動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的心臟，動(dòng)力電池性能對(duì)整車(chē)性能起著決定性的作用。在當(dāng)前鋰離子電池體系下，依靠高鎳三元正極、硅碳負(fù)極和電解液的組合將在3-5年內(nèi)達(dá)到性能極限（能量密度上限350Wh/Kg），但仍無(wú)法徹底滿足動(dòng)力電池對(duì)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(lái)受到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文將對(duì)固態(tài)電池的原理、優(yōu)點(diǎn)、研發(fā)現(xiàn)狀、前景等方面進(jìn)行系統(tǒng)梳理，揭示重視固態(tài)電池的必要性。

固態(tài)鋰電池即電解質(zhì)采用固態(tài)材料的鋰二次電池。它與傳統(tǒng)鋰離子電池的區(qū)別在于以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。

固態(tài)鋰電池具有兩方面潛在優(yōu)勢(shì)。

一、安全性高。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池，在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱，有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。而全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}；

二、能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)無(wú)需隔膜與電解液，可以節(jié)約近40%的體積和25%的質(zhì)量。如果配套新的正負(fù)極材料（鋰金屬負(fù)極）可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上，有望將能量密度提高至500Wh/Kg。

當(dāng)前新能源汽車(chē)行業(yè)主管部門(mén)對(duì)動(dòng)力電池性能提出了非常高的要求。根據(jù)《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》的指引，動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度需要在2025-2030年達(dá)到350Wh/Kg（對(duì)應(yīng)單體能量密度500Wh/Kg）以滿足普通電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程要求。因此，固態(tài)電池也被廣泛認(rèn)為是下一代動(dòng)力電池技術(shù)。

過(guò)去十年內(nèi)固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量增長(zhǎng)超過(guò)10倍，固態(tài)電池正逐漸受到業(yè)界重視。尤其是整車(chē)企業(yè)，開(kāi)始通過(guò)內(nèi)部研發(fā)、投資入股初創(chuàng)企業(yè)或合作研發(fā)等多種形式加快布局整合。

其中處于固態(tài)電池研發(fā)前沿的主要有兩家代表企業(yè)——汽車(chē)巨頭豐田和初創(chuàng)企業(yè)Solid Energy。這兩家公司的固態(tài)電池產(chǎn)品能量密度已經(jīng)顯著優(yōu)于當(dāng)前的鋰離子電池，并已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品或明確的量產(chǎn)計(jì)劃。

豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有大量專(zhuān)利（252件，占比13%，全球第一），同時(shí)計(jì)劃在2030年前向電池領(lǐng)域投入研發(fā)資金130億美元。目前豐田基于硫化物電解質(zhì)、石墨類(lèi)負(fù)極的鋰離子電池路線推進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品能量密度達(dá)到400Wh/Kg，預(yù)計(jì)2022年推出搭載全固態(tài)電池的電動(dòng)車(chē)型，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

SolidEnergy由麻省理工學(xué)院的技術(shù)人員創(chuàng)辦，目前獲得了通用汽車(chē)、上汽、淡馬錫等機(jī)構(gòu)的投資。與豐田不同，Solid Energy目前基于半固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極組合的路線，其產(chǎn)品為鋰金屬電池而非鋰離子電池。

采用鋰金屬負(fù)極理論上可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，但如果組合液態(tài)電解質(zhì)容易導(dǎo)致鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致短路引發(fā)安全問(wèn)題，組合全固態(tài)電解質(zhì)則不易實(shí)現(xiàn)較高的離子導(dǎo)電率。

Solid Energy采用折中的半固態(tài)電解質(zhì)路線，2017年從航空航天領(lǐng)域入手推出容量為3Ah的Hermes™電池，質(zhì)量和體積能量密度分別達(dá)到450Wh/Kg和1200Wh/L，目前以每月5000個(gè)電池的速度量產(chǎn)，并且通過(guò)了第三方的檢測(cè)。其面向電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的Apollo™電池預(yù)計(jì)將于2020年推出。

中國(guó)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)目前與韓國(guó)、美國(guó)同處于第二梯隊(duì)（日本為第一梯隊(duì)），而且主要以中科院和高校等科研機(jī)構(gòu)為主。國(guó)內(nèi)目前有三個(gè)團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)較為領(lǐng)先。

中科院青島能源所儲(chǔ)能院崔光磊團(tuán)隊(duì)目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)，能量密度達(dá)300Wh/Kg，并且應(yīng)用于在馬里亞納海溝完成1萬(wàn)米的深海高壓環(huán)境。中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能量密度達(dá)到260Wh/Kg的10Ah固態(tài)單體電池，目前與贛鋒鋰業(yè)合作推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

中科院物理所李泓團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出能量密度達(dá)310-390Wh/Kg的10Ah軟包電芯，目前正與衛(wèi)藍(lán)新能源合作建設(shè)中試線。

不過(guò)也并非所有車(chē)企都在發(fā)力固態(tài)電池。作為電動(dòng)汽車(chē)先驅(qū)，特斯拉目前還沒(méi)有在固態(tài)電池方面擁有一件專(zhuān)利，特斯拉在電池領(lǐng)域擁有的244件專(zhuān)利主要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域，而在材料方面專(zhuān)利較少。

特斯拉選擇的技術(shù)路線是以NCA為正極材料、硅碳負(fù)極、電解液為組合，通過(guò)大規(guī)模量產(chǎn)來(lái)把成本降低至$100/KWh，未來(lái)通過(guò)改良正極材料（如富鋰錳基等）進(jìn)一步達(dá)到350-400Wh/Kg的能量密度。對(duì)于固態(tài)電池技術(shù)，特斯拉CEO馬斯克認(rèn)為“有一定前景”，但是距離技術(shù)成熟還需要時(shí)間，目前也不足以“改變特斯拉的戰(zhàn)略”。

綜合來(lái)看，固態(tài)電池具備成為下一代動(dòng)力電池技術(shù)的潛力，但是目前還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品能夠在能量密度、安全性和循環(huán)壽命三方面同時(shí)顯著優(yōu)于當(dāng)前的鋰離子電池。

根據(jù)豐田等前沿企業(yè)的研發(fā)情況和計(jì)劃，我們預(yù)計(jì)固態(tài)電池技術(shù)真正成熟可能需要等到2025年前后，真正具備量產(chǎn)能力可能需要等到2030年前后。

1 固態(tài)電池：下一代動(dòng)力電池技術(shù)

1.1 固態(tài)電池的特點(diǎn)

固態(tài)鋰電池指電池電解質(zhì)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(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。

安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對(duì)動(dòng)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(shù)。

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)一：安全性高，無(wú)自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池，在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱，有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電池仍存在一定的可燃風(fēng)險(xiǎn)，但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)二：能量密度高，有望徹底解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍探箲]。目前技術(shù)體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限，特斯拉NCA 18650電芯能量密度達(dá)到250Wh/Kg，應(yīng)用于Model 3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(wú)法徹底解決里程焦慮。

而對(duì)于固態(tài)電池而言，一方面固態(tài)電解質(zhì)無(wú)需隔膜與電解液，這兩部分在傳統(tǒng)鋰離子電池中加起來(lái)占據(jù)近40%的體積和25%的質(zhì)量，另一方面由于沒(méi)有漏液、腐蝕等問(wèn)題，可以簡(jiǎn)化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊，進(jìn)一步減輕電池系統(tǒng)重量。

此外，配套新的正負(fù)極材料可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上，可以從根本上提高能量密度，有望達(dá)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(zhǎng)、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。

按照電解質(zhì)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(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物和硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)。

總體來(lái)說(shuō)，聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟，已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但是理論能量密度不及其他兩類(lèi)電解質(zhì)；

氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì)，但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子領(lǐng)域，非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對(duì)還不夠成熟；

硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，但是開(kāi)發(fā)難度最大。

按照正負(fù)極材料的不同，固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池（沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等）和固態(tài)鋰金屬電池（以金屬鋰為負(fù)極）。

由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)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(shù)，大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。

1.2 固態(tài)電池能夠滿足2030年新能源汽車(chē)技術(shù)政策目標(biāo)

近年來(lái)，新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策經(jīng)歷多次調(diào)整，且將于2020年后完全退出。

從政策歷次調(diào)整的導(dǎo)向來(lái)看，對(duì)高續(xù)航里程、高能量密度技術(shù)路線的支持力度沒(méi)有減弱甚至有所加大。

補(bǔ)貼政策完全退出后，雙積分制度仍可能通過(guò)對(duì)不同能量密度、不同續(xù)航里程設(shè)置差別化的積分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)技術(shù)升級(jí)的導(dǎo)向作用。

此外，當(dāng)前行業(yè)主管部門(mén)對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)提出了非常高的目標(biāo)。2017年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，其中“新能源汽車(chē)研發(fā)與推廣應(yīng)用工程”專(zhuān)欄要求：到2020年，動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤以上、力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)350瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260瓦時(shí)/公斤；到2025年，動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350瓦時(shí)/公斤。

受工信部、國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)委托，由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)研究編制的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》則要求：2020/2025/2030年單體比能量分別達(dá)到350/400/500瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)比能量分別達(dá)到250/280/350瓦時(shí)/公斤。

中科院院士、國(guó)家“863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車(chē)重大項(xiàng)目總體專(zhuān)家組組長(zhǎng)歐陽(yáng)明高教授指出，2020年的目標(biāo)可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負(fù)極材料的組合實(shí)現(xiàn)，2025年的目標(biāo)可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)，但基本到達(dá)極限。而要實(shí)現(xiàn)2030年目標(biāo)，固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。