高能量密度電池日益受寵

當(dāng)前三元電池產(chǎn)品成熟度、市場滲透率比較高，推廣起來相對容易，受到國內(nèi)電池公司青睞。但毋庸置疑，未來固態(tài)電池會爆發(fā)出強(qiáng)大的替代力，顛覆動力鋰電池產(chǎn)業(yè)格局。

自從能源車補(bǔ)貼與能量密度直接掛鉤后，提升動力鋰電池能量密度就成為動力鋰電池公司贏得市場的重要“籌碼”。從今年新公布的七批推薦車型目錄來看，不管是新能源客車，還是新能源乘用車，搭載電池能量密度均大幅提升，拿到1.2倍補(bǔ)貼車型占比已超過60%，動力鋰電池正朝著高能量密度的方向發(fā)展。

只不過，按照此前四部委公布的《促進(jìn)汽車動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方法》中提到的動力鋰電池能量密度的關(guān)鍵指標(biāo)和完成的時間節(jié)點(diǎn)，到2020年鋰離子動力鋰電池單體能量密度要做到300Wh/kg，系統(tǒng)能量密度要做到260Wh/kg。從目前情況來看，絕大部分電池公司僅完成該指標(biāo)的1/2不到，還需苦心鉆研。

受此影響，包括比亞迪、CATL、力神、沃特瑪?shù)燃娂姵雠_自己的“三元計(jì)劃”。華東鋰電技術(shù)研究所研究員劉鍇表示，“走三元路線實(shí)現(xiàn)300Wh/kg能量密度目標(biāo)是可行的，目前日亞化學(xué)三元電池能量密度可做到330Wh/kg，而用于特斯拉的松下的三元電池已經(jīng)可以做到252Wh/kg，國內(nèi)三元電池仍有較大潛力可挖”。

鑒于能量密度還有很大提升空間，三元電池成為主流技術(shù)路線趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。但時至今日，困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決，就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不斷，今年僅國內(nèi)就有兩輛ModelS發(fā)生嚴(yán)重起火事件，三元電池的安全性仍然受到大家的質(zhì)疑。

既然如此，有沒有能量密度和安全性兼具的電池技術(shù)路線呢？答案是肯定的，那就是固態(tài)電池。業(yè)內(nèi)普遍共識是，固態(tài)電池在繼承傳統(tǒng)電池優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，安全性、能量密度都有大幅進(jìn)步，特別是充電時間可縮短至幾分鐘。近日，豐田更宣布研發(fā)全固態(tài)電池電動汽車，最快將于2022年上市，在業(yè)內(nèi)引起巨大反響。

豐田宣布2022推出固態(tài)電池電動汽車

未來為何是固態(tài)電池？

里程焦慮是困擾新能源汽車規(guī)模推廣的首要難題，未來關(guān)于動力鋰電池能量密度的要求只會越來越苛刻。目前新能源客車重要使用的是磷酸鐵鋰離子電池，雖然安全性有保障，但現(xiàn)在磷酸鐵鋰離子電池能量密度普遍在115Wh/kg，即使是比亞迪這樣的磷酸鐵鋰龍頭公司，能量密度也只能做到150Wh/kg，且已經(jīng)接近極限值。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，未來三年內(nèi)三元電池必將完成對磷酸鐵鋰離子電池的替代，磷酸鐵鋰離子電池最終會退出新能源車市場。近日，特斯拉宣布摒棄此前所使用的18650三元電池，開始采用尺寸更大、能量密度更高的21700電池。按照特斯拉的說法，能量密度可提升20%，這也意味著三元電池系統(tǒng)能量密度已突破300Wh/kg。

從技術(shù)潛力角度來看，通過走三元路線實(shí)現(xiàn)300Wh/kg能量密度目標(biāo)切實(shí)可行，但是能量密度提升的過程相對困難。三元電池目前的能量密度在200Wh/kg左右，其極限能量密度大約為350Wh/kg，提升空間非常有限。按照能量密度時間節(jié)點(diǎn)，2025年動力鋰電池單體能量密度要做到500Wh/kg，三元路線達(dá)不到。

固態(tài)電池能量密度提升，從理論上講更具可行性。首先固態(tài)鋰離子電池電壓平臺提升，固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于提升電池的能量密度；二是固態(tài)電解質(zhì)能阻隔鋰枝晶生長，材料應(yīng)用體系的范圍也大幅提升，為具有更高能量密度空間的新型電池技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

三星與麻省理工合作研發(fā)的固態(tài)電池

當(dāng)前，固態(tài)鋰離子電池已在較小范圍內(nèi)有應(yīng)用，能量密度約400Wh/Kg，預(yù)估其最大能量密度值為900Wh/Kg，有超過100%的提升空間。我國工程院院士陳立泉曾表示，“固態(tài)電池的能量密度遠(yuǎn)超三元電池。動力鋰電池關(guān)鍵在于成本、能量密度和安全性，要達(dá)成500Wh/kg能量密度目標(biāo)，只有固態(tài)電池可勝任”。

再來說安全性，近年來國內(nèi)外多次出現(xiàn)新能源汽車自燃事故，新能源汽車的安全性越來越受關(guān)注。原因就在于當(dāng)前三元電池的電氣安全、功能安全、化學(xué)安全、機(jī)械安全方面控制仍未完善。三元電池液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆，長期使用易觸發(fā)“熱失控”，在充放電過程中鋰枝晶生長容易刺破隔膜，引起電池短路，造成安全隱患。

但固態(tài)電池則沒有這樣的煩惱，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、無漏液，同時固態(tài)電池在大電流下工作不會因出現(xiàn)鋰枝晶刺破隔膜而導(dǎo)致短路，不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)出現(xiàn)氣體發(fā)生燃燒，因此搭載固態(tài)鋰離子電池汽車的自燃概率會大大降低。所以，安全性也被認(rèn)為是固態(tài)電池發(fā)展的最根本驅(qū)動力之一。

相同容量下固態(tài)電池體積更小

除此之外，固態(tài)電池體積更小、更輕薄，而且可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電池的形狀。因此純電動汽車的電池布局可以更靈活，也不會過分侵占車內(nèi)空間；同時也不必像三元鋰離子電池那樣涉及復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，可以大幅節(jié)約成本；重量大幅減少（相同容量下約為三元電池組重量的1/3），車身輕量化的目標(biāo)可以更容易實(shí)現(xiàn)。

都有誰在布局固態(tài)電池？

早在2012年，蘋果公司就將固態(tài)電池納入了自己的專利體系，時至今日已有不少研究機(jī)構(gòu)和公司在固態(tài)電池領(lǐng)域展開布局。此前寶馬方面稱，公司正在研發(fā)將固態(tài)電解質(zhì)代替現(xiàn)有的電解液，更輕、更安全、密度更高的固態(tài)電池，計(jì)劃于2026年量產(chǎn)。現(xiàn)如今，豐田有望將固態(tài)電池的量產(chǎn)時間提前四年。

外媒七月二十五日報(bào)道，豐田公司正致力于新型電動汽車動力鋰電池的研發(fā)，將大幅新增續(xù)航里程，并實(shí)現(xiàn)快速充電。據(jù)悉，該款搭載固態(tài)電池的電動汽車基于全新生產(chǎn)平臺打造，最快將于2022年上市。豐田為何會選擇固態(tài)電池呢？很大原因是豐田早在2010年就已經(jīng)開始推出固態(tài)電池，2014年其實(shí)驗(yàn)室能量密度已達(dá)400Wh/kg。

寶馬宣布2026年量產(chǎn)固態(tài)電池

豐田發(fā)言人表示，“目前為止，在所有新形態(tài)的電池中，固態(tài)電池被認(rèn)為是最接近量產(chǎn)級別的。我們正在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，包括固態(tài)電池的量產(chǎn)工藝，希望能在2020年將其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?！辈贿^，豐田能否率先實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的量產(chǎn)，并憑借這一技術(shù)完成對日產(chǎn)和特斯拉的彎道超車，目前還不能確定。

有證券分析師認(rèn)為：“固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室研究成果到實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還有很長的路要走，從現(xiàn)在起到2022年，還存在許多變數(shù)，豐田的固態(tài)電池汽車能不能按時出來還是未知數(shù)?！比欢@并沒有影響到大家關(guān)于發(fā)展固態(tài)電池的信心和決心。截至目前，國內(nèi)已有不少研究機(jī)構(gòu)和公司將目光瞄準(zhǔn)固態(tài)電池領(lǐng)域。

據(jù)了解，目前國內(nèi)從事固態(tài)電池研究的機(jī)構(gòu)和公司就有中科院化學(xué)所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所、寧德時代新能源、上?？臻g電源研究所、中航鋰電、珈偉股份、橫店東磁、臺灣輝能等，并在某種程度上取得了不小的突破，甚至已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證并有小部分公司實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

譬如中科院青島能源所就表示，其開發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰離子電池“青能I號”已完成深?？瓶?，其能量密度超過250Wh/kg，500次循環(huán)容量保持80％以上，在多次針刺和擠壓等苛刻測試條件下保持著非常好的安全性能；如今“青能II號”也已經(jīng)研發(fā)成功，能量密度高達(dá)300Wh/kg，尚未投入推廣及應(yīng)用。

電池公司方面，CATL稱在固態(tài)鋰離子電池（鋰硫電池、聚合物電芯）均取得突破，其重要研發(fā)方向是硫化物電解質(zhì)，采用正極包覆方法，解決了界面反應(yīng)問題，熱壓方式降低了界面電阻。CATL設(shè)計(jì)制造的容量為325mAh的聚合物電芯，高溫循環(huán)性能表現(xiàn)良好。CATL已完成固態(tài)電池的技術(shù)布局，只不過同樣未投入推廣。

此前，德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校工程學(xué)院94歲教授JohnGoodenough，帶領(lǐng)工程師團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出首個固態(tài)鋰離子電池，這種電池具有低成本、全固態(tài)、非易燃、長壽命、高體積能量密度、快速充放電等優(yōu)點(diǎn)。Goodenough表示，“我們相信，我們的這項(xiàng)發(fā)明解決了現(xiàn)今的電池中的許多固有的問題”。

固態(tài)電池離我們有多遠(yuǎn)？

上?？臻g電源研究所湯衛(wèi)平博士表示，雖然目前有不少公司宣稱自己已經(jīng)做出了全固態(tài)電池，但大多不是真正意義上的全固態(tài)電池，“噱頭”的嫌疑很大，成熟的固態(tài)電池產(chǎn)品推出至少要5-10年的時間?！拔磥?年內(nèi)，固態(tài)電池仍然難以形成產(chǎn)業(yè)化，鋰離子電池依然會是主流路線?！笔聦?shí)上，距離豐田固態(tài)電池電動汽車推出剛好還有五年時間。

盡管諸多光環(huán)纏身，固態(tài)電池其實(shí)并非完美，其最大的缺點(diǎn)就是采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解質(zhì)后，導(dǎo)致電導(dǎo)率低，高倍率放電性能極差。原因就在于鋰離子的固態(tài)擴(kuò)散速度比在溶液里擴(kuò)散慢得多。因此，目前固態(tài)電池還只能應(yīng)用在小電流的設(shè)備中，同時想要實(shí)現(xiàn)快充的功能也會比較困難。

劉鍇認(rèn)為，要想提升固態(tài)電池電導(dǎo)率，關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)材料的選擇尤為重要?！拔覀儾捎霉桠伡{米管來做固態(tài)電解質(zhì)的材料，在涂布后就可以有效減少內(nèi)阻，從而提升固態(tài)電池的電導(dǎo)性及高倍率放電性。不過這種電解質(zhì)材料也有弊端，就是壽命上不能保證，還要在后續(xù)的研究中加以完善。

此前特斯拉電池組價格也非常高

與此同時，生產(chǎn)成本高也是固態(tài)電池不被看好的原因。這也是為何特斯拉和松下要孜孜不倦的搗鼓三元鋰離子電池，甚至還引導(dǎo)著三元電池體系從18650直接進(jìn)入到21700，這也吸引著寧德時代、比亞迪、LG化學(xué)和三星SDI這些主流動力鋰電池廠家，紛紛加入三元鋰離子電池研發(fā)陣列，甚至還引發(fā)了21700電池風(fēng)潮。

只不過，固態(tài)電池成本高昂跟其產(chǎn)業(yè)化的深度有關(guān)。目前固態(tài)電池只適用于小眾的應(yīng)用領(lǐng)域，其生產(chǎn)、使用的成本確實(shí)會非常高，但隨著固態(tài)電池的逐步產(chǎn)業(yè)化，其成本降低也是水到渠成的事情。舉個例子，當(dāng)初特斯拉電池組的價格曾經(jīng)達(dá)到1200美金/KWh，短短幾年的時間內(nèi)已經(jīng)下降到了180美金/KWh左右。

從理論的提出時間來看，固態(tài)電池并不是全新的概念。但多年來，研發(fā)上的進(jìn)展并沒有想象那么快速。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，即便最終能做到成本上的降低，電池從實(shí)驗(yàn)室到最終的量產(chǎn)也要不短的時間。正如液態(tài)鋰離子電池，在上世紀(jì)70年代，相關(guān)理念和實(shí)驗(yàn)認(rèn)證就在齊頭并進(jìn)地推進(jìn)，但真正大規(guī)模使用已是20世紀(jì)末。

未來，新能源汽車的健康與規(guī)?；茝V應(yīng)用很大程度上取決于高安全性、高續(xù)航里程的動力鋰電池的支撐力度。當(dāng)前，新能源汽車動力鋰電池技術(shù)受到國家政策、外部競爭的雙重壓力的驅(qū)動，這就要求現(xiàn)有電池公司既要關(guān)注三元電池技術(shù)的持續(xù)提升，同時也要加速全固態(tài)鋰離子電池或新型動力鋰電池的技術(shù)儲備。

總的來說，經(jīng)過固態(tài)電池和三元電池在能量密度、安全性、輕量化等方面的比較，固態(tài)電池具有絕對的優(yōu)勢，但三元電池產(chǎn)品成熟度、市場滲透率比較高，目前推廣起來也會相對容易，因此國內(nèi)公司不約而同選擇了三元路線。但毋庸置疑，未來固態(tài)電池會爆發(fā)出強(qiáng)大的產(chǎn)品替代力，顛覆動力鋰電池的產(chǎn)業(yè)格局。