（文/程文智）這幾年隨著電動(dòng)汽車滲透率的快速提升，固態(tài)電池受到國(guó)內(nèi)外企業(yè)，及研究者的廣泛關(guān)注與重視，發(fā)展迅速。目前固態(tài)電池的市場(chǎng)參與者眾多，有車企、電池企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)，也有科研機(jī)構(gòu)。

所謂的固態(tài)電池，就是使用固體電極和固體電解液的電池。由于用固態(tài)電解質(zhì)代替了電解液和隔膜，首先，固態(tài)電池的熱穩(wěn)定性更高，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部短路；其次是固態(tài)電解質(zhì)具有更高的本征安全性；還有理論上來(lái)說(shuō)，固態(tài)電池具有更穩(wěn)定的界面，使用壽命會(huì)更長(zhǎng)；另外，固態(tài)電池的能量密度還可以進(jìn)一步提升。

固態(tài)電池面臨的難點(diǎn)

從目前的推進(jìn)速度來(lái)看，我們離全固態(tài)電池還有一段距離，預(yù)計(jì)要到2030年以后才能實(shí)現(xiàn)商用。因?yàn)槟壳斑€面臨幾大難點(diǎn)沒(méi)有解決：
一是從材料方面來(lái)看，固態(tài)電解質(zhì)不能同時(shí)兼顧高離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性；
二是從界面上來(lái)看，剛性的固-固接觸，不能保證離子在原子層級(jí)高效傳輸；
三是枝晶生長(zhǎng)方面，鋰枝晶生長(zhǎng)很容易刺穿固態(tài)電解質(zhì)；
四是電池制造方面，現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)成本比較高。

也就是說(shuō)，從材料、界面、枝晶生長(zhǎng)和電池制造上來(lái)看，目前的全固態(tài)電池還不能夠滿足現(xiàn)在的需求。高安全，高比能的全固態(tài)電池，離我們還有一段距離，但現(xiàn)有商用的液態(tài)電池又不能滿足我們?nèi)找姘l(fā)展的對(duì)電池能量密度的需求情況下，半固態(tài)電池就應(yīng)運(yùn)而生了。

半固態(tài)電池更適合目前的電池發(fā)展路徑，因?yàn)榘牍虘B(tài)電池的安全性比液態(tài)電池更高；與現(xiàn)有電池產(chǎn)線的兼容性更高，易于產(chǎn)業(yè)化；而且能給個(gè)解決界面問(wèn)題。

最近，歐陽(yáng)明高院士工作站四川新能源汽車創(chuàng)新中心有限公司固態(tài)電池研發(fā)總監(jiān)朱高龍博士對(duì)固態(tài)電池的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題做了一個(gè)在線分享，他將固態(tài)電池分為5種構(gòu)型，并且詳細(xì)說(shuō)明了這5種構(gòu)型電池的現(xiàn)有研發(fā)水平和需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

固態(tài)電池構(gòu)型1及需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)

不論是液態(tài)電池，還是半固態(tài)，或者固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)都是一樣的，一般兩邊分別是正負(fù)極（如圖1），中間是電解液，用來(lái)完成負(fù)離子的輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。電芯又分為圓柱、軟包和方殼；電芯通過(guò)串并聯(lián)的方式組合成一個(gè)模組或PACK，來(lái)滿足汽車，或者其他應(yīng)用的需求。

圖1：?jiǎn)纹姵亟Y(jié)構(gòu)示意圖

固態(tài)電池構(gòu)型1，其實(shí)就相當(dāng)于在液態(tài)電池的構(gòu)型上，引入了固態(tài)電解質(zhì)涂層，涂層可以在隔膜上，也可以在正負(fù)極上。

圖2：固態(tài)電池構(gòu)型1結(jié)構(gòu)

朱高龍博士指出，這看上去跟液態(tài)電池沒(méi)有什么區(qū)別，但其實(shí)里面有很多know-how，主要在材料的選型、間隔設(shè)計(jì)，以及材料配方方面體現(xiàn)出來(lái)。

圖3：固態(tài)電池構(gòu)型1的特點(diǎn)

但好處是，構(gòu)型1使用的設(shè)備跟現(xiàn)有設(shè)備的兼容性非常高。另外，從技術(shù)成熟度上來(lái)說(shuō)，很多廠商都有了長(zhǎng)期的積累，很多關(guān)鍵點(diǎn)都得到了解決。比如涂敷的厚度現(xiàn)在可以做到非常均勻地分布，從幾十納米，到幾個(gè)納米，甚至是幾百微米都可以做到很一致的分布；另外涂層的配方，包括電解質(zhì)的粒徑、結(jié)構(gòu)、配比、粘接劑、助劑成分等都能做到很好的調(diào)控。

構(gòu)型1的特點(diǎn)是能夠保證電性能的同時(shí)，提升電池安全性，但問(wèn)題是安全性提升還不夠。朱高龍感嘆，如果該技術(shù)能夠?qū)㈡?0的安全性提升到鎳50的安全性指標(biāo)，那現(xiàn)在電池的能量密度將會(huì)有一個(gè)大幅提升。

固態(tài)電池構(gòu)型2面臨的技術(shù)難點(diǎn)

在固態(tài)電池構(gòu)型1種，我們對(duì)隔膜涂敷了一層陶瓷涂層，安全性有了很大的提升，但液態(tài)電池內(nèi)還存在大量的有機(jī)電解液，有機(jī)電解液會(huì)與正極釋放出來(lái)的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致電池的安全失效。

因此在固態(tài)電池構(gòu)型2種，引入了原位固化技術(shù)，即引入膠態(tài)/固態(tài)電解質(zhì)，將電解液給固化起來(lái)，不讓電解液流動(dòng)，防止在釋氧過(guò)程種的持續(xù)反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高安全性能。

圖4：固態(tài)電池構(gòu)型2遇到的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

但是該技術(shù)還沒(méi)有完全成熟，主要難點(diǎn)是固化后，整體電池的安全性，或者通過(guò)率會(huì)有一個(gè)大幅提升，但是熱箱的測(cè)試可能達(dá)不到要求，電池的性能，特別是倍率性能會(huì)有迅速的衰減。

所以，在固化配方上，比如單體選擇，固化之后，無(wú)論是膠態(tài)的，還是完全固態(tài)的；離子導(dǎo)率，選擇隔膜作為基底，以及隔膜內(nèi)離子輸運(yùn)的表現(xiàn)都需要特別關(guān)注；此外，還需要關(guān)注的是固態(tài)電解質(zhì)的引發(fā)劑，比如說(shuō)有的引發(fā)劑雖然能夠使單體能夠很好地固化，但固化后引發(fā)劑本身不太穩(wěn)定，從而導(dǎo)致半固態(tài)電池的安全性反而不如液態(tài)電池。

朱高龍強(qiáng)調(diào)，這里想象是很美好的，但這里面材料的選擇是非常關(guān)鍵的。

構(gòu)型2目前表現(xiàn)出來(lái)的最大特點(diǎn)是，針刺通過(guò)率大幅提升。所以原位固化技術(shù)廣泛受到了企業(yè)的關(guān)注，比如蔚來(lái)在原位固化的設(shè)備、方法、以及配方方面已經(jīng)取得了不少的成績(jī)。

他特別指出，各個(gè)企業(yè)都有這方面的布局，怎么高效地使固態(tài)電解質(zhì)在固化之后，還能發(fā)揮出離子輸運(yùn)的能力，以及電池安全性能，已經(jīng)成為了我們將要攻克的難點(diǎn)。

固態(tài)電池構(gòu)型3現(xiàn)有研發(fā)水平即待攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)
對(duì)固態(tài)電池構(gòu)型2進(jìn)行了一個(gè)迭代升級(jí)，使用密封膠在單片電芯上，將兩邊封起來(lái)，讓電解液不能四處流動(dòng)，這樣就能做到電芯內(nèi)部的串聯(lián)，從而減少非必要結(jié)構(gòu)件的使用，大幅度提升固態(tài)電池的存儲(chǔ)效率，從而提高電芯的能量密度。這就是另一種構(gòu)型，即固態(tài)電池構(gòu)型3。

圖5：半固態(tài)電池現(xiàn)有研發(fā)水平及待攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

在構(gòu)型3的關(guān)鍵點(diǎn)在于電解液量的控制和封膠技術(shù)，這樣的技術(shù)類似于在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。比如比亞迪的刀片電池，寧德時(shí)代的CTP/CTC電池等。

它的特點(diǎn)是針刺通過(guò)率及熱箱性能大幅提升，遇到的問(wèn)題是固態(tài)電解質(zhì)密度大，能量密度有損失，能量密度于安全性能的平衡。

固態(tài)電池構(gòu)型4面臨的技術(shù)難點(diǎn)

固態(tài)電池構(gòu)型4，主要就是把液態(tài)電池中的隔膜與電解液替換成了固態(tài)電解質(zhì)。經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)，大家發(fā)現(xiàn)液態(tài)電池種的隔膜和電解液是影響電池的安全性能的主要因素。因此，提升電池安全性能最為有效的辦法就是減少電解液的用量，從而很容易想到新型導(dǎo)鋰離子聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)的陶瓷電解質(zhì)，或者是聚合物電解質(zhì)膜與無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)混合的電解質(zhì)。

要求就是需要這種電解質(zhì)穩(wěn)定，一致性高，與正負(fù)極有很好的兼容性。同樣在這里面，隔膜和隔膜內(nèi)的電解液，換成聚合物電解質(zhì)或無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。在正極同樣可以用到原位固化的技術(shù)，或者直接加入膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，也同樣可以使用封膠的技術(shù)，這相當(dāng)于在原來(lái)固態(tài)電池中做一個(gè)整體升級(jí)。

在2015年時(shí)，法國(guó)的電池制造商Bollore生產(chǎn)出來(lái)了聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池。從以前的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，Bollore公司其實(shí)用的是聚合物電解質(zhì)，聚合物電解質(zhì)在60℃時(shí)，會(huì)軟化，類似于果凍或者膠態(tài)的性質(zhì)。這種情況下與正負(fù)極的界面接觸得很好，本身在60℃下，本身有比較高的離子導(dǎo)率，這樣就會(huì)形成一個(gè)類似于液態(tài)電池的一個(gè)狀況。就是有良好的接觸，特別是電極與活性材料，電極與電解質(zhì)之間有一個(gè)很好的接觸。這樣保證了離子定向輸運(yùn)的快速，高效地運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)在整車上的應(yīng)用。

構(gòu)型4最主要的缺陷有兩點(diǎn)，一是聚合物電解質(zhì)需要在高溫下運(yùn)行，難以匹配高電壓的正極材料，比如說(shuō)三元，高鎳的一些正極材料；二是聚合物電解質(zhì)軟化之后，具備了一定的流動(dòng)性，是否還安全也存在一些疑問(wèn)；三是在高溫下運(yùn)行，會(huì)浪費(fèi)一部分的能量；四是離子導(dǎo)率提升不了；五是在常溫下是固態(tài)的，會(huì)存在固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極固固接觸比較困難，特別是聚合物還有一定的彈性，會(huì)導(dǎo)致離子穿過(guò)負(fù)極，到達(dá)電解質(zhì)膜時(shí)，阻抗會(huì)變得很大。

也就是說(shuō)除了高離子導(dǎo)率問(wèn)題，還有固固接觸的問(wèn)題。這就是為什么固態(tài)電池的發(fā)展路線會(huì)從半固態(tài)逐漸過(guò)渡到全固態(tài)。

有兩個(gè)方面的原因，一是聚合物的半固態(tài)，離子導(dǎo)率非常難以提升，后續(xù)如果要做成全固態(tài)，還是會(huì)面臨固固接觸的問(wèn)題。二是聚合物的物質(zhì)，它的熱穩(wěn)定性，還是沒(méi)有全固態(tài)熱穩(wěn)定性高。

全固態(tài)電池構(gòu)型5

第5種類型，就是固態(tài)電池的終極目標(biāo)------全固態(tài)電池，就是里面完全排除了電解液的使用。正極和負(fù)極內(nèi)也是固態(tài)電解質(zhì)來(lái)進(jìn)行離子輸運(yùn)，這會(huì)使得安全性大幅提升，同時(shí)，負(fù)極可以使用金屬鋰，整體提高電池的能量密度。

新聞報(bào)道里常說(shuō)的固態(tài)電池具有高能量密度，其實(shí)不是因?yàn)楣虘B(tài)電池本身的能量密度高，而是因?yàn)楣虘B(tài)電池可以匹配這種高比能的新型正負(fù)極材料。才能夠把固態(tài)電池的能量密度做進(jìn)一步的提升。

如果常規(guī)下，跟液態(tài)電池一樣使用同樣的石墨負(fù)極，正極有磷酸鐵鋰，或者三元材料的話，其他成分都不變，只是把電解液和隔膜換成固態(tài)，其實(shí)能量密度是降低的。

相對(duì)于日本和歐美來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在固態(tài)電池方面的投入起步相對(duì)比較晚，整體研發(fā)水平跟日本比還有一定的差異，這里的差異主要體現(xiàn)在固態(tài)電解質(zhì)的合成。

為什么目前固態(tài)電池還沒(méi)有大量產(chǎn)業(yè)化呢？其實(shí)，最主要的原因是電解質(zhì)的合成成本高，推廣起來(lái)困難；第二個(gè)更關(guān)鍵的因素就是固固接觸的界面問(wèn)題。因?yàn)橐坏┑搅巳虘B(tài)，全是固固接觸的話，如何保證良好的界面，以及充放電過(guò)程中，還是共型的接觸，保證離子的輸運(yùn)等。

比如相對(duì)腳軟的硫化物電解質(zhì)就需要一個(gè)比較大的壓力，大概要200~500MPa才能保證在初步第一次壓完之后，正極和固態(tài)電解質(zhì)，以及負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)有一個(gè)良好的接觸，接觸好，離子的定向輸運(yùn)才能保證電池能量輸送出來(lái)，或者存儲(chǔ)進(jìn)去。也就是說(shuō)一定要保證固態(tài)電解質(zhì)與電極的良好接觸。

要保證良好的接觸，就需要這樣大的壓力。這個(gè)壓力在目前來(lái)講，特別是電池后續(xù)的制備制造過(guò)程中，200~500MPa的壓力就變得比較困難。就算能達(dá)到，又怎么能保證效率。這是全固態(tài)電池發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。

能保證3到400平方厘米的面積下，能夠快速壓片的技術(shù)也是后續(xù)電池組裝中非常關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)。

同時(shí)，非常明顯的一點(diǎn)就是全固態(tài)電池，完全顛覆了前面幾種電池構(gòu)型的產(chǎn)線，它的加工方法和加工形式可能就發(fā)生了改變。

也就是說(shuō)，全固態(tài)電池的關(guān)鍵點(diǎn)就是高離子導(dǎo)率、穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)，以及電池裝配工藝。遇到的問(wèn)題是成本高，工藝要求高，規(guī)?；щy。