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全固態電池不是電動汽車的必選項

歐美克 2024-04-22 | 閱讀：1718

2021年1月，蔚來官網發布了150kWh固態電池，實現了360Wh/kg能量密度和突破1000km續航里程。
2023年6月，衛藍新能源宣布360Wh/kg固態電池正式交付蔚來汽車。
2024年2月29日，輝能科技宣布全球首條固態電池生產線已正式投產。
2024年3月25日，智己汽車聯席CEO劉濤在社交平臺表示：“首個量產上車的超快充固態電池！超1000公里續航+準900V超快充，徹底解決純電車的里程焦慮。”
2024年4月12日，廣汽集團全固態電池技術發布。

于是，股市聞雞起舞，固態電池概念反復活躍，三祥新材更是演繹了10天8板的神奇。

▲ 圖片來源百度，僅做科普宣傳

我們翹首以盼能量密度更高、運行更安全的全固態電池能帶給我們更多驚喜體驗。然而，這些目前所謂的固態電池并非全固態電池，實則屬于半固態鋰離子電池（目前，半固態電池主要指半固態鋰離子電池，全固態電池主要指全固態鋰離子電池，因此，本文只討論半固態鋰離子電池和全固態鋰離子電池）。即便是預告要發布全固態電池的廣汽集團最終只是預計2026年量產。說白了，全固態電池還面臨諸多科學壁壘，暫時還搞不定。而且即使在一段時間內技術搞定，目前高額的生產成本能不能降到大眾可承受范圍也是個未知數。

個人認為，與其虛張聲勢，還不如腳踏實地做好半固態電池，切實解決廣大消費者最為關心的續航、安全、快充、高低溫掉電難題。我們完全沒有必要張冠李戴給半固態電池戴高帽，它就叫半固態電池，它在繼承和提升液態鋰離子電池優秀性能的同時，還能夠最大限度地沿用現有的液態鋰離子電池體系及生產、檢測設備，只要技術搞定，成本合適，量產就水到渠成。

因此，兼具較高能量密度、安全性、倍率性能以及經濟性的半固態電池可能才是我們現階段電動汽車動力電池的最好選擇。

▲ 圖片來源百度，僅做科普宣傳

鋰離子電池分類

有人說，鋰離子電池分為液態鋰離子電池、半固態鋰離子電池、準固態鋰離子電池和全固態鋰離子電池，除了液態鋰離子電池，后面三種電池都是固態電池。

其實，個人更傾向于認同把鋰離子電池分為液態鋰離子電池、半固態鋰離子電池和全固態鋰離子電池，電解質全部采用電解液的鋰離子電池就是液態鋰離子電池，電解質全部采用固體電解質的鋰離子電池就是全固態鋰離子電池，既含有電解液又含有固態電解質的鋰離子電池就是半固態鋰離子電池。半固態鋰離子電池和全固態鋰離子電池在材料體系、生產設備、生產工藝、電池性能方面都有顯著區別，不適合籠統稱為固態鋰離子電池

▲ 圖片來源百度，僅做科普宣傳

全固態鋰離子電池是

下一代電池的首選方案

全固態鋰離子電池，顧名思義，是一種采用固態電解質替代傳統電解液的鋰離子電池，全部由固態材料組成。全固態鋰離子電池主要構成包括正極、固態電解質和負極或者無負極。這種結構消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，提高了電池的熱穩定性。

根據電解質的類型，全固態鋰離子電池分為聚合物固態鋰離子電池、氧化物固態鋰離子電池、硫化物固態鋰離子電池、復合固態電解質鋰離子電池。

1 聚合物固態鋰離子電池

聚合物固態電解質(SPE)由聚合物基體和鋰鹽構成，SPE基體包括聚環氧乙烷、聚硅氧烷、脂肪族聚碳酸酯，與傳統的液態電解質相比具有更高的熱穩定性，并且比陶瓷電解質更易于實現規模化制造，其彈性好、機械加工性優良。

但是，聚合物固態電解質與其他電池組件之間的界面不穩定，且聚合物電解質在室溫條件下離子電導率較低，極大地阻礙了其商業化應用。

2 氧化物固態鋰電池

氧化物固態電解質具有致密形貌，與硫化物固體電解質相比，有更高的機械強度，耐壓性強，在空氣環境中具有更高的穩定性，制造復雜程度較低。

但是，氧化物固體電解質的形變能力和柔軟性能不好，界面接觸能力較差，循環過程中界面穩定性也較差，導致循環過程中界面阻抗迅速增加；負極有效容量不足，電池壽命衰減較快；薄膜化也很困難。

因此，氧化物固體電解質往往需要添加一些聚合物成分并與微量離子液體/高性能鋰鹽-電解質混合，或使用輔助原位聚合制造準固態電池，以保留一些安全優勢并提高電解質與電極的界面接觸性能。

3 硫化物固態鋰電池

硫化物固態電解質（如硫代磷酸鹽電解質）具有較高的室溫離子電導率(約10-2 S/cm)。硫化物系固體電解質可視為由硫化鋰和鋁、磷、硅、鈦、錫等元素的硫化物組成的多元復合材料，材料涵蓋晶態和非晶態。硫離子半徑大，使鋰離子傳輸通道更大，電負性也合適，硫化物固體電解質在所有固體電解質中具有最好的鋰離子電導率，其中 Li-Ge-P-S 系統在室溫下的鋰離子電導直接與電解質的電導相當。此外，硫化物固體電解質具有更高的機械強度，與高容量硫正極的相容性最好。

但是，硫的電負性不如氧，與高壓正極一起使用會使電解質層部分耗盡鋰，增加界面電阻；與金屬鋰負極一起使用時，產生的SEI膜阻抗也較大；硫化物有機物為無機非金屬顆粒，循環過程中電解質-電極界面也有比較嚴重的劣化。此外，材料系統對水、氧氣等非常敏感，一旦發生事故也易燃；薄膜化也很困難。以上這些因素導致硫化物固體電解質的制造工藝要求非常苛刻。

4 復合固態電解質鋰電池

復合固態電解質主要是以氧化物、硫化物等為代表的無機固態電解質和以聚氧化乙烯等聚合物為代表的有機固態電解質兩者的結合，實現“剛柔并濟”，利用路易斯酸堿相互作用，增加鏈段運動能力，協同提升界面離子傳輸。

總之，以上這些固體電解質材料各有優缺點，目前階段對于選擇何種固體電解質還存在技術路線分歧，歐洲以聚合物路線為主，中國以氧化物路線為主，同時兼顧硫化物路線，日本和韓國以硫化物路線為主。

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與液態鋰離子電池和半固態鋰離子電池相比，全固態鋰離子電池具有顯著優點：

1 能量密度高。全固態電池完全采用固體電解質，而且不用隔膜設計，可以大大降低電池重量，能量密度從而得以提升。

2 安全性高。電解質無腐蝕、不可燃，也不存在漏液問題。

3 高溫穩定性好。可以在較寬的溫度范圍內工作。

4 電池更輕更薄。傳統鋰離子電池中，隔膜和電解液占據了電池中近40％的體積和25％的質量。而在全固態鋰離子電池中，隔膜和電解液被固態電解質取代，負極直接使用金屬負極或甚至沒有負極，能量大幅提升，從而實現電池輕量化設計。同時，全固態鋰離子電池正負極之間的距離可以縮短到幾個微米到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大降低，從而實現全固態鋰離子電池小型化、薄膜化。

5 可以實現柔性化設計。即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后也是可以彎曲的，材料會變得具有柔性，全固態鋰離子電池在輕薄化后就可以實現柔性化設計。

基于以上顯著優點，全固態鋰離子電池成為全球認可的下一代鋰離子電池技術。然而，全固態鋰離子電池也存在一些缺點，如低溫時內阻較大，材料導電率不高，制造大容量單體困難等，如何解決這些缺點還存在明顯的科學壁壘，如何有效降低批量制造成本，非常具有挑戰性。

1 固-固界面接觸難點有待解決

在物理接觸方面，不同于固-液的“軟”接觸，固-固接觸是很難充分貼合的“硬”接觸，這直接造成了在全固態電池中鋰離子通道的減少和應力堆積的問題，且固-固界面容易接觸不良，多次接觸后容易導致接觸失效；在化學接觸方面，Li 容易與固態電解質接觸后迅速發生反應并擴散至電解質內部，造成電解質表面快速分解。

2 固體電解質還面臨制備及批量一致性測試等問題

不管是哪種固體電解質，都還有大量的技術壁壘等待攻克，如何批量制備、如何檢測、如何建立質控指標從而確保批量一致性等等都缺乏成熟的解決方案，沒有形成完善的制備、檢測、應用方案，更沒有形成行業標準。

3 電池系統障礙

全固態鋰離子電池技術還不完善，如何找到適應更高能量密度要求的電池材料、如何設計全固態電池、如何設計全固態電池系統、全壽命周期的安全性能評測等系統都有待建立健全。

4 高成本制約因素

全固態鋰離子電池還需具有經濟性，只有做到既叫好又叫座的產品才能實現規模量產。公開資料顯示，目前國內全固態鋰離子電池的生產成本為30-40元人民幣/Wh，日本全固態鋰離子電池的生產成本為35萬日元/kWh（按照最新匯率計算，16.7元/Wh），按照一輛家用車裝備75kWh全固態電池計算，僅電池成本就超過125萬元人民幣。因此，即使成功解決了全固態鋰離子電池批量生產的主要技術難題，如果不能有效降低生產成本，全固態鋰離子電池也不可能大批量應用到電動汽車上。一句話，你做得出來，我們買不起！

當然，作為一種革命性的新型儲能技術，攻克全固態鋰離子電池技術具有重大意義，因為高能量密度和高安全性的全固態電池在航空航天、體內植入設備（如心臟起博器等）等領域具有廣闊的應用空間。正因為如此，全固態鋰離子電池成為下一代電池的首選方案之一已成為業界共識，被列入了中國、美國、日本、韓國、歐盟等國家的發展戰略，成為下一代電池技術競爭的關鍵至高點。

半固態鋰離子電池

是現階段電動汽車的優選項

半固態鋰離子電池，就是既含有電解液又含有固態電解質的鋰離子電池。其實，半固態鋰離子電池中電解液的含量很少，大約在5%到10%之間。半固態鋰離子電池主要構成包括正極、負極、隔膜、電解質幾部分，除電解質外與液態鋰離子電池基本相同。與液態鋰離子電池相比，半固態鋰離子電池具有明顯的性能提升。

1 能量密度更高。少量使用電解液一定程度提升了電池的能量密度。目前，衛藍新能源半固態鋰離子電池的能量密度已經達到360Wh/Kg，清陶半固態鋰離子電池的能量密度已經達到368Wh/Kg，寧德時代推出的凝聚態電池能量密度已經達到500Wh/Kg，遠遠高于目前液態鋰離子電池能量密度。

2 安全性能高。與液態鋰離子電池相比，半固態鋰電池中使用的電解液含量較少，降低了泄漏和燃燒的風險。在熱穩定性上也有所改善，因為電解質材料的固體成分有助于抑制鋰枝晶的生長，減少內部短路的可能性。

3 使用壽命長。由于電解質的固態成分能夠減少電極材料和電解質之間的副反應，因此半固態鋰電池通常具有更長的循環壽命，可以經受更多次的充放電過程而不會明顯降低性能。

4 適應溫度范圍寬。半固態鋰離子電池的電解質既能在低溫環境中維持良好的離子傳導性，也能在高溫下保持穩定。

5 快充性能好。固態電解質的引入使得電池內部的離子遷移速度得到顯著提升，從而實現了更快的充電速度。

綜合比較，半固態鋰離子電池的主要性能界于液態鋰離子電池和全固態鋰離子電池中間，與全固態鋰離子電池相比還有不少差距，但半固態電池技術相對成熟，已經實現量產，能量密度及安全性能等主要性能尚有提升空間。更為重要的是，目前生產成本比全固態鋰離子電池低不少。個人認為，兼具能量密度、安全性、經濟性的半固態鋰離子電池反而應該成為電動汽車的優選項。