▲固態(tài)電池是動力電池必經(jīng)之路
固態(tài)電池距離我們還有多遠
1、高阻抗、低倍率的核心難題
當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)體相離子電導(dǎo)率遠低于液態(tài)電解質(zhì)的水平，往往相差多個數(shù)量級。 按照材料的選擇，固態(tài)電解質(zhì)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(dǎo)的問題。電解質(zhì)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(xiàn)電池內(nèi)部電流的導(dǎo)通，決定鋰離子運輸順暢情況的指標(biāo)被稱為離子電導(dǎo)率，低的離子電導(dǎo)率意味著電解質(zhì)差的導(dǎo)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(dǎo)率約 10-7-10-5S/cm，氧化物體系室溫下電導(dǎo)率為 10-6-10-3S/cm，硫化物體系電導(dǎo)率最高，室溫約 10-3-10-2S/cm，而傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率為 10-2S/cm 左右， 比任意固態(tài)電解質(zhì)類型的離子電導(dǎo)率都要高。
▲三大體系固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率高低順序
此外， 固態(tài)電解質(zhì)擁有高界面阻抗。 在電極與電解質(zhì)界面上，傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)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(chǎn)生大的阻抗，相比較之下，固態(tài)電解質(zhì)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(tài)電解質(zhì)界面阻抗高于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)
低離子電導(dǎo)率與高界面阻抗導(dǎo)致了固態(tài)電池的高內(nèi)阻， 鋰離子在電池內(nèi)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(shù)路線產(chǎn)業(yè)化進展
固態(tài)電池的三大體系各有優(yōu)勢，其中聚合物電解質(zhì)屬于有機電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質(zhì)。縱覽全球固態(tài)電池企業(yè)，有初創(chuàng)公司，也不乏國際廠商，企業(yè)之間獨踞山頭信仰不同的電解質(zhì)體系，未出現(xiàn)技術(shù)流動或融合的態(tài)勢。歐美企業(yè)偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系的產(chǎn)業(yè)化難題，其中以豐田、三星等巨頭為代表。
▲全球固態(tài)電池企業(yè)在技術(shù)路線
聚合物體系：率先小規(guī)模量產(chǎn)，技術(shù)最成熟，性能上限低。聚合物體系屬于有機固態(tài)電解質(zhì)，主要由聚合物基體與鋰鹽構(gòu)成，量產(chǎn)的聚合物固態(tài)電池材料體系主要為聚環(huán)氧乙烷（PEO） -LiTFSI（LiFSI），該類電解質(zhì)的優(yōu)點是高溫離子電導(dǎo)率高，易于加工，電極界面阻抗可控。因此成為最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向。但其室溫離子電導(dǎo)率為三大體系中最低，嚴重制約了該類型電解質(zhì)的發(fā)展。電導(dǎo)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(dǎo)率（10-5S/cm 或更低）使離子難以在內(nèi)部遷移，在 50～80℃的環(huán)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(fā)機構(gòu)
法國博洛雷公司率先將此類固態(tài)電池商業(yè)化。 2011 年 12 月其生產(chǎn)的以 30kwh 固態(tài)聚合物電池+雙電層電容器為動力系統(tǒng)的電動車駛?cè)牍蚕砥囀袌觯@也是世界上首次用于 EV 的商業(yè)化固態(tài)電池。據(jù)資料顯示，該公司共投入約 2900輛 EV，設(shè)立了約 900 座服務(wù)站和約 4500 臺充電器，服務(wù)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(shù)約為 1.8 萬次。該產(chǎn)品為后來者提供了參考與指導(dǎo)，但并不具備商業(yè)價值。 博洛雷公司的聚合物固態(tài)電池采用了 Li-PEO-LFP 的材料體系，能量密度為 110Wh/kg，對比傳統(tǒng)電池系統(tǒng)沒有密度優(yōu)勢。由于聚合物電解質(zhì)在室溫下難以工作，博洛雷為此電池系統(tǒng)搭配了 200W 的加熱器，發(fā)動前需通過加熱元件將電池系統(tǒng)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(tài)，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(shè)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(yīng)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(chǎn)的固態(tài)電池汽車的局限
聚合物體系可卷對卷生產(chǎn)， 量產(chǎn)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(zhì)均可由卷對卷的方式量產(chǎn)。卷對卷印刷技術(shù)在薄膜太陽能電池、印刷等領(lǐng)域已有較廣泛應(yīng)用，其技術(shù)相對成熟，成本低廉。因此， 聚合物體系是當(dāng)前量產(chǎn)能力最強固態(tài)電池。與無機固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合是潛在的發(fā)展方向。 將聚合物體系與其他無機固態(tài)電解質(zhì)體系復(fù)合能改善聚合物體系的電導(dǎo)率，并能較好結(jié)合兩者優(yōu)勢，實現(xiàn)“剛?cè)岵?/p>
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