動力電池是新能源汽車的心臟，動力電池性能對整車性能起著決定性的作用。

在當前鋰離子電池體系下，依靠高鎳三元正極、硅碳負極和電解液的組合將在3—5年內(nèi)達到性能極限（能量密度上限350Wh/kg），但仍無法徹底滿足動力電池對安全性、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，近年來受到了學術界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。

今天我們就來對固態(tài)電池的原理、優(yōu)點、研發(fā)現(xiàn)狀、前景等方面進行系統(tǒng)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)電解質替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質鹽、隔膜。

一直以來，安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對動力電池的三大要求。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：

固態(tài)電池優(yōu)點一：安全性高，無自燃、爆炸風險。采用有機電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池，在過度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導致電解液發(fā)熱，有自燃甚至爆炸的危險。全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準固態(tài)電池仍存在一定的可燃風險，但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。

固態(tài)電池優(yōu)點二：能量密度高，有望徹底解決電動汽車里程焦慮。目前，技術體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限，特斯拉NCA18650電芯能量密度達到250Wh/kg，應用于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，仍無法徹底解決里程焦慮。

而對于固態(tài)電池而言，一方面固態(tài)電解質無需隔膜與電解液，這兩部分在傳統(tǒng)鋰離子電池中加起來占據(jù)近40%的體積和25%的質量，另一方面由于沒有漏液、腐蝕等問題，可以簡化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊，進一步減輕電池系統(tǒng)重量。此外，配套新的正負極材料可以使得電化學窗口達到5V以上，可以從根本上提高能量密度，有望達到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、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點。

按照電解質材料的不同，固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質屬于有機電解質，氧化物和硫化物屬于無機陶瓷電解質。總體來說，聚合物電解質技術最成熟，已經(jīng)率先實現(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；氧化物電解質性能優(yōu)于聚合物電解質，但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應用于消費類電子領域，非薄膜型氧化物電池技術相對還不夠成熟；硫化物電解質理論上最適合于電動汽車領域，但是開發(fā)難度最大。

按照正負極材料的不同，固態(tài)電池還可以進一步分為固態(tài)鋰離子電池（沿用當前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負極、三元正極等）和固態(tài)鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。由于固態(tài)鋰離子電池與當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，大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。

國外企業(yè)布局情況

整車企業(yè)在固態(tài)電池領域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對外投資兩類。前者以豐田為代表，后者以寶馬、大眾為代表。可以看到2017年以來不論是哪種路線，整車企業(yè)的動作都有所加快，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。

豐田歷來在電池技術上有著深厚的積累。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應用于整車層面的車企。

在固態(tài)電池領域，豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術進一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢：

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

2.由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（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、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究，計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關技術;

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題，為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎。

從技術路線上來看，豐田主要是基于固態(tài)鋰離子電池，采用石墨類負極、硫化物電解質與高電壓正極的組合，并計劃于2022年實現(xiàn)商品化。但是豐田固態(tài)電池目前的主要問題在于循環(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。

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

不過也并非所有企業(yè)都在進軍固態(tài)電池領域。特斯拉作為電動汽車同時也是動力電池的領軍者，目前還沒有在固態(tài)電池方面擁有一件專利。檢索與特斯拉相關的專利數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)特斯拉在電池領域總共擁有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”，但是距離技術成熟還需要時間，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到300Wh/kg，甚至超過了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅持目前的材料體系并通過Gigafactory的擴產(chǎn)來快速降低電池成本，進一步擴大在這一代電池技術上的優(yōu)勢。

此外，作為全球最大的汽車零部件供應商，博世在今年年初宣布放棄對電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資，并出售了之前收購的從事固態(tài)電池研發(fā)的子公司SEEO。博世仍然看好固態(tài)電池的技術方向，但是對于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行投資非常謹慎。博世預計投資建設200GWH的動力電池產(chǎn)能（20%市場份額）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)揮競爭優(yōu)勢。因此博世的態(tài)度是“需要了解電池技術，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)電池領域受關注度較高的初創(chuàng)企業(yè)主要有SEEO、Sakti3、SolidEnergy、QuantumScape。

從融資情況來看，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2000萬美元的投資，SolidEnergy則獲得了通用汽車和上汽等公司的1200萬美元投資。今年6月QuantumScape獲得德國大眾汽車公司1億美元的投資。

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

SEEO通過和勞倫斯伯克利國家實驗室共同研發(fā)DryLyte（一種可以循環(huán)使用>2000次的固態(tài)電解質/隔膜），于2012年將該技術應用于（Li/LFP）電池；2016年，通過開發(fā)NCx系統(tǒng)、新的鋰箔凈化和軋制方法，SEEO規(guī)劃在未來3年擴大量產(chǎn)規(guī)模和提升電池能量密度（達到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+鋰金屬負極路線，其獨特之處在于：

1.采用突破性的固體保護涂層(陽極-裂解物)組成了聚合物和無機材料，這種固體保護涂層直接應用到經(jīng)過表處理的鋰金屬陽極上可以用來抑制鋰枝晶的生長。它具有高鋰離子導電率但是與液體電解質不混溶;

2.采用革命性的液體電解質(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)過程中的體積膨脹問題，并且使得鋰金屬可以通過現(xiàn)有的鋰離子電池基礎設施被規(guī)模化地制造出來。

2017年SolidEnergy從特種航天領域入手推出容量為3Ah的HermesTM電池，質量和體積能量密度分別達到450Wh/kg和1200Wh/L，目前以每月5000個電池的速度量產(chǎn)，并且通過了第三方的檢測。

氧化物電解質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，目前僅能用于消費電子類產(chǎn)品。Sakti3目前也被英國家電巨頭Dyson收購。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較為均衡，離子電導率高于聚合物電解質、電池容量大、可量產(chǎn)，是理想的電解質材料之一。目前QuantumScape正在與大眾合作推進固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。

國內(nèi)固態(tài)電池進展

國內(nèi)固態(tài)電池研發(fā)主要依托于中科院等科研機構，不過近幾年部分企業(yè)開始嘗試進行科研成果的產(chǎn)業(yè)轉化，例如贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所許曉雄團隊合作、中科院物理所與衛(wèi)藍新能源合作等。總體來看，國內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)呈現(xiàn)較為分散的格局，而且國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界(包括整車企業(yè)與電池企業(yè))在固態(tài)電池領域的積累遠不及豐田等國外競爭對手。

中科院青島能源所儲能院崔光磊團隊長期從事復合聚合物固態(tài)電解質研究，目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰電池動力系統(tǒng)，能量密度達300Wh/kg，并且在馬里亞納海溝完成1萬米的高壓環(huán)境下完成深海測試。

中科院寧波材料所許曉雄團隊從事氧化物與硫化物固體電解質研究，已經(jīng)開發(fā)出能量密度達到260Wh/kg的10Ah固態(tài)單體電池。借助寧波材料所的技術，江西贛鋒鋰業(yè)在寧波當?shù)赝顿Y5億元人民幣籌建億瓦時固態(tài)動力鋰電池生產(chǎn)線。第一代固態(tài)鋰電池技術通過中汽研汽車檢驗中心檢驗，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%。