▲固態電池是動力電池必經之路
固態電池距離我們還有多遠
1、高阻抗、低倍率的核心難題
當前固態電解質體相離子電導率遠低于液態電解質的水平，往往相差多個數量級。 按照材料的選擇，固態電解質可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系，而無論哪一種類別，均無法回避離子傳導的問題。電解質的功能在于電池充放電過程中為鋰離子在正負極之間搭建鋰離子傳輸通道來實現電池內部電流的導通，決定鋰離子運輸順暢情況的指標被稱為離子電導率，低的離子電導率意味著電解質差的導鋰能力，使鋰離子不能順利在電池正負極之間運動。聚合物體系的室溫電導率約 10-7-10-5S/cm，氧化物體系室溫下電導率為 10-6-10-3S/cm，硫化物體系電導率最高，室溫約 10-3-10-2S/cm，而傳統液態電解質的室溫離子電導率為 10-2S/cm 左右， 比任意固態電解質類型的離子電導率都要高。
▲三大體系固態電解質離子電導率高低順序
此外， 固態電解質擁有高界面阻抗。 在電極與電解質界面上，傳統液態電解質與正、負極的接觸方式為液/固接觸，界面潤濕性良好，界面之間不會產生大的阻抗，相比較之下，固態電解質與正負極之間以固/固界面的方式接觸，接觸面積小，與極片的接觸緊密性較差，界面阻抗較高，鋰離子在界面之間的傳輸受阻。
▲固態電解質界面阻抗高于傳統液態電解質
低離子電導率與高界面阻抗導致了固態電池的高內阻， 鋰離子在電池內部傳輸效率低，在高倍率大電流下的運動能力更差，直接影響電池的能量密度與功率密度。
2、三大技術路線產業化進展
固態電池的三大體系各有優勢，其中聚合物電解質屬于有機電解質，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質。縱覽全球固態電池企業，有初創公司，也不乏國際廠商，企業之間獨踞山頭信仰不同的電解質體系，未出現技術流動或融合的態勢。歐美企業偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業則更多致力于解決硫化物體系的產業化難題，其中以豐田、三星等巨頭為代表。
▲全球固態電池企業在技術路線
聚合物體系：率先小規模量產，技術最成熟，性能上限低。聚合物體系屬于有機固態電解質，主要由聚合物基體與鋰鹽構成，量產的聚合物固態電池材料體系主要為聚環氧乙烷（PEO） -LiTFSI（LiFSI），該類電解質的優點是高溫離子電導率高，易于加工，電極界面阻抗可控。因此成為最先實現產業化的技術方向。但其室溫離子電導率為三大體系中最低，嚴重制約了該類型電解質的發展。電導率過低+低容量正極意味著該材料的較低的能量與功率密度上限。 在室溫下，過低的離子電導率（10-5S/cm 或更低）使離子難以在內部遷移，在 50～80℃的環境下利用才勉強接近可以實用化的 10-3S/cm。此外， PEO 材料的氧化電壓為 3.8V，難以適配除磷酸鐵鋰以外的高能量密度正極，因此，聚合物基鋰金屬電池很難超過 300Wh/kg 的能量密度。
▲聚合物體系研發機構
法國博洛雷公司率先將此類固態電池商業化。 2011 年 12 月其生產的以 30kwh 固態聚合物電池+雙電層電容器為動力系統的電動車駛入共享汽車市場，這也是世界上首次用于 EV 的商業化固態電池。據資料顯示，該公司共投入約 2900輛 EV，設立了約 900 座服務站和約 4500 臺充電器，服務用戶合計達到 18 萬人以上，其中近 4 成的約 7 萬人為活躍用戶，每天的利用次數約為 1.8 萬次。該產品為后來者提供了參考與指導，但并不具備商業價值。 博洛雷公司的聚合物固態電池采用了 Li-PEO-LFP 的材料體系，能量密度為 110Wh/kg，對比傳統電池系統沒有密度優勢。由于聚合物電解質在室溫下難以工作，博洛雷為此電池系統搭配了 200W 的加熱器，發動前需通過加熱元件將電池系統升至 60-80℃。而在面對長時間停車時，加熱器也需要一直處于工作狀態，停車時需要連接充電器。加熱器的存在，增加能耗，對電池包殼體設計增加了諸多限制，安全性也有待考究。此外，由于聚合物體系功率密度低，應對緊急起步、緊急加速等場景需配載雙電層電容器彌補輸出。
▲博洛雷生產的固態電池汽車的局限
聚合物體系可卷對卷生產， 量產能力最好。 由于聚合物薄膜擁有彈性和粘性，博洛雷與 SEEO 公司的電解質均可由卷對卷的方式量產。卷對卷印刷技術在薄膜太陽能電池、印刷等領域已有較廣泛應用，其技術相對成熟，成本低廉。因此， 聚合物體系是當前量產能力最強固態電池。與無機固態電解質復合是潛在的發展方向。 將聚合物體系與其他無機固態電解質體系復合能改善聚合物體系的電導率，并能較好結合兩者優勢，實現“剛柔并濟。
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