图片来源@视觉中国
文 | 能链研究院
(资料图片仅供参考)
技术从诞生到应用的发展过程是极其漫长的。
1817年，瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现了锂，而在它出现的一百多年中，锂主要作为一种抗痛风药的成分。1970年，日本Sanyo公司利用MnO2作为正极材料，造出了人类第一块商品锂电池。
从1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应算起，太阳能电池历经一百八十多年的发展历史。
直到近几年，锂电、光伏技术才迎来了大规模地应用推广。
人类始终致力于缩短技术应用的周期。
幸运的是，信息技术的产业革命，提升了技术迭代开发的速度。
在探索的过程中，由于供需环境、政策环境、经济环境的影响，出现了众多过渡性技术，引领产业的发展。
比如，镍-镉电池、镍-铁电池、铝背场电池、砂浆切割技术、多晶硅片等。
当下来看，由于对更高能量密度和更高安全性电池的追求，各国都在加紧固态电池的研发，以期抢占技术制高点。
虽然目前要实现全固态锂离子电池产业化尚需时间，但是半固态电池的研发已经取得一定进展，量产装车指日可待。
01 电解质是核心
对于动力电池而言，安全、成本、性能是核心三要素。安全永远是基础生命线，成本是规模化推广的保障，性能是品质的提升。
固态电池被称为下一代技术的原因在于其安全性更高、性能提升巨大。
传统锂电池构成包括正极、负极、电解液、隔膜四大材料。而固态电池则将电解液和隔膜换成了固态电解质，其材料为正极、负极和固态电解质。
固态电池的核心在电解质上。
目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有：聚合物、硫化物和氧化物三种。
聚合物由于在4V以上电压工作下容易被电解，即便与正负极接触性较好但也难当大任。
硫化物克服了固态电解液导电率不好的瓶颈，但是抗阻较高，容易与空气、水等发生副反应，工艺上仍需要克服诸多挑战。
目前氧化物体系步调最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段。
氧化物技术路线众多，包括LLZTO（锂镧锆钛氧）、LLZO（锂镧锆氧）、LATP（磷酸铝钛锂）、Li2ZrCl6（锂锆硅磷氧）、Li3Zr2Si2PO12（锂锆硅磷氧）等。其中，LLZO目前是研究最主流的电解质，LATP也颇具看点。
中国四大头部固态电池公司（清陶能源、卫蓝新能源、赣锋锂业、辉能），都是以氧化物材料为基础的固液混合技术路线为主。
日韩企业多采用硫化物固态电解质技术路线；欧美企业选择则呈多样化，如SolidPower主要走硫化物路线，QuantumScape则选择了氧化物路线。
由于对技术理解、掌握、发展的不同，对技术路径的选择颇有百家争鸣的味道。
02 固态电池的优点
将液态电解液更换为固态电解质材料，将有效提升安全性。
电池结构不含有任何低闪点、易燃的有机溶剂，固态电解质具备一定的厚度和机械强度，对枝晶的产生存在一定的遏制作用。
从性能来看，300Wh/kg对于液态锂电池是一个接近极限值的门槛，而固态电池能量密度可以超过400Wh/kg。
我们通过研究发现，锂电池的能量密度主要取决于工作电压和正负极材料比（克）容量。
也就是说电压越大、比容量越大则能量密度越高。
理解起来并不难。
锂电池在工作的时候，电池电压会随着电量的降低而下降。假设其它条件不变，同等电流下，高电压的工作时间就显然比低电压长。打个比方：一个高一点的蓄水池可以装更多的水，同等条件下，排水时间肯定更长。
液态锂电池电压极限是4.3V，基于目前液态锂电池的材料和使用安全性所限，锂电池的工作电压一般在4.2V以内，很难有所提升。
比（克）容量其实也不难理解，其意义便是每克锂电池材料含多少mAh（毫安时）电量。
比容量越大则能量密度越高。简单而言，就是同等重量携带更多的锂离子，参与化学反应的锂离子数量越多，那么能量就越大。
这个指标是材料本身性质决定的。液态锂电所采取的正负极材料来看，负极石墨365mA·h/g，8系三元高镍正极220mA·h/g。
液态锂电池正负极已然面临天花板。
反观固态电池，采用更高比容量材料作为正负极，通过采用负极金属锂，正极高电势材料，电化学窗口可以达到5V以上。
锂的比容量高达3860mA·h/g，是石墨的10倍。在未来，正极的开发中也会使用到富锂锰基这类高比容量的材料。
显而易见，固态电池技术是进一步提升能量密度的必经之路。
03 半固态电池，过渡性首选
固态电池依靠电解质固态化提升了安全性以及能量密度，同样地，也带来了问题。
固态电解质的离子电导率远低于液态电解质，这使得电池内阻明显增大、电池循环性变差、倍率性能变差等；
不难理解，液态环境下，锂离子运动更为畅快，固态材质和正负极的接触不如液态材质紧密，快充性能不佳。
另一方面，高昂的成本也是制约全固态电池商业化的因素。
目前液态锂电池的产业链非常成熟，可以用低廉的成本生产出性能较好的锂电池，而全固态电池的产业链还不够完善。
资料显示，固态电池SLIB（石墨负极）总成本最高，达158.8＄/kWh，比LIB（石墨负极液态锂离子电池）高约34%。固态电池材料成本高昂，加工工艺复杂。
虽然固态电池SLMB（锂负极）理论总成本最低，但仍存在技术难题，阻碍产业化进程。
采用锂负极的固态电池如何保持界面的良好接触、循环过程中保持稳定的问题还未解决。锂化学性质活泼，压延次数越多对技术的要求也就越高，要想稳定供应厚度在50μm以下的锂箔并不容易。
从未来固态锂电池产业的发展方向上来看，业界认知相差不大，基本上是从液态锂电池-半固态-固态；先完成对电解液隔膜的替代，而后进行正极负极的替代。
在积极推进全固态电池研发的进程中，半固态电池供应链与现有供应链重合度很高，工艺流程和装备与目前锂电池通用程度较高。
半固态电池以高安全性、长寿命与良好的经济性更适合现在的规模化应用，是一个很好的过渡产品。
04 产业化进程加速
各国明确固态电池发展目标和产业技术规划，2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变，2030年研发出可商业化使用的全固态电池。
美国在2021年发布《锂电池2021-2030年国家蓝图》，并宣布拨款2.09亿美元支持相关技术研究；欧洲则推出了《电池2030规划》及《2030电池创新路线图》，由欧盟多国共同出资32亿欧元用于发展固态电池。日韩企业大多采用抱团研发的方式，车企、科研机构、电池和材料企业共同开发固态电池技术。
中国早在十年前已着手布局固态电池产业，本土诞生了清陶、卫蓝等多家固态电池技术领先，具备完整自主知识产权体系，深厚技术积累的企业。
去年11月，清陶能源与北汽福田联合开发的首套量产商用车固态电池系统已完成调试、正式下线。
今年，2月14日，总投资100亿元的15GWh清陶能源动力固态电池储能产业基地正式签约落地成都市郫都区，首条生产线设计产能1GWh，预计首批半固态电池将在近期正式下线。
2022年11月，蔚来汽车的电池供应商卫蓝新能源首颗固态动力电芯已正式下线。
受新能源车的旺盛需求拉动，越来越多的企业参与固态电池研究。
赣锋锂业第一代半固态电池已在东风E70电动车上装车，另一款蔚来ET71000公里续航版本在2022年3月28日正式开启交付。
宁德时代专注于硫化物电解质开发，固态电池的专利有 24 项。国轩高科、孚能科技、当升科技等企业在固态电池技术均有一定的突破。
随着政策扶持、车企布局、资本涌入，固态电池产业化进程按下“加速键”，有望在2023年步入装车元年。
参考资料：
[1] 光大证券，《半固态电池应运而生，抢占下一代锂电技术制高点》[2] 高工锂电，《开局2023：固态电池产业化追踪》[3] 中泰证券，《固态电池专题：锂电完全体技术大趋势》[4] 天风证券，《固态电池哪家强》
