鋰電池作為新能源界的“老人”，自1991年索尼將其帶入電子設(shè)備以來(lái)就一直備受關(guān)注，液態(tài)鋰電池發(fā)展至今已經(jīng)成為了技術(shù)比較成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)路線之一。與之相對(duì)的，液態(tài)鋰電池的天花板也來(lái)越接近了，不管是磷酸鐵鋰，還是三元電池，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，可提升空間終究會(huì)不斷減少。
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電終有天花板
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學(xué)家們形象的稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池的充放電便完成了。
（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）
能量密度是動(dòng)力電池性能的第一標(biāo)準(zhǔn)，隨著我國(guó)的政策轉(zhuǎn)換，對(duì)于動(dòng)力電池的能量密度要求也有了明確規(guī)定，政策終點(diǎn)也從能量密度，向安全性轉(zhuǎn)移，兼顧安全與能量密度的電池技術(shù)還未能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但傳統(tǒng)液態(tài)鋰電不會(huì)是動(dòng)力電池技術(shù)的終點(diǎn)。
固態(tài)電池開啟新篇章
在固態(tài)離子學(xué)中，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高，所以是電動(dòng)汽車的理想電池。在2020年，固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)有望取得突破性進(jìn)展，在成本、能量密度和生產(chǎn)過(guò)程等方面進(jìn)一步趕超鋰離子電池技術(shù)。
固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)
固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還減輕了重量。
（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）
傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，他們加起來(lái)占據(jù)了電池近40%的體積和25%的質(zhì)量。而固態(tài)電解質(zhì)可以將正負(fù)極間距縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低，因此全固體電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。
傳統(tǒng)鋰電可能會(huì)發(fā)生因?yàn)楣ぷ麟娏鬟^(guò)大而出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路；電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇。采用固態(tài)電池技術(shù)，可以有效避免這兩個(gè)問題，從而電池的安全性得到極大提高。
發(fā)展前景
固態(tài)電池也被廣泛期待成為下一代動(dòng)力電池，在過(guò)去十年，相關(guān)專利數(shù)量增長(zhǎng)超過(guò)10倍。但由于固態(tài)電池技術(shù)尚未成熟，距離大規(guī)模量產(chǎn)還有較大距離。預(yù)計(jì)在2025年前后，半固態(tài)電池可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，2030年前后實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。
固態(tài)電池潛力巨大，有希望獲得安全性更高、單體能量密度更高（>350Wh/kg）和壽命更長(zhǎng)（>5000次）的動(dòng)力電池。在固態(tài)電池的迭代過(guò)程中，液態(tài)電解質(zhì)含量將從20wt%降至0wt%，電池負(fù)極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至500Wh/kg，電池的工作溫度范圍擴(kuò)大至三倍以上。
固態(tài)電池憑借高能量密度和高安全性的優(yōu)勢(shì)已獲得很多企業(yè)的青睞和布局�？v覽全球固態(tài)電池企業(yè)，有初創(chuàng)公司，也不乏國(guó)際廠商，企業(yè)之間獨(dú)踞山頭信仰不同的電解質(zhì)體系，還未出現(xiàn)技術(shù)流動(dòng)或融合的態(tài)勢(shì)。
日本的豐田、松下，韓國(guó)的三星和LG化學(xué)，中國(guó)的寧德時(shí)代、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技，歐洲的STMicroelectrionics，美洲的Solid Power、QuantumScape、SolidEnergy、Ionic Material等諸多企業(yè)紛紛布局。歐美企業(yè)偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系的產(chǎn)業(yè)化難題，其中以豐田、三星等巨頭為代表。豐田在2010年就推出硫化物固態(tài)電池，2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg，豐田固態(tài)電池的專利數(shù)量在2017年初就已經(jīng)達(dá)到30件，遠(yuǎn)高于其他企業(yè)。中國(guó)則是多頭并發(fā)，聚合物、氧化物、硫化物各個(gè)方向都有帶頭企業(yè)，一片欣欣向榮。
政策驅(qū)動(dòng)
面對(duì)如火如荼的固態(tài)電池“競(jìng)技場(chǎng)”，中國(guó)顯然搶到了參賽的入場(chǎng)券。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中明確提出了對(duì)單體動(dòng)力電池比能量的戰(zhàn)略布局，高比能、高安全、長(zhǎng)壽命和低成本固態(tài)鋰離子電池，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)新能源汽車“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的關(guān)鍵和重要支撐。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)、高校，以及近年來(lái)隨國(guó)家政策而創(chuàng)建的優(yōu)勢(shì)電池材料企業(yè)，在固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池研究方面已取得了系列研究成果。同時(shí)，贛鋒鋰業(yè)和寧德時(shí)代都將全固態(tài)鋰電池作為下一代高性能動(dòng)力電池的研發(fā)重點(diǎn)。
“總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合、固態(tài)最后到全固態(tài)。負(fù)極會(huì)從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性�！敝袊�(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高近日分析指出，“到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，全固態(tài)電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500Wh/kg。2030年，常規(guī)車型的續(xù)航里程應(yīng)該可以達(dá)到500km以上�！�
目前，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和工信部都已將固態(tài)電池的研發(fā)列為重點(diǎn)專項(xiàng)，隨著更多新型固態(tài)電解質(zhì)材料的發(fā)展和全固態(tài)鋰電池反應(yīng)機(jī)制研究的逐步深入，固態(tài)電解質(zhì)性能有望得到持續(xù)改善。
爭(zhēng)議
固態(tài)電池可能是未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但可能不是最好的。在目前新能源界百花齊放的背景下，包括燃料電池、超級(jí)電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發(fā)展空間，而最終，要看那種路線發(fā)展更快，能在商業(yè)化規(guī)模和成本方面找到平衡點(diǎn)。首先，使用的材料不能是高成本稀有金屬，其次，要在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能也非一日之功。
參考資料：
華創(chuàng)證券.固態(tài)電池行業(yè)深度報(bào)告：固態(tài)電池——后鋰電時(shí)代必經(jīng)之路.
電子發(fā)燒友. 固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀_固態(tài)電池發(fā)展前景.
周維和. 全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展探討.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星屑）
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