【固态电池】全固态电池研发“被迫提速”
半固态电池发展曲线超车，全固态电池研发加速
CATL首席科学家吴凯在CIBF上表示，如果以技术和制造成熟度作为评价体系（1-9分制），CATL全固态电池研发目前处于4分水平。吴凯表示，CATL的目标是到2027年达到7-8分的水平。“2027年，CATL全固态电池小规模量产有很大机会，但受成本等因素影响，大规模量产还不太可能。”
其实，在此之前，宁德时代董事长曾毓群已经两次表达了对全固态电池的看法。今年3月，宁德时代董事长曾毓群在接受机构调研时表示，前沿技术的落地要走三条路线，分别是技术路线、产品路线、商品路线。第一，看技术上能不能行，能不能联网；第二，看它成为产品之后，在生产制造过程中，安全性、可靠性、一致性、质量能不能保证；第三，看它能不能卖出去，因为太贵了可能就卖不出去。
1.固态电池
很多人可能不知道，固态电池并不是近几年才开始研究的，研究时间比这个液态电池还要早，足足几十年了。
但时至今日，它依然无法实现商业化量产，可见其难度有多么大。
上图是锂电池结构的变化，左边是液态电池，右边是固态电池。
液态电池大家应该很熟悉，两端分别是正极和负极，中间是电解液，然后中间用隔膜隔开。
这种结构有一个致命的缺点，就是隔膜虽然承担了保护作用，但是想要保证绝对的安全是非常困难的。
因为电子既要穿过隔膜，又要隔开电解液，此时隔膜就时刻存在被击穿的危险。
比如过充、撞击、进水、高温等都会无限增加危险性，一旦电池内部温度上升到一定程度，电解液就会汽化分解，最终导致燃烧甚至爆炸。
这也是为什么液态锂电池已经到达理论极限，无法进一步提升的原因，不是技术无法实现，充电速度和续航里程可以提升，但安全性已经没得保障了。
上图详细显示了液体电池在不同温度下可能产生的结果。
这也是为什么未来固体电池必然会取代液体电池的原因，首先对环境温度的要求要小很多。
液态电池温度过低，因为电解液粘度会增加，电导率会下降，性能自然就会下降，学过物理的应该都知道。
而且高温也不好，正如我刚才所说，它会燃烧。
固态电池本来就是固体，不存在液体黏度的问题，所以低温是没有问题的。
那么就没有高温的问题了，硬的东西不容易燃烧，也不容易爆炸，就算破损了也不会有漏液的问题。
即使温度稍高一些，固态电池的性能也更佳。
因为不存在安全隐患，公众号动力电池BMS固态电池可以让能量密度更高，液态电池容量密度极限是350Wh/kg，而固态电池可以达到500Wh/kg以上，完全不在一个档次上。
能量密度=工作电压X比容量
这两个决定因素都遵循木桶理论，即只能选取各部分中的最小值，以目前液态电池的技术水平，能力密度是无法提高的。
而固体电池则不同，它的材料选择余地更大，因此随着不断发展，容量还在比容量更大。
重点是密度变大了，体积变小了，这对于新能源汽车来说太重要了。
为了保证安全，电解液和隔膜的体积约占电池的40%。
固态电池不仅可以装入密度更高的电解质来取代这两种东西，还可以将正负极之间的距离缩短至约 10 微米。
正是因为这些优点，固态电池可以轻易把续航里程做到1000公里以上，所以现在很多车企都在推广这个东西。
例如上图就是 Zhi Ho Ho L6 推广的。
不懂的人还以为这真是固态电池，当然不止是智者，还有大量其他车企和电池企业也一样，都在讲自己的固态电池。
固态电池的标准其实很明确，根据液态电解质含量不同，级别也有所不同。
5-10WT%含量为半固态电池，0-5WT%含量为准固态电池，不含任何液态电解质，称为全固态电池。
现在半固态电池还好，果冻电池确实在用，现在大家的主要精力还是在准固态电池上，还没有进入全固态电池。
比如前文提到的这种光年固体电池，其主要成分就是“无机氧化物固体电解质+聚合物粘合剂+”的组合。
清陶能源总经理“李彦”说过这样一句话：
“为了提升固态电解质的锂离子电导率，我们在电解液中添加了10%的浸润溶液。”
渗透液是什么意思你懂的！
因此，这种光年固体电池只能说是半固体电池，甚至算不上准固体电池。
当然不是说这东西不好，智己L6是一款非常好的车，充电功率达到400kW，续航里程超过1000公里，充电12分钟续航400公里。
我只是想表达固态电池真正的概念，没有任何诋毁半固态电池的意思。
事实上，从液态电池到固态电池，需要经历这样一个过渡过程，技术发展需要时间。
2.技术路线
固态电池有三种技术路线，分别是氧化物路线、硫化物路线、聚合物路线。“还有很多基础科学问题需要解决，比如大多数固体电解质和液体电解质中离子扩散速度的数量级差异、固-固界面难以保持良好接触等。突破这些科学技术难题后，产业化还会有问题。”曾毓群说。
同月，曾毓群在接受英国《金融时报》采访时也指出，日本汽车制造商等大力宣扬的电动汽车固态电池距离商业化还有数年时间，技术还不够完善，缺乏耐用性，还存在安全问题（比如电池在车祸中破裂的后果）。
可以看出，吴凯上个月对全固态电池的表态，已经是宁德时代第三次公开全固态电池产业化表态。
今年以来，全固态电池的关注和热议从国外蔓延到国内。对于国外企业来说，希望通过全固态电池实现弯道超车，赶超中国在动力电池领域的优势；对于国内企业来说，如何巩固和引领动力电池领域的产业和技术优势，也是政府和龙头企业十分重视的问题。
全固态电池之所以成为国内外企业纷纷押注的核心路线，是因为其能在超高安全保障的前提下大幅提升能量密度，从而达到极致的性能，满足更多场景的应用需求，颠覆现有的电池体系。
在全球全固态电池的竞争中，CATL也不得不说，“公司（CATL）非常重视固态电池，已经布局多年，近期还加大了投入。”
需要指出的是，在全固态电池的产业化进度上，宁德时代还是比较冷静的。
吴凯认为，全固态电池要实现产业化，仍需解决四大难题，包括固-固界面、锂金属负极的应用、硫化物电解质在空气中的不稳定及合成成本较高、全固态电池生产工艺。
事实上，以上四个问题都无法得到很好的解决。
以固固界面问题为例，正极材料与电解液之间的固固界面接触不充分，阻碍离子传输；负极在充放电过程中体积大幅度膨胀，导致固固界面发生动态损伤，且难以修复而使固固界面不断劣化……这些都严重影响全固体电池的循环寿命和倍率性能。
全固态电池要想达到500Wh/kg/L的高能量密度目标，以目前的技术水平，电池负极必须采用锂金属，但锂金属存在体积膨胀巨大和枝晶生长两个问题。此外，全固态锂金属电池还有一个需要突破的瓶颈，就是电池循环次数的提升。据中科院院士欧阳明高介绍，目前500Wh/kg的锂金属电池，循环寿命大概只有几十次，还有很多工作要做。另外，在快充、安全性方面，由于锂金属的熔点只有180摄氏度，这些都需要攻克。
可以看出，全固态电池的研发和量产是一个非常艰巨而复杂的工程。 CATL 在固态电池方面积累了十余年的研发经验，目前已经建立了近千人的全固态电池研发团队，也取得了一定的进展和经验。吴凯表示，从全固态电池的技术成熟度和制造成熟度来看，预计未来三年将逐步进入成熟期，真正启动量产进程。
其实，不管是何种形式，充电和放电过程的原理都是一样的，都是在正负电子之间移动。
因此也有人把这个过程比喻成大人在游泳，液态电池是在水中游泳，固态电池是在沙子中游泳。
沙子的阻力当然很大，所以会严重影响电子的运动效率。
除了结构之外，材料也是巨大的关口。
常规的液态锂电池材料已经非常成熟和稳定，基本没有什么优化的空间。
在材料方面，固态电池尚未定论。例如，氧化电解质现在需要 黑色 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 洛杉矶 细菌 细菌 细菌 细菌 细菌 细菌 细菌 金属。
这些话是不是很奇怪？
陌生人说得对，这些东西非常稀有，尤其是我们自己没有储备。
比如说资源，我们的进口依存度高达90%。
我们的资源非常丰富，根据勘探结果，我国的矿产资源储量居世界第二位，行业的龙头企业是云南的产业。
此外，驰宏锌锗资源也颇具规模，锗资源储量达600吨。
看到区区600吨这个数据第一反应是什么？
价格高啊，酵母价格太高是让固态电池成本不来的原因之一。
还有负极材料，之前我们都知道常用的是石墨负极，和固态电池不一样，现在主要是硅基负极和金属锂负极。
尤其是锂负极，应该是未来的主流，它的比容量非常高，目前已经达到1000/g，是石墨的10倍，因此可以大大提高电池的能量密度，续航里程超过1000公里是轻而易举的事。
但是这种锂存在一个问题，在充电的时候，锂离子可能会形成枝状的金属锂，专业上称之为“锂枝晶生长”。
都是树啊，当然会破坏里面的结构，导致电解液的界面不稳定。
重点是这棵树是不可逆的，长出来就没有锂离子了，当然电池利用率就会降低。
如果树枝再调皮一点，一不小心渗透到水分里面去，那就会导致短路。
现在解决这个问题的主流思路是采用“剪切模量”技术，学过材料学的应该都明白这个道理，但是它依然无法完全阻止树枝的生长。
如果短期内无非解决“锂枝晶生长”问题，那么就应该用硅基课题来引用。
比较遗憾的是硅基材料导电性不是很好，而且还会膨胀，否则也不是不能成为主流。
至于正极材料，系统性的变化应该比较小，现在主要是提高它的电压承受能力，因为更高的电压认为这样才能匹配更高的电池能量密度。
如果锂金属真的是未来的主流材料，那么正极材料就必须高，做出超高镍、钾镍锰酸锂或者富锂锰基等高能量密度的材料。
我觉得“富锂锰基”好像很火爆，很多企业都在布局。
不管采用哪种材料，看来“镍”金属未来都会有一波增长，因为要想提高比容量，高镍是不够的，需要超高镍。
至于技术问题，目前还不需要讨论，材料还没有搞清楚，技术也还太早。
目前全固态电池所需的设备还不够齐全，比如烧结、真空、干燥房等，还没有完整成熟的设备。
整个SSD电池的技术层面，现在还有非常多的问题没有解决，或者说还没有经过可靠性检验吧，是不成熟，还只是实验室产品。
因此全固体电池短时间内不可能实现量产，而且成本也不允许。
现在就算是半固态电池的成本，大概在1.5元/Wh以上，全固态电池如果非要强行生产，就是这个成本的3倍以上。
现在普通三元电池成本已经降低到4分钱左右。
新能源汽车已经被碾压得够多了，就算不考虑安全性，谁会用这么高的电池？
三、全固态电池发展“被迫提速”
CATL首席科学家吴凯在CIBF上表示，如果以技术和制造成熟度作为评价体系（1-9分制），CATL全固态电池研发目前处于4分水平。吴凯表示，CATL的目标是到2027年达到7-8分的水平。“2027年，CATL全固态电池小规模量产有很大机会，但受成本等因素影响，大规模量产还不太可能。”
其实，在此之前，宁德时代董事长曾毓群已经两次表达了对全固态电池的看法。今年3月，宁德时代董事长曾毓群在接受机构调研时表示，前沿技术的落地要走三条路线，分别是技术路线、产品路线、商品路线。第一，看技术上能不能行，能不能联网；第二，看它成为产品之后，在生产制造过程中，安全性、可靠性、一致性、质量能不能保证；第三，看它能不能卖出去，因为太贵了可能就卖不出去。
第四，半固体路线有必要性
相比国外企业直接押注全固态电池，国内企业目前则以半固态（固液混合）特性为主，产业链完整，企业纷纷布局车载化。业内人士认为，之所以出现这种情况，是因为我国在液态电池技术上技术成熟，产业链非常完整，下游应用场景多样。
欧阳明高认为，作为一种过渡的技术路线，我国有必要发展半固态电池。
事实上，半固态电池近年来在国内已经得到大力推广，并且取得成效。
目前，包括亿纬锂能、孚能科技、力神电池、清陶能源、蔚来新能源、东驰能源、正力新能源、比亚迪电池、国轩高科、赣锋锂电等多家企业均已将半固态电池推向产业化阶段。
近日，比克电池透露，公司预计今年7月就能交付半固态电池。据悉，比克半固态锂电池采用聚合物+氧化物的复合体系，通过固态电解质共混、原位固化技术，形成电解质含量低于10%的半固态电池。“该技术路线下的能量密度可达350Wh/kg以上，表现出高能量、高安全、低膨胀、低内阻、宽温度范围等特点。”
比克电池介绍，公司正在持续优化半固态体系，目前能量密度已可达到360Wh/kg。同时，比克电池正规划将金属锂负极应用到半固态电池体系中，计划在2024年底将能量密度提升至450Wh/kg。
上个月，正力新能发布了双半固态超长寿命大圆柱电池。据悉，正力新能研发了超高镍陶瓷材料的固态陶瓷表面修饰技术和固态陶瓷复合技术。得益于此，大圆柱电芯的失效起始温度提升10°C，失效最高温度降低150°C。功率性能改善上，零下20°C低温功率提升了20%。
据介绍，正力新能46系列大圆柱电芯采用超高镍镍+高硅耐受的材料体系，使得动力电池系统能量密度超过245Wh/kg，整包密度高达，支持纯电MPV高度，满电里程1000公里以上。
近日，亿纬锂能透露，公司固液混合半固态体系已完成部分产品开发，基于50Ah软包半固态电池，可实现330Wh/Kg的能量密度，循环寿命超过2000次。
清陶能源的半固态电池由复合正极、复合负极、电解液和电解液隔膜组成，依然有注液工艺，注液比例约5%-15%，今年将搭载在智极L6上投放市场销售。
据孚能科技介绍，其第一代半固态电池已成功量产并搭载于车辆上；下一代半固态产品已具备量产条件，能量密度更高，适用于乘用车、低空飞行等新兴领域。
力神电池透露，公司今年1月完成新一代半固态电池研发，能量密度达到402Wh/kg。据介绍，该产品兼顾高能量密度与高安全性能，采用全新一体化设计技术，通过调控电化学过程抑制过渡金属溶解和结构位错生长，实现半固态电池超轻量化和高安全性。据悉，该产品未来将主要瞄准超长续航中高端电动汽车，以及eVTOL（电动垂直起降飞机）等领域。
从技术成熟度和产业化进度来看，我国在液态、半固态电池领域已经占据领先地位，尤其是半固态电池预计在未来2-3年内实现量产，并在高安全性、高能量密度等维度继续保持领先。
相比中国、日本，欧美在液态、半固态电池方面落后，发展全固态电池的目标是颠覆中国在液态锂电池方面的优势。“我们要保持优势，防止被颠覆，攻克全固态电池，优化液态锂离子电池，不能丢掉液态锂离子电池，液态锂离子电池是我们的优势，未来几十年都要靠它。”欧阳明高说。其实，业界已经意识到了全固态电池的颠覆性风险，无论是目前领先的电池企业如何巩固优势，还是如何应对海外企业的竞争，全固态电池的研发都将被迫加快速度。
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结尾
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