充電時間極短，續(xù)航里程超長，很多新聞都是這樣形容固態(tài)電池的。前不久電動汽車制造商菲斯科（Fisker）申請了一項固態(tài)電池專利，有媒體報道能使電動汽車的續(xù)航能力提高到804公里，而且使充電時間也縮短到一分鐘。此前，豐田、日立等企業(yè)也都曾聲稱已申請了固體電池的相關(guān)專利。從世界范圍看，固態(tài)電池有望在2025年前后迎來商業(yè)化量產(chǎn)。

我們不禁要問，固態(tài)電池到底有何神奇之處？如今，固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)突破、專利申請的新聞層出不窮，在驚嘆固態(tài)電池可以實現(xiàn)“極速充電+超長續(xù)航”的時候，也要看清是否能在通常條件下實現(xiàn)這種電池的量產(chǎn)推廣。分析菲斯科固態(tài)電池超高性能的實現(xiàn)路徑，筆者請教相關(guān)專家得出的結(jié)論是，如果采用聚合物固態(tài)電解質(zhì)路線，這種極速快充很可能是建立在實驗室特殊條件（高溫充電）下試驗樣件基礎(chǔ)之上的。“拋開商業(yè)化談技術(shù)”都是耍流氓，在我們關(guān)注材料技術(shù)新突破時，不妨也多關(guān)注一下固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝及量產(chǎn)設(shè)備有何等進展。

“固態(tài)”到底是個什么概念？

顧名思義，電解液在常溫下的物質(zhì)形態(tài)是液體，具有一定的流動性，而所謂的固態(tài)電解質(zhì)就是要將這種液態(tài)（或膠態(tài)）的分散系替換成固態(tài)電解質(zhì)。

相比于具有流動性的電解液，固態(tài)電解質(zhì)的特點非常明顯：

安全性極高——固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因而全固態(tài)電池具有極高安全性；

能量密度提升——固態(tài)電解質(zhì)比有機電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進一步提升電池的能量密度；固態(tài)電解質(zhì)能阻隔鋰枝晶生長，材料應(yīng)用體系范圍大幅提升，為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

極速充電是如何做到的？

回過頭來再看Fisker的這項固態(tài)電池專利，外界傳聞“充電1分鐘續(xù)航800km”的說法過于籠統(tǒng)，沒有明確具體車輛和工況。筆者請教相關(guān)專家得出的結(jié)論是，如果采用聚合物固態(tài)電解質(zhì)路線，這種極速快充很可能是建立在實驗室特殊條件（高溫充電）下試驗樣件基礎(chǔ)之上的。

按照之前報道的說法，F(xiàn)isker的專利采用了所謂的“三維固態(tài)”電解質(zhì)，這一點非常符合無機固態(tài)電解質(zhì)的特點。雖然有些無機固態(tài)電解質(zhì)（比如基于團簇離子的反鈣鈦礦鋰離子超導(dǎo)體）在室溫下具有可以和液態(tài)電解質(zhì)相比擬的離子電導(dǎo)率，但是在體積變化（這就是為什么很多固態(tài)電池樣件都是做成軟包疊片電池）、界面電荷轉(zhuǎn)移電阻、靈活性和較差的循環(huán)穩(wěn)定性等方面存在諸多問題。

Fisker預(yù)計它們的固態(tài)電極技術(shù)可以在2023年被用在電動汽車中，這個與大多數(shù)相關(guān)電池的公司的時間點非常契合，從世界范圍看，預(yù)計固態(tài)電池會在2020年左右能夠?qū)崿F(xiàn)小批量的量產(chǎn)。寶馬聲稱有望于2026年實現(xiàn)固態(tài)電池突破性進展并隨后量產(chǎn)；豐田也正在全力研發(fā)固態(tài)電池，并且已經(jīng)開發(fā)出能量密度為400 Wh/kg的電池原型，大約在2020年實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計到2025年能得到實質(zhì)性改善。

工藝尚未成熟

市面上常見鋰離子電池，由于電解液為有機溶劑體系，電池的正、負極需要用隔膜分隔開來，防止兩極接觸而短路，而固態(tài)電池則不需要隔膜?？此剖菧p少了生產(chǎn)工藝，但實際上固態(tài)電池卻面臨著更多問題。

北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司總經(jīng)理俞會根指出，由于固態(tài)電池的電解質(zhì)材料均為固體，導(dǎo)電過程是點接觸，因此電池制造過程中需解決基于界面阻抗大、界面穩(wěn)定性不良、界面應(yīng)力變化等引起的問題；此外，固態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中體積膨脹和收縮，導(dǎo)致界面容易分離，就現(xiàn)階段技術(shù)水平而言，還有較大的提升空間。

為了適應(yīng)不同的固態(tài)電解質(zhì)，常見的磷酸鐵鋰和NMC三元鋰正極材料、石墨負極材料可能無法很好的適用與固體電解質(zhì)，需要設(shè)計和構(gòu)建與固態(tài)電解質(zhì)相匹配的電極，研究和開發(fā)出適合于固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池新體系。

從理論的提出時間來看，固態(tài)電池并不是一個新的概念，但多年來，研發(fā)上的進展并沒有想象那么快速。即便能在成本上的降低，電池從實驗室到最終的量產(chǎn)也需要時間。日韓、美國、歐洲等多個國家的固態(tài)電池技術(shù)基本都處于小容量樣品電芯階段，量產(chǎn)工藝不成熟，固態(tài)電池距商業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走。

當前，如何制備出穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高的電解質(zhì)材料顯得非常重要，采用固體電解質(zhì)制備全固態(tài)電池可以從根本上解決鋰離子電池現(xiàn)有的安全問題。為了實現(xiàn)固體電解質(zhì)的實際應(yīng)用，關(guān)鍵要使其滿足以下方面的性能：

1、常溫離子電導(dǎo)率應(yīng)達到10-3S/cm或更高；

2、具有好的電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性；

3、與電極之間相容性很好；

4、多孔的結(jié)構(gòu)和高的吸液率；

5、有較好的延伸率和機械強度。

正如液態(tài)鋰離子電池，在20世紀70年代，相關(guān)的理念和實驗認證就在齊頭并進地推進，但真正大規(guī)模的使用，已經(jīng)是20世紀末了。

結(jié)語

作為未來動力電池技術(shù)的一個發(fā)展方向，我們現(xiàn)在可以對固態(tài)電池做一個簡單對概括：

1、固態(tài)電解質(zhì)相比于現(xiàn)今常見的電解液鋰離子電池，是一種技術(shù)上的顛覆，需要設(shè)計和構(gòu)建與固態(tài)電解質(zhì)相匹配的電極，研究和開發(fā)出適合于固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池新體系；

2、固態(tài)電池的量產(chǎn)工藝上需要很大的改進，畢竟動力電池單體注液機已經(jīng)非常成熟了，而固態(tài)電解質(zhì)的添加工藝還沒有完全成型，量產(chǎn)設(shè)備不成熟；

3、在通常使用條件下，無機固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于體積變化、界面電荷轉(zhuǎn)移電阻、靈活性和較差的循環(huán)穩(wěn)定性等問題；聚合物固態(tài)電解質(zhì)雖然克服了無機固體電解質(zhì)的這些局限性（具有良好的靈活性并且能與電極緊密接觸），但是其電化學(xué)穩(wěn)定窗口小、離子電導(dǎo)率(室溫)差。

參考文獻：

電動汽車動力電池技術(shù)研究進展 黃學(xué)杰；

鋰離子固體電解質(zhì)的研究進展與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 合肥工業(yè)大學(xué)；

Nature子刊綜述：有關(guān)鋰電池化學(xué)反應(yīng)中的固態(tài)電解質(zhì)。

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