動(dòng)力電池是新能源汽車的心臟，動(dòng)力電池性能對(duì)整車性能起著決定性的作用。

在當(dāng)前鋰離子電池體系下，依靠高鎳三元正極、硅碳負(fù)極和電解液的組合將在3-5年內(nèi)達(dá)到性能極限（能量密度上限350Wh/Kg），但仍無(wú)法徹底滿足動(dòng)力電池對(duì)安全性、能量密度與成本的要求。

而由于固態(tài)電池在安全性與能量密度方面具備更大潛力，近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

今天我們就來(lái)對(duì)固態(tài)電池的原理、優(yōu)點(diǎn)、研發(fā)現(xiàn)狀、前景等方面進(jìn)行系統(tǒng)性的了解，揭示重視固態(tài)電池的必要性。

固態(tài)鋰電池VS傳統(tǒng)鋰電池

固態(tài)鋰電池指電池電解質(zhì)部分采用固態(tài)材料的鋰二次電池。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池不同在于固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。

一直以來(lái)，安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對(duì)動(dòng)力電池的三大要求。由于固態(tài)電池在這三方面均具備優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池的潛力，因此也被視為下一代電池技術(shù)：

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)一：安全性高，無(wú)自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池，在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱，有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電池仍存在一定的可燃風(fēng)險(xiǎn)，但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)二：能量密度高，有望徹底解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]。目前技術(shù)體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限，特斯拉NCA18650電芯能量密度達(dá)到250Wh/Kg，應(yīng)用于Model3的21700電芯能量密度約300Wh/Kg，支持的續(xù)航里程約400至500公里，仍無(wú)法徹底解決里程焦慮。

而對(duì)于固態(tài)電池而言，一方面固態(tài)電解質(zhì)無(wú)需隔膜與電解液，這兩部分在傳統(tǒng)鋰離子電池中加起來(lái)占據(jù)近40%的體積和25%的質(zhì)量，另一方面由于沒(méi)有漏液、腐蝕等問(wèn)題，可以簡(jiǎn)化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊，進(jìn)一步減輕電池系統(tǒng)重量。此外，配套新的正負(fù)極材料可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上，可以從根本上提高能量密度，有望達(dá)到500Wh/Kg，同等電池容量的情況下有望將續(xù)航里程提高到600至700公里。

此外，固態(tài)電池還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。

按照電解質(zhì)材料的不同，固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物和硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)。總體來(lái)說(shuō)，聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟，已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但是理論能量密度不及其他兩類電解質(zhì)；氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì)，但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域，非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對(duì)還不夠成熟；硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，但是開發(fā)難度最大。

按照正負(fù)極材料的不同，固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池（沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等）和固態(tài)鋰金屬電池（以金屬鋰為負(fù)極）。由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)前的電池體系最為接近，日韓本身又擁有成熟的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈，因此目前日韓企業(yè)大多采用硫化物+固態(tài)鋰離子電池的路線。而歐美初創(chuàng)企業(yè)則立足于顛覆性的技術(shù)，大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。

國(guó)外企業(yè)布局情況

整車企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對(duì)外投資兩類。前者以豐田為代表，后者以寶馬、大眾為代表。可以看到2017年以來(lái)不論是哪種路線，整車企業(yè)的動(dòng)作都有所加快，而造成兩者策略差異的主要原因在于整車企業(yè)前期積累的多少。

豐田歷來(lái)在電池技術(shù)上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到Mirai燃料電池，豐田都是業(yè)界最早將新能源技術(shù)應(yīng)用于整車層面的車企。

在固態(tài)電池領(lǐng)域，豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術(shù)進(jìn)一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢(shì)：

1、內(nèi)部研發(fā)積累大量專利，在新技術(shù)上有絕對(duì)的自主權(quán)，同時(shí)豐田表示將在2030年之前投資在相關(guān)電池研發(fā)的資金可能超過(guò)130億美元；

2、由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）牽頭投資100億日元，豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家日本汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究，計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)；

3、與松下合作固態(tài)電池研究，從不同層面去研究和解決問(wèn)題，為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎(chǔ)。

從技術(shù)路線上來(lái)看，豐田主要是基于固態(tài)鋰離子電池，采用石墨類負(fù)極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合，并計(jì)劃于2022年實(shí)現(xiàn)商品化。但是豐田固態(tài)電池目前的主要問(wèn)題在于循環(huán)壽命還較短（小于3年），這也是豐田下一階段的研發(fā)重點(diǎn)。

以大眾、寶馬為代表的車企在固態(tài)領(lǐng)域的積累不及豐田，但是近年來(lái)明顯加快了布局的步伐。2017年底寶馬與SolidPower建立合作伙伴關(guān)系共同研發(fā)固態(tài)電池，2018年中大眾向QuantumScape投資1億美元，并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。與此同時(shí)，寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心，開始涉及電芯級(jí)別的技術(shù)驗(yàn)證和開發(fā)。與豐田主要依靠?jī)?nèi)部研發(fā)不同，對(duì)于大眾、寶馬等德系車企來(lái)說(shuō)，投資初創(chuàng)企業(yè)快速獲取固態(tài)電池的相關(guān)專利、同時(shí)通過(guò)內(nèi)部研究加深對(duì)下一代電池技術(shù)的理解，是一條效率更高的道路。

不過(guò)也并非所有企業(yè)都在進(jìn)軍固態(tài)電池領(lǐng)域。特斯拉作為電動(dòng)汽車同時(shí)也是動(dòng)力電池的領(lǐng)軍者，目前還沒(méi)有在固態(tài)電池方面擁有一件專利。檢索與特斯拉相關(guān)的專利數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)特斯拉在電池領(lǐng)域總共擁有244件專利，但主要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域，而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態(tài)電池“有一定前景”，但是距離技術(shù)成熟還需要時(shí)間，目前也不足以“改變特斯拉的戰(zhàn)略”。

特斯拉的Model3車型采取了以NCA為正極材料的松下21700圓柱型電池，電芯能量密度可以達(dá)到300Wh/Kg，甚至超過(guò)了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅(jiān)持目前的材料體系并通過(guò)Gigafactory的擴(kuò)產(chǎn)來(lái)快速降低電池成本，進(jìn)一步擴(kuò)大在這一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。

此外，作為全球最大的汽車零部件供應(yīng)商，博世在今年年初宣布放棄對(duì)電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資，并出售了之前收購(gòu)的從事固態(tài)電池研發(fā)的子公司SEEO。博世仍然看好固態(tài)電池的技術(shù)方向，但是對(duì)于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行投資非常謹(jǐn)慎。博世預(yù)計(jì)投資建設(shè)200GWH的動(dòng)力電池產(chǎn)能（20%市場(chǎng)份額）需要200億歐元左右的投資，而制造成本中接近3/4都是材料成本，不利于發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此博世的態(tài)度是“需要了解電池技術(shù)，但不必親自制造電池。”

另外，電池初創(chuàng)企業(yè)也是一股新生力量，在固態(tài)電池領(lǐng)域受關(guān)注度較高的初創(chuàng)企業(yè)主要包括SEEO、Sakti3、SolidEnergy、QuantumScape。

從融資情況來(lái)看，SEEO獲得了三星等公司的投資，Sakti3獲得了由通用汽車公司為首的共計(jì)2000萬(wàn)美元的投資，SolidEnergy則獲得了通用汽車和上汽等公司的1200萬(wàn)美元投資。今年6月QuantumScape獲得德國(guó)大眾汽車公司1億美元的投資。

這些初創(chuàng)企業(yè)大多由美國(guó)頂尖高校的研究人員創(chuàng)辦，它們選擇的電解質(zhì)主要可以分為聚合物、氧化物兩大體系。

SEEO通過(guò)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)DryLyte（一種可以循環(huán)使用>2000次的固態(tài)電解質(zhì)/隔膜），于2012年將該技術(shù)應(yīng)用于（Li/LFP）電池；2016年，通過(guò)開發(fā)NCx系統(tǒng)、新的鋰箔凈化和軋制方法，SEEO規(guī)劃在未來(lái)3年擴(kuò)大量產(chǎn)規(guī)模和提升電池能量密度（達(dá)到450Wh/kg即大于30Ah）。

SolidEnergy起步晚但公司采用了折中的半固態(tài)電解質(zhì)+鋰金屬負(fù)極路線，其獨(dú)特之處在于：

1、采用突破性的固體保護(hù)涂層（陽(yáng)極-裂解物）組成了聚合物和無(wú)機(jī)材料，這種固體保護(hù)涂層直接應(yīng)用到經(jīng)過(guò)表處理的鋰金屬陽(yáng)極上可以用來(lái)抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。它具有高鋰離子導(dǎo)電率但是與液體電解質(zhì)不混溶；

2、采用革命性的液體電解質(zhì)（陰極-裂解物）具有高鋰電鍍和剝離效率、在高壓陰極有高氧化穩(wěn)定性并且能降低溶劑揮發(fā)性；

3、采用一種創(chuàng)新的電池組裝工藝可以最大限度地提高電池能量密度，解決循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹問(wèn)題，并且使得鋰金屬可以通過(guò)現(xiàn)有的鋰離子電池基礎(chǔ)設(shè)施被規(guī)模化地制造出來(lái)。

2017年SolidEnergy從特種航天領(lǐng)域入手推出容量為3Ah的HermesTM電池，質(zhì)量和體積能量密度分別達(dá)到450Wh/Kg和1200Wh/L，目前以每月5000個(gè)電池的速度量產(chǎn)，并且通過(guò)了第三方的檢測(cè)。

氧化物電解質(zhì)體系主要分為薄膜型和和非薄膜型。薄膜型固態(tài)電池以Sakti3為代表。這一類電池具有良好的倍率及循環(huán)性能，但是電池容量較小，目前僅能用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品。Sakti3目前也被英國(guó)家電巨頭Dyson收購(gòu)。非薄膜型固態(tài)電池以QuantumScape為代表。這一類電池整體性能指標(biāo)較為均衡，離子電導(dǎo)率高于聚合物電解質(zhì)、電池容量大、可量產(chǎn)，是理想的電解質(zhì)材料之一。目前QuantumScape正在與大眾合作推進(jìn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。

國(guó)內(nèi)固態(tài)電池進(jìn)展

國(guó)內(nèi)固態(tài)電池研發(fā)主要依托于中科院等科研機(jī)構(gòu)，不過(guò)近幾年部分企業(yè)開始嘗試進(jìn)行科研成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，例如贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)合作、中科院物理所與衛(wèi)藍(lán)新能源合作等。總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)呈現(xiàn)較為分散的格局，而且國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界（包括整車企業(yè)與電池企業(yè)）在固態(tài)電池領(lǐng)域的積累遠(yuǎn)不及豐田等國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

中科院青島能源所儲(chǔ)能院崔光磊團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)研究，目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)，能量密度達(dá)300Wh/Kg，并且在馬里亞納海溝完成1萬(wàn)米的高壓環(huán)境下完成深海測(cè)試。

中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)從事氧化物與硫化物固體電解質(zhì)研究，已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到260Wh/Kg的10Ah固態(tài)單體電池。借助寧波材料所的技術(shù)，江西贛鋒鋰業(yè)在寧波當(dāng)?shù)赝顿Y5億元人民幣籌建億瓦時(shí)固態(tài)動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)線。第一代固態(tài)鋰電池技術(shù)通過(guò)中汽研汽車檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，放電容量約13Ah，能量密度約245Wh/Kg，循環(huán)1000次后容量保持率大于90%。