筆者在前作《電池明日之星——全固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望》中，曾經(jīng)主要基于消費電子產(chǎn)品的視角，全固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了分析介紹。在過去的近兩年中，全固態(tài)電池技術(shù)又有了進(jìn)一步的發(fā)展，而電動汽車-動力電池又是時下大家關(guān)注的熱點。因此本文作為前作的續(xù)篇，將重點從動力電池這一角度切入，分析固態(tài)電池技術(shù)用于動力電池的優(yōu)缺點。

在前作中，筆者曾經(jīng)初步總結(jié)了全固態(tài)電池的優(yōu)點與缺點，在這里再次概括分析如下：

優(yōu)勢之一：輕——能量密度高。能量密度的提升原因首先在于使用的電解液/質(zhì)更少、更薄；然后固態(tài)電解質(zhì)(尤其是以玻璃或陶瓷電解質(zhì)為代表)大多數(shù)擁有較寬的電化學(xué)窗口，因此其可以兼容更多高電壓正極材料(比如高鎳正極，鎳錳尖晶石正極等)；不僅如此，全固態(tài)電池良好的安全性(優(yōu)勢一)、高電壓化還可以讓電池管理系統(tǒng)BMS更為簡化，因此最后裝車的電池系統(tǒng)能量密度可以提高。

而在2016年12月29日，財政部、科技部、工信部、發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》，其中明確規(guī)定了動力電池補(bǔ)貼“增加動力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度要求，不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補(bǔ)貼?！?strong>可見高能量密度已經(jīng)成為動力電池的發(fā)展方向，而在這方面，固態(tài)電池是有很大的發(fā)展空間和潛力的。

傳統(tǒng)電池與全固態(tài)電池電解質(zhì)/液的對比

優(yōu)勢之二：薄——體積小。小體積/高的體積能量密度的電池對于消費電子品的重要性無需多言，而對于動力電池來說，相對緊湊的體積仍然是非常重要的。在傳統(tǒng)鋰離子電池中，隔膜和電解液加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量，而使用全固態(tài)體系，有望將這一部分的占比降低。不僅如此，目前業(yè)內(nèi)幾乎公認(rèn)：負(fù)極如果想要鋰金屬化，使用具有良好力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定特性的固體電解質(zhì)將是有效可行的方案，這可以使電池能量密度與體積密度都得到明顯提升。

此外在這里筆者必須強(qiáng)調(diào)：電池總有正負(fù)極，否則反應(yīng)無法進(jìn)行。從這個意義上說，所謂的“無負(fù)極電池”的叫法是非常錯誤而且可笑的。此外，一切不敢公開自己體積相關(guān)的性能的電池，體積常常很大，實際應(yīng)用中會有很多問題。不報體積參數(shù)的出發(fā)點也很簡單，能量和功率一除以體積，數(shù)據(jù)就很難看了——報喜不報憂而已。

荒謬的“無負(fù)極電池”

優(yōu)勢之三：柔性化的前景。柔性電池對于消費電子產(chǎn)品具有非常重要的意義，但是對于動力電池來說，這并不是主要需要關(guān)注的問題。如果有讀者對此方面的內(nèi)容感興趣，可以參考筆者的文章《柔性電化學(xué)儲能器件研究進(jìn)展》，儲能科學(xué)與技術(shù)，2017，Vol. 6，Issue (1): 52-68。

優(yōu)勢之四：更安全，可靠性更優(yōu)。消費電子產(chǎn)品電池用量很少，但是一個手機(jī)爆炸事件就讓大家議論紛紛。而一臺電動汽車的電池用量是一個手機(jī)的千倍以上，電池使用極量大。相比于消費品電池，動力電池服役環(huán)境更為復(fù)雜，又與人息息相關(guān)，因此其安全一直是重中之重，無論多重視也不為過。目前動力電池發(fā)展有幾個矛盾，比如能量密度提升VS安全性能的保持就是特別典型的一對：三元材料在這方面就是前者有提升，后面讓人有擔(dān)憂的典型；而磷酸鐵鋰安全性不錯，能量密度卻已臨近“天花板”，同樣讓人糾結(jié)。我國近年來的電動汽車方面的政策已經(jīng)逐漸明朗化，要求提升動力電池能量密度，然而在電池高能量密度化，同時要求倍率性能提升背景下，對于電池安全性能的要求只會越來越苛刻。固態(tài)電池有望從根本上解決鋰枝晶生成、電極材料與電解液存在復(fù)雜反應(yīng)等一系列問題，這樣可以明顯提升電池服役壽命和使用過程中的可靠性，因此十分重要。

鋰枝晶生成，產(chǎn)生內(nèi)短路，是電池失效的重要原因

說完優(yōu)點，再說缺點。

問題之一：快充不現(xiàn)實。筆者在這里想做一下修正——其實用“比較難”來描述固態(tài)電池快充更為貼切。相比于液態(tài)電解質(zhì)(電導(dǎo)率大多位于10-2S/cm~10-3S/cm)，固態(tài)電解質(zhì)的性能則要分散的多，從消費電子產(chǎn)品用的最多的濺射工藝制備的LiPON薄膜(10-5~-6S/cm)到與液態(tài)電解質(zhì)性能可以媲美的硫系材料都有，而目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基電解質(zhì)的固態(tài)動力電池(已經(jīng)商用)，其工作溫度要求要在60~80℃，原因為何？很簡單，電解質(zhì)室溫下離子導(dǎo)電性能不佳，只好提高溫度使用。不僅如此，對于電池來說，加熱需要的能量也只來自于自己的儲能，因此這會影響續(xù)航里程(冬天不敢開空調(diào)取暖是現(xiàn)在電動汽車使用的一個非常實際的問題)。綜合以上不難看出，固態(tài)電池有倍率性能很低的LiPON系列電池(實際上氧化物體系的電解質(zhì)普遍倍率性能不佳)，也可以基于硫系高性能電解質(zhì)做出倍率性能還不錯的固態(tài)鋰硫電池，但是總體來說，作為動力電源使用，固態(tài)電池在倍率性能方面還是有很多挑戰(zhàn)的。

典型電解質(zhì)的電導(dǎo)率-溫度變化曲線

問題之二：與快充緊密相關(guān)的下一個問題：界面。對于傳統(tǒng)鋰電池來說，電解液與電極材料之間的界面會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，而在此處是固-液界面，傳質(zhì)等過程總體來說比較順暢。然而到了全固態(tài)電池，這個問題就變的比較麻煩了。全固態(tài)電池在此處的界面是固-固狀態(tài)，這里就涉及到了幾個核心的材料學(xué)問題：界面的潤濕、結(jié)合、熱膨脹匹配，而且這些不只是單純的科學(xué)層面上的挑戰(zhàn)——如果固態(tài)電池最后要用到汽車上，必須要解決從實驗室到工程應(yīng)用中的一系列問題。比如——

1)硫系電解質(zhì)懼怕水氣，如果電池出現(xiàn)意外沾了水怎么辦？

2)很多電解質(zhì)與鋰金屬并沒有良好的潤濕性，生成的界面接觸不良，帶來了很大的接觸電阻——你電解質(zhì)電導(dǎo)倒是夠高，界面電阻超級大，木桶短板出現(xiàn)在這里，因此快充仍然受到了影響需要解決。

3)還有電解質(zhì)對鋰負(fù)極以及正極材料存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象，必須要進(jìn)行改性或者界面優(yōu)化，才能穩(wěn)定使用

4)……

因此，還有好多問題需要解決，總體來說，對于全固態(tài)電池的研發(fā)來說，核心一在于電解質(zhì)材料本身，二在于界面性能的調(diào)控與優(yōu)化。

通過沉積工藝改善固態(tài)電解質(zhì)與鋰的界面接觸

問題之三：成本依然偏高，制備工藝不夠成熟，電池服役數(shù)據(jù)收集不全面。全固態(tài)電池是未來的重要發(fā)展方向已經(jīng)是業(yè)內(nèi)的共識，但是其技術(shù)離成熟還比較遠(yuǎn)，各家企業(yè)都在努力探索合適的制備技術(shù)。其實不難發(fā)現(xiàn)，全固態(tài)電池的電解質(zhì)制造，固-固界面優(yōu)化兩個核心問題就足夠讓電池的制備技術(shù)與傳統(tǒng)鋰電池產(chǎn)生較大的差別。該領(lǐng)域技術(shù)仍不成熟，設(shè)備僅還處于探索階段，目前只能小規(guī)模試制的固態(tài)電池，所以固態(tài)電池想要大規(guī)模使用(在電動汽車上)，在綜合成本、制備工藝、規(guī)模效應(yīng)降低成本方面還有很多的路要走——但是換一個角度考慮，也說明了有很多的機(jī)會，可能是一個動力電池行業(yè)的增長點和重要突破口。因此目前已經(jīng)有相當(dāng)多的國內(nèi)外的工業(yè)巨頭公司、START-UPS正在積極從事這方面技術(shù)的開發(fā)。

全球全固態(tài)電池企業(yè)研發(fā)的分布圖 (http://m.22xuexi.com/46544.html)

發(fā)展方向與前景

在文章《固態(tài)鋰電池研發(fā)愿景與策略》中，中科院物理所李泓老師和中科院寧波材料所許曉雄老師指出了固態(tài)電池的發(fā)展路線圖。概括一下，從液態(tài)電解質(zhì)到全固態(tài)電池的發(fā)展是要經(jīng)歷一個過程的：電解質(zhì)中的電解液含量將逐步下降，從開始的凝膠電解質(zhì)(如PEO)體系逐漸向半固態(tài)發(fā)展，最終過渡到真正的全固態(tài)電池。而在這一過程中，使用的負(fù)極材料也將不斷深化，預(yù)鋰化負(fù)極，乃至無數(shù)科學(xué)家們已經(jīng)探索多年的鋰金屬負(fù)極將成為我們的最終目標(biāo)。在此過程中，電池的能量密度才能最終達(dá)到350，乃至500Wh/kg的愿景。

從液態(tài)鋰離子到全固態(tài)金屬鋰電池逐步發(fā)展路線圖

A roadmap from tranditional lithium ion batteries to solid-state lithium batteries

實際上，做出幾塊原型電池還好，量產(chǎn)的電池想要達(dá)到350Wh/kg并不容易。四部委最近剛剛印發(fā)的《促進(jìn)動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》中，明確2020年，鋰離子動力電池單體要達(dá)到300Wh/kg，這對于動力電池來說絕非易事，而固態(tài)電池技術(shù)很可能是為數(shù)不多的有希望的解決方案。在此，我們也呼吁社會各界有識之士，共同參與、支持固態(tài)動力電池事業(yè)的發(fā)展，為中國制造的升級貢獻(xiàn)自己的一份正能量，協(xié)助民族工業(yè)更好的騰飛。

致謝

感謝中科院寧波材料所許曉雄老師對本文提出的修改意見。

參考文獻(xiàn)：

CATL研究院梁成都：全固態(tài)動力電池的商品化還需要3-5年

寧德時代柳娜：EV用固態(tài)鋰電池研發(fā)進(jìn)展及挑戰(zhàn)

固態(tài)鋰金屬電池或為下一代動力電池方向 寧德時代已投入研發(fā)

寶馬豐田們都在研究全固態(tài)鋰離子電池，它的發(fā)展現(xiàn)狀和商業(yè)化前景如何？

https://chargedevs.com/newswire/bollores-electric-bluecar-with-novel-solid-state-batteries-coming-to-london/

全固態(tài)鋰電池界面的研究進(jìn)展，儲能科學(xué)與技術(shù)，2016，5(5)

固態(tài)鋰電池研發(fā)愿景與策略，儲能科學(xué)與技術(shù)，2016，5(5)

Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries，NATURE MATERIALS，DOI: 10.1038/NMAT4821

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