如果液態(tài)電池做不到的固態(tài)電池也做不到，那么商業(yè)化、甚至取代液態(tài)電池就將變成遙不可及的目標了

編者按：2019年5月11日下午，輝能科技創(chuàng)始人、CEO楊思枏出席主題為“勇氣”的第十一屆中國汽車藍皮書論壇，發(fā)表了題為《固態(tài)電池在電動車市場商業(yè)化可行性與產(chǎn)業(yè)化時程》的主題演講。

他認為，如果液態(tài)電池做不到的固態(tài)電池也做不到，那么商業(yè)化、甚至取代液態(tài)電池就將變成遙不可及的目標了。同時，他對固態(tài)電池的未來充滿信心，“固態(tài)電池的使用壽命要更長、更穩(wěn)定?！?/p>

在技術(shù)層面，氧化物是他最為看好的固態(tài)電解質(zhì)，其在安全性方面要更有優(yōu)勢。“從氧化物安全性上來講，要優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)和其他固態(tài)電解質(zhì)，這一點基本上是毋庸置疑的?！?/p>

以下為楊思枏演講錄音整理，未經(jīng)本人審定，此處有刪減，題目為編者所加。

各位前輩，大家好！今天我們輝能科技很榮幸有機會受主辦方的邀請參與國內(nèi)這么盛大的一個論壇會議。

我想大家都了解，現(xiàn)在在電動車上來講最重要的零部件就是電池、模組、電池包部分，最近幾起安全性方面的問題，也凸顯出液態(tài)電池可能在安全性上會有一些限制，所以我們會針對固態(tài)電池來說明一下。

大家都認為固態(tài)電池是下一個最主要的主流模式，像鋰鐵，后來變成三元，三元可能再變成固態(tài)電池。當然，我們輝能走的比較早一點，所以今天我來跟大家討論一下固態(tài)電池在電動車層面商業(yè)化、產(chǎn)品化的可行性，其有沒有機會成為下一個主流的電池模式。同時，還有幾個主要競爭者在產(chǎn)業(yè)化方面的情況，

固態(tài)電池優(yōu)劣勢明顯，首選氧化物

先說六大需求，在電動車方面，對于電池的需求我們把它分為三個必要條件和三個充要條件。必要條件方面，主要是安全性、能量密度以及低成本。至于說充要條件，客戶肯定都希望有快充、長使用壽命以及比較寬廣的使用溫度等。這些在液態(tài)電池上，原則上并不能完完全全符合現(xiàn)在汽車市場的需求，于是就變成固態(tài)電池的機會，讓其能夠進入到這個市場。

但是有一個問題，液態(tài)電池做不到的固態(tài)電池能做到嗎？固態(tài)電池如果做不到，商業(yè)化、甚至取代液態(tài)電池就變成遙不可及的目標了，所以我們今天來好好討論一下。

討論它的商業(yè)化之前，我們先把幾個主要的固態(tài)電池系統(tǒng)分析一下：

第一個，薄膜電池。薄膜電池從1997年問世到現(xiàn)在，最大的問題點就是它的成本過高，無法成為主流。它采用的是半導體的制程方式，成本過高，所以造成一個必要條件做不到，戴森在2018年放棄了這個技術(shù)，他們對于這個專利基本上也不再做維護了。

接下來，如果從量產(chǎn)的狀況來看，較好的是固態(tài)聚合物，它的量產(chǎn)形式是相對比較好的狀況，成本和制造模式相近于現(xiàn)在的液態(tài)電池，但是最大的問題在于它的導電度。它的導電度，基本上需要加溫才能夠做到60度—80度，而60度—80度代表了一個方面的問題，就是電池包的能量密度，其需要加溫系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)，這使得電池包能量密度會降到110Wh/L—140Wh/L。這個部分和現(xiàn)在的液態(tài)電池相比，后者動輒在200Wh/L—250Wh/L以上。因為這樣的關(guān)系，去年博世基本上也放棄了。

如果要說導電性最好的，就要說硫化物。硫化物現(xiàn)在是所有電池、尤其是電解質(zhì)這個系統(tǒng)上，較液態(tài)電池導電性要更高。硫化物導電性高的特點，促成了固態(tài)電池可以實現(xiàn)的一個比較好狀況。但很可惜它的穩(wěn)定性并不太好，自身和自身之間沒有太大問題，但是自身和其它硬物質(zhì)，包括溶劑、助粘劑，活性材料水氣等之間會產(chǎn)生不良的反應(yīng)。

尤其是從全線制造上面來講，如果有水，要去水才能夠恢復到好的離子導通狀況，這樣卻會產(chǎn)生硫化氫。硫化氫有產(chǎn)毒的可能性，且會燃燒。按照這樣來看，硫化物會比較麻煩。也因為這樣的關(guān)系，如果有水分的狀況下，它就必須要全線都在干燥室內(nèi)，干燥室的條件非常高，這就是一個很大的成本問題。豐田在2019年日本電池展上也提到了，主要的問題就是這個。

再來看氧化物。氧化物的穩(wěn)定性應(yīng)該是所有電解質(zhì)里面最好的，但是有很大的問題，就是它的導電性，它的導電性大概只有硫化物的1/10到1/20。另外一個問題，就是它的界面接觸狀況也不太好，因為氧化物的顆粒比較硬，同時它的物理接觸面積較小，比較容易堆積形成不連續(xù)面，容易破裂，這就會產(chǎn)生短路問題，短路會造成在量產(chǎn)方面良率的大幅度下降。

簡單來看我們比較確定的是，硫化物和氧化物有成為主流的可能性。當然問題相對也比較多，我們簡單的介紹一下。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢，包括電解質(zhì)穩(wěn)定，電解質(zhì)的界面也很穩(wěn)定，極化問題基本上是非常好的一個狀況，濃差極化不存在，等一下會提到快充下的優(yōu)勢。電解質(zhì)和隔膜的散熱系數(shù)較高，會使得整車廠在產(chǎn)品散熱系統(tǒng)方面能更有優(yōu)勢。

談完優(yōu)勢要談一下它的瓶頸，氧化物電解質(zhì)的導電率是較大的問題。液態(tài)電池會在高溫時有揮發(fā)和分解問題，在低溫的時候會有分離的問題，在固態(tài)電解質(zhì)上是看不到這個問題的。氧化物比液態(tài)電解質(zhì)導電率低一點，還是有它的好處的。但是在界面的阻抗方面，不管是硫化物還是氧化物都會有問題，電解質(zhì)跟電解質(zhì)本身之間是存在一些比較大的問題，尤其氧化物，如果說以高溫燒結(jié)，成本太高，如果是低溫壓合又沒有辦法得到較好的離子導通。

從電解質(zhì)和活性材料方面來講，我們會把它分為化學性和物理性，化學性基本上硫化物相對較差，尤其它形成正極的時候，會使得它的離子導通會下降百分之一到千分之一，同時會有污染的問題出現(xiàn)。氧化物化學性較好，但是它的物理性接觸面積就變得較差了，這部分也是它的一個大問題。

極層成膜性，也是固態(tài)電池上面非常大的缺點，尤其是氧化物。剛剛也提到容易產(chǎn)生破裂的問題。還有就是隔層的厚度，隔層是由固態(tài)電解質(zhì)形成的，顆粒越多或者孔洞越多的時候，就會造成它需要更厚的狀況，避免貫通形成。這時候它的隔膜越厚代表能量密度越低，厚膜極化的問題更嚴重。

最后一項，就是隔層和極層本身的阻抗，這部分也是固態(tài)電池不OK的地方。因為隔層和極層的介面并不是一個連續(xù)介面的狀況，所以會造成整個界面阻抗較高。當然大家可以看到，已經(jīng)進行了一些改善，這些改善我們等一下會提到，包括如何進行商業(yè)化。

基于我們之前所改善的狀況，我們來討論固態(tài)電解質(zhì)商業(yè)化的可行性。

第一個問題，剛剛提到了三個必要條件，其中一個是安全性。從氧化物安全性上來講，優(yōu)于液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)，這一點基本上是毋庸置疑的，可以看到不管是電解質(zhì)穩(wěn)定性、界面穩(wěn)定性等均是如此。

第二個問題，硫化物的安全性。很抱歉，我認為我們現(xiàn)在還是沒有辦法確定它是否是安全的。因為硫化氫本身含有毒性、同時可燃，一旦電解質(zhì)的封裝產(chǎn)生問題，不管是穿刺還是其它封裝的狀況下，都可能會使安全性無法保證。

我們來講個基本的證明，您可以看到，下面屬于液態(tài)電池電阻反應(yīng)的重點，原則上會有一、二、三、四，這個是用NCM811做出來的一個測試，你可以發(fā)現(xiàn)基本上對標于現(xiàn)在的NCM811，這個期間就有很大的差距。因為我們的測試基本上做到280攝氏度的烘烤測試，280攝氏度的烘烤測試可以把它分成一、二、三、四的狀況，這些東西都是發(fā)生反應(yīng)或者產(chǎn)熱的一些過程。

我們舉幾個例子，隔膜基本上來講，液態(tài)電池高溫狀況下會有熔融的問題，這個時候會產(chǎn)生更多的能量外泄，促使溫度能夠提升到正極分解的溫度狀況，這是非常重要的一環(huán)。但是我們的固態(tài)電池，即便達到280℃—300攝氏度的狀況，隔層基本上還是有隔層的效果，就使得負極和正極不會直接接觸。那個藍色線就是電壓，所以這樣的狀況下代表它還是能夠維持很好的隔離效果，使得正極和負極不接觸。

另外一個問題，就是正極分解狀況。NCM811和一般的液態(tài)電解液反應(yīng)，大概180攝氏度的時候就會分解。如果是固態(tài)電池，大概在220攝氏度—230攝氏度。通常來講180攝氏度下，正極和液態(tài)電解液反應(yīng)分解產(chǎn)生大量氣體和氧，這個部分trigger point溫度就會形成了，但是固態(tài)電池到220攝氏度—230攝氏度才發(fā)生。

第二個問題，產(chǎn)熱也相對比較小，這使得固態(tài)電池在安全性上相對大很多。可能大家對于液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)安規(guī)檢測不太了解。一般來講，國內(nèi)現(xiàn)行的標準，烘烤高溫測試狀況是130攝氏度為主，固態(tài)電池基本上能通過200攝氏度或者280攝氏度，這個過程安全性上來看，固態(tài)電池的確比現(xiàn)在液態(tài)電池好很多。

這就是由10安培小時到18安培小時在車廠測試的結(jié)論。當然高溫測試不僅僅是高溫，還包含了在60度狀況下做5C、10V穿刺。現(xiàn)在國內(nèi)基本上已經(jīng)不做穿刺測試了，液態(tài)電池現(xiàn)在的標準是，過充的測試大概是1C、1.5倍的最高電壓，就是大概6V左右?，F(xiàn)在高壓要求有更高鎳的材料，現(xiàn)在可能會降到1.1倍、4.5V左右的狀況，可是在固態(tài)電池上可以過5C、10V。

因為一會有能量密度的問題，這是一個最重要的商業(yè)化的依據(jù)，所以我們等下再來談一下這個，我們簡單把其他部分進行下討論。

第一個，固態(tài)電解質(zhì)可以快充嗎？基本上是可行的，等下我們介紹。

我們的架構(gòu)技術(shù)利用的是氧化物，但是我們是用這個方式做的，混成固態(tài)的時候?qū)⒔?0個百分點的液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)，體積、重量更低了點。這個部分有一個非常關(guān)鍵性的改善，使得我們的阻值大幅度下降，從原來的250mΩ降到只剩下15mΩ，這個在2.4安培、2.3安培小時的狀況，比較液態(tài)電池18650，這個是松下的一個電池，在2.8安培左右的時候是在這樣的狀況，基本上完全相同了。

無區(qū)域極化的問題，使得我們的快充是有機會做到和液態(tài)電池相同，甚至是比液態(tài)電池更有優(yōu)勢。不過這里必須提到定電流變成定電壓，這是一個電池上面的專用術(shù)語。如果用這樣的方式充電的話，我們的電池基本上在12分鐘以內(nèi)可以充到77%。比起現(xiàn)在一般液態(tài)電池更快。

但是要說明的是，我們(測試對標)主要采用的是3C的產(chǎn)品，所以它并不是為快充準備的，可能這方面稍微低一點。不過這個至少和現(xiàn)在的液態(tài)電池接近、甚至稍好一點點。好的地方在哪里？主要在溫度，一般來講快充過程當中，電壓溫度上升幅度很高。對于我們的固態(tài)電池，差了將近10度到20度左右的差距，這也一樣會使得電池包的散熱系統(tǒng)能夠做得更簡單。

長使用壽命，基本上分成循環(huán)壽命和日歷壽命兩種。使用壽命最主要的是物理界面和化學界面的穩(wěn)定，長使用壽命、循環(huán)壽命這兩項都包含在內(nèi)。

我們公司，因為改善物理界面，本身就是固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢。所以可到看到，我們大概在千次的放電，1C充放大概可以超過80%，可以到1000次—1200次。如果0.5C充放大概2000次—2500次，基本上滿足了我們現(xiàn)在電動車的需求。同時，我們還有比較特別的地方，比如高溫循環(huán)，高溫循環(huán)的壽命測試我們可以做到0.5C充放、500次，83%，這是一般液態(tài)電池絕對不可能做到的。

另外就是日歷壽命，日歷壽命最重要的一點，如果它的DCIR增加幅度不太一樣的情況下，高串并會使這個電池包充不飽、放不完，這個就會使實際行駛距離大幅度減少。固態(tài)電池的確有這方面的優(yōu)勢，所以你可以看到，我們從60攝氏度、60天的測試狀況來看，DCIR幾乎不增加，這部分代表了后續(xù)固態(tài)電池使用的狀況。使用壽命、日歷壽命會非常穩(wěn)定，而且非常適合高串并的狀況。

高低溫操作和剛才的狀況比較相同，就是界面本身的穩(wěn)定，包括固態(tài)電解質(zhì)的本質(zhì)穩(wěn)定?？梢钥吹剑覀兇蟾旁?5攝氏度的狀況下可以充放，甚至100攝氏度—150攝氏度把電壓降下來，一樣可以做充放電。

另外，因為低溫狀況下，固態(tài)電解質(zhì)本身沒有向分離、析出的問題，所以它可以儲存在負65攝氏度狀況下，在3個月、5個月之后還可以恢復正常使用。同時，在負20攝氏度到負25攝氏度狀況下，和現(xiàn)在的液態(tài)電池差不了多少，最重要的是在負30攝氏度到負40攝氏度的時候，一樣可以在這樣的狀況下進行放電，同時不會產(chǎn)生太嚴重的問題。這部分也幫助了現(xiàn)在我們的電池包能夠進行在低溫狀況正常的放電，這在固態(tài)電池上都得到了比較好的解決。

我們剛才看到，充要的條件基本上我們都能夠有一定的恢復狀況，但是有一個重點，能量密度部分，基本上來講都覺得固態(tài)電解質(zhì)的能量密度比現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)高，其實是對的、也是不對的。

固態(tài)電池成本有望下降

固態(tài)電解質(zhì)本身的密度比液態(tài)電池高，所以理論上，如果你采用的是相同于正極跟負極材料的話，它的能量密度是不可能和現(xiàn)在的液態(tài)電池一樣高的。但是為什么大家覺得它的能量密度還是會更高呢？是因為它采用了更高利用率和更高能量密度的正極、負極材料，但是更危險，因為固態(tài)電池本身能夠提供非常穩(wěn)定的平臺，所以這部分就有辦法改善。

問題來了，會討論到一個所謂的新技術(shù)導入規(guī)模化市場上的悖論問題。大家也提到，它可以采用更高利用率的正極材料和負極材料，但是相對而言這個材料是比較少的，而且單價比較昂貴，這就造成了市場上非常困難的地方，造成所謂的悖論問題。

我們現(xiàn)在有很重要的一環(huán)，其實固態(tài)電池從來都不是單純的電芯材料技術(shù)或者電芯技術(shù)而已，它還包含了雙極電池的電池包的技術(shù)，而這個技術(shù)的成組效率非常高。這個是C公司今年度發(fā)布的新聞，成組效率是73%，比能量是245Wh/kg，假設(shè)它用NCM811，我們也用NCM811，我們得出的是200多瓦時/公斤，但是成組效率大概80%—85%的時候，我們就能達到176Wh/kg—183Wh/kg，接近于現(xiàn)在的液態(tài)電池。當然安全性還要好很多。

但是第二個問題，在體積能量密度狀況上，他的成組效率是53%，我們成組效率是70%—75%，這個時候我們就超過它了。得出的結(jié)論就是說，如果用雙極電池技術(shù)的狀況下，我們的能量密度，就算是采用相同的活性材料也能夠達到和現(xiàn)在(液態(tài)電池包)一樣的水平，唯一的問題點就是只有固態(tài)電解質(zhì)本身的價格。

固態(tài)電池就比液態(tài)電池貴嗎？這是我們的成本分析。假設(shè)我們的產(chǎn)能1GWh時電芯成本1.6倍、電池包成本1.3倍，這個10GWh時電芯成本大概1.3倍，電池包的成本大概是1.05倍。到20GWh的時候，就有機會在電池包的狀況得到98%。

我剛剛少提了一個狀況，雙極電池包它的成本較一般的電池包低，只有7成，因為簡化了串聯(lián)方式，我們的安全性雙極電池就是直接在電芯里面做一個所謂的內(nèi)部串聯(lián)接觸，它會使得這個系統(tǒng)基本上簡化了電池芯數(shù)量，BMS也簡化了，它的冷卻系統(tǒng)也簡化了，所以它的成本基本上會變得更低。因為這樣的關(guān)系，所以在20GWh的狀況下面，固態(tài)電池就有機會做好。按照這樣的概念來看，固態(tài)電池的商業(yè)化基本上是可行的。

這是我們的兩個核心技術(shù)，如果有興趣，我們可以看一下，這個我們剛剛得了美國的愛迪生發(fā)明創(chuàng)新獎的金獎。

最后一部分，是量產(chǎn)時間表的狀況。這里面有提到TOYOTA和日立，原則上大家的基本技術(shù)開發(fā)都需要時間，我們因為比較早做，所以比較快點。根據(jù)TOYOTA的狀況來講，我們覺得有幾項工藝他們還需要做克服，我們已經(jīng)差不多了。

我們現(xiàn)在已經(jīng)有40個百萬瓦時的中試線，在2017年完成卷式生產(chǎn)，接下來我們大概在2020年的時候會開始完成我們1GWh產(chǎn)線的試車，大概在2021年的年初會進行大量量產(chǎn)。我們所推出來的產(chǎn)品都會比TOYOTA稍微快一點，它達到450瓦時/公升，我們能夠達到680瓦時/公升。那剛才說的成組效率基本上大家都相同的時候，我們就會有一定程度的領(lǐng)先。

最后是改善方向，這個就是我們的長項?？梢栽偌訌姷牟糠?，就是把我們隔層厚度再降低，降低我們的隔層厚度和增加我們的能量密度，同時增加我們的放電能力和充電能力，當然這個就是我們現(xiàn)在能量密度的表現(xiàn)。

到2023年的時候會達到100% SiOx，其實我們現(xiàn)在實驗室基本上已經(jīng)做到了400次，我們希望能夠做到800次，這個TOYOTA 2022年能夠做到Target 450瓦時/公升，我們已經(jīng)做到了，這個就是我們的發(fā)展狀況。

最后還是要提到，電池包和電池的目標，國標目標我們電池芯沒有辦法達到，因為我們的能量密度之后比較高的，但是如果加上雙極電池包這個架構(gòu)技術(shù)，我們就能夠達到國標的目標，在2020年能夠達到220Wh/kg，2025年能夠達到300Wh/kg左右。謝謝大家！

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