一代電池在 2030 年也很難實現商用化，預計到 2030 年将以锂離子電池為中心形成市場。"

既然那麼難，為什麼大家還一窩蜂地非要去搞固态電池呢？

上次我在國軒高科的第十二屆科技大會期間的專訪中，專門問過國軒高科國際業務板塊執行總裁程骞博士，他一句話説到了根子上，" 很簡單，這是因為實驗室裏面‘走通’了。"

眾所周知，任何電池產品要能夠實現商業化量產，最重要的前提就是實驗室裏能夠 " 走通 "（就是通過實驗實現結果）。但是，從目前研發的艱難程度來看，實驗室能走通，也不代表最終就能量產。

這裏面很重要的一點是，實驗室可能也就實現循環幾百、上千小時，然後就可以出很漂亮的論文。但是要量產，電池裝車後是要連續跑 5~10 年的，是不能出任何質量問題的。所以，這不是一個數量級的問題。

目前，豐田在全固态電池領網域一直堅持硫化物路線，現有專利超過 1000 件。不過，此前豐田在固态電池領網域的研究并不順利，量產時間一直往後推遲。

而且，2021 年左右豐田将全固态電池裝在混合動力車型上路測，發現電池壽命非常短，遑論量產應用在純電動車型上。從那時候開始，豐田就重點研究全固态電池的使用壽命問題。

循環問題，也就是電池壽命問題。就像前面所説，電極與電解質之間的界面接觸，由原來的固 - 液接觸變為固 - 固接觸，在循環過程中，由于枝晶的問題，容易造成應力堆積，電化學性能衰減，甚至導致裂縫的出現，容量快速衰減，循環壽命差。

所以，這就是為什麼我説固态電池将 " 止步于半固态電池 "。就像中國科學院上海硅酸鹽研究所能源材料主任温兆銀所説，" 可以這麼説，界面問題是全固态電池最難逾越的一個鴻溝。"

不僅如此，豐田負責技術的董事前田昌彥曾表态稱，在電動車的推廣中，安全、壽命、品質、成本和高能量密度必須實現平衡。也就是説，不能有任何短板。從目前的表态看，這次豐田汽車只是説自己找到了很好的材料，但又沒有説明是什麼材料。解決了什麼問題，也沒説太清楚。

而下一階段的難題也随之而來，即如何量產低成本、高性能的全固态電池。當然，目前業内誰也説不清楚。程骞也説過，" 全固态是一個終極目标。我認為（量產）至少 2027 年以後，還需要一定的時間。"

固态電解質的問題

實際上，全固态電池的初衷，是為了終極解決安全性的問題。

電池產生安全性問題，包含高温、燃料、氧氣三個要素。而目前通用的锂離子電池完美地包含了三個條件，比如，短路會產生高温，裏面的溶劑碳酸脂是天然的燃料，正極材料分解又會產生氧氣。

雖然锂離子電池通過采用耐高温陶瓷隔膜、正負極材料表面修飾、優化電池結構設計、優化 BMS、改善冷卻系統等措施，可以在很大程度上提高安全性，但是，無法從根本上保證大容量電池的安全性。

全固态電池，理論上是解決了這個問題。比如，豐田研發的硫化物全固态電池，實現了去掉 " 燃料 " 這個因素，裏面沒有液态的碳酸脂的燃料，就非常難着火。

" 全固态電池還有一個好處，不需要熱管理。它的温度區間非常大，從零下 40 度 ~100 度性能都差不多，不像液态電池到了低温零下 20 度性能就不好了。"

而全固态電池的核心，就是固态電解質。從目前研發的固态電解質來看，主要有三類，分别是聚合物、氧化物、硫化物等。

其中，豐田的硫化物路線，是三種電解質中目前理論上最佳的固态電解質材料，其優勢是能量密度可以輕松超過三元電池的 3 倍，被認為發展潛力最大。

硫化物由氧化物固體電解質衍生而來（硫元素替換氧元素），同樣，它也分為晶态和非晶态兩種，晶态最典型的是 Thio-LISICON 型，還有 LGPS 型、Argyrodite 型；非晶态主要是 LPS 型。硫化物固态電解質的電導率最高，并且電化學穩定視窗較寬，可以在 5V 以上，且兼具強度和加工性能、界面相容性好。

所以，硫化物固态電解質雖然研發難度高，卻成為豐田、LG、松下等有實力的企業主要選擇的路徑，如果能突破，就會形成高技術壁壘。

但硫化物有個明顯的缺點，就是熱穩定性差。熱反應起始温度 400～500 度。對水敏感，容易和空氣中的水、氧氣反應產生硫化氫劇毒氣體，這也導致體制備工藝復雜。此外，硫化物與正極材料兼容度差，對锂金屬穩定性差，會發生反應，導致離子電導率的損失。

還有一點，硫化物電解質的成本很昂貴。根據相關數據，氧化物的電解質成本最高的是 LLZTO，為 32.82 萬元 / 噸，最低的是 LLTO，為 2.11 萬元 / 噸，而硫化物電解質 LGPS 的成本為 120.84 萬元 / 噸。

另一個路線，是聚合物電解質。因為易于合成加工，機械性能好，柔性佳等優點，并且與現有的液态電解質生產工藝兼容，所以，聚合物固态電池率先在歐洲實現商業化應用，技術最為成熟。

不過，它的室温電導率不高，需要加熱到 60 ° 高温才能正常工作，另外穩定性也不算太好，不能适配高電壓的正極材料，且在高温下也會發生燃燒現象。此外，還有電化學視窗窄，電位差太大時（大于 4V）電解質容易被電解等問題。因此，整體性能提升有限，制約了其大規模應用發展。

最後一個，目前最主流的路線是氧化物電解質。

氧化物電解質分為晶态、非晶态兩類，其中晶态電解質包括钛礦型、NASICON 型、LISICON 型以及石榴石型等等，非晶态氧化物電解質的研究熱點是用在薄膜電池中的 LiPON 型電解質。

氧化物固态電解質的電導率比聚合物更高，比硫化物更低，兼具機械穩定性和電化學穩定性。劣勢是不易燒結，氧化物電解質需要 800 度以上的高温燒結才可以致密成型。另外，存在剛性界面接觸問題、脆度高難以加工。

不過，氧化物的熱穩定性非常優秀。據中科院研究員陳汝頌等此前的統計，三大固态電解質的熱失控初始温度均超過液态電解質，其中又以氧化物電解質的安全性最高，熱失控初始温度超過 600 ° C，最高可以達到 1800 ° C，電池燃燒問題基本可以杜絕。

從整體看，氧化物綜合性能好，體系制備難度适中，目前發展得很快。值得一提的是，目前已經有通過選用聚合物 + 氧化物的方式實現性能突破，以半固态電池規模量產的做法。

半固态的 " 擦邊球 "

雖説傳統锂離子電池的能量密度越來越接近理論上限，但是，目前全固态電池由于其特性，能量密度高的優勢還顯現不出來。

特别是寧德時代發布 " 凝聚态電池 " 後，固态電池略顯尴尬。除了安全性和壽命問題，能量密度也被半固态電池給 " 超了 "。

" 全固态電池的難度是非常大的，所以，大家現在把固态電池概念拓展得非常廣。"換句話説，全固态電池是個很理想化的 " 坑 "，那麼，打着固态電池旗号的半固态電池正好是不錯的解決之道，也不斷有新的突破。半固态電池的量產，也不斷提上日程。

這裏解釋一下，依據電解質分類，電池可細分為液态（25wt%）、半固态（5-10wt%）、準固态（0-5wt%）和全固态（0wt%）四類，其中半固态、準固态和全固态統稱為固态電池，所以 " 打擦邊球 " 也沒毛病。

比如，上汽連續投資的清陶能源，去年官方披露的信息是，第一代固态電池（半固态電池）已完成裝車試驗，單體能量密度達到 368wh/kg（相比磷酸鐵锂電池，能量密度提升 100% 以上），測試車輛最大續航裏程達 1083 公裏。

2024 年上半年，智己汽車搭載固态電池的高性能、長續航車型将首先實現規模化量產。2025 年起，雙方還将聯合推出新一代固态電池，相關技術方案可以大幅提升電動車續航裏程，徹底解決 " 裏程焦慮 "，同時，電池成本更比同等規格磷酸鐵锂或三元離電池低 10~30%。

此外，蔚來 ET7、東風 E70、岚圖追光等車型，都曾宣布搭載半固态電池。5 月 24 日，蔚來在發布會上表示 150kWh 半固态電池包将于 7 月上線，" 該電池包采用超高鎳正極 + 預锂化硅碳負極 + 固态電解質（固态 + 液态）+ 隔膜。" 而用上該電池包的 ES6，CLTC 純電續航達到 930 公裏。

不過，蔚來聯合創始人、總裁秦力洪表示，150kWh 電池包成本相當于一輛 ET5（75kWh 電池版整車 32.8 萬元，租賃 25.8 萬元），可見成本有多高。所以，還需要進一步降本。

當然，資本市場對于固态電池更是波瀾不驚。畢竟，固态電池早已不是新話題，而且，經過多年炒作之後，其前景仍晦暗不明，存在巨大分歧。

比如，深度綁定大眾的 QuantumScape，在全固态電池的開發上也遭遇了股價 " 滑鐵盧 "。雖説 800 次循環後至少保持 80% 的容量，1000Wh/L 存儲電量（380~500Wh/kg）續航提升 80%，最高可達 2000 公裏，不過量產時間依舊遙遙無期。