電池技術一直以來都是當下很多消費品進行下一步迭代的關鍵，它直接掐住了產(chǎn)品在續(xù)航以及便攜能力上的脈門，它任何一小步的推進，都是消費產(chǎn)品一大步的提升。

當然其對于汽車而言也是無比關鍵的，在向電氣化轉型的過程中，新能源汽車的動力電池能否得到質(zhì)變提升，將直接影響汽車在下一個十年的發(fā)展節(jié)奏。

此前，豐田官方就曾提到過在所有新形態(tài)的電池技術中，固態(tài)電池是被認為是最接近量產(chǎn)化的產(chǎn)品，其高能量密度、高電壓甚至可彎曲的特性，相比傳統(tǒng)動力電池實現(xiàn)跨步。那時至今日，固態(tài)電池究竟發(fā)展到了什么地步，它距離量產(chǎn)狀態(tài)還有多遠？本文我們將分多個方面和您分享一些信息。

● 固態(tài)電池的技術路線

固態(tài)電池目前擁有很多的技術體系，包括硫化物、氧化物、薄膜以及固態(tài)聚合物。在早期固態(tài)電池技術的推進中，薄膜和固態(tài)聚合物技術是主要的走向，在過去幾年中，博世以及戴森等公司都在不斷加大在這兩項固態(tài)電池技術上的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來實現(xiàn)在電池技術上的追趕。

但薄膜和固態(tài)聚合物技術有“高成本”和“低導電率”兩個致命問題，例如薄膜技術無法在室溫（25°左右）條件下實現(xiàn)高導電率，所以需要不斷的去加熱并維持在60°才能保證擁有高效的導電率。所以在很多早期的固態(tài)電池試產(chǎn)車上，電池因為依賴不斷加熱，造成自我電量損耗，其實本身也無法發(fā)揮出其它的優(yōu)勢。

而豐田一直是專注于硫化物固態(tài)電池技術的開發(fā)，但硫化物本身活性很高，在生產(chǎn)和使用中一旦與水接觸，就會產(chǎn)生硫化氫。硫化氫為易燃?；?，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。

所以硫化物固態(tài)電池技術路線雖然在生產(chǎn)成本上要相比薄膜技術更低一些，但如果保證從制造端到應用端足夠高的安全性是更高的門檻，其實也屬于從另外一個角度增加了開發(fā)成本。

最后一個氧化物技術路線也有自己的缺點，氧化物本身很穩(wěn)定導致“脆性”很高，對生產(chǎn)的要求也就更高，同時導電性也并不具備優(yōu)勢，但從廣義上講，相比于其它三條路線，克服生產(chǎn)難度要比克服成本和安全性要更簡單一些，所以我們這期文章里也是通過采訪了一家目前已經(jīng)接近市場化的固態(tài)電池技術商，來了解陶瓷氧化物固態(tài)電池的一些技術優(yōu)勢和與傳統(tǒng)動力電池的差異。

其是一家專門研發(fā)鋰電池技術的供應商，自2006年創(chuàng)辦后，用了8年的時間攻克了陶瓷氧化物技術，同時固態(tài)電池技術也是目前該公司最核心的研發(fā)項目，該技術全稱為：LCB固態(tài)鋰陶瓷電池，其技術特點是：高能量密度以及高電壓，針對目前純電動汽車的發(fā)展應用，這兩大特性無疑是非常關鍵的。1 動力鋰電池的基本組成

以圓柱形電池為例，如上圖所示，鋰電池的主要結構包括殼體，正極，負極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護裝置以及一些導電密封輔助結構。

殼體，是整只電芯的保護層，對電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護性作用。軟包電池，沒有高強度的殼體，其在小規(guī)模成組以后，也要設計具備一定強度的殼。

直接參與電池電化學過程的是正極、負極和電解液，可以說它們是事故的源頭，也是真正解決安全問題的病根所在。

2 正極、負極和電解液的安全性問題

鋰電池的安全事故，無論是電芯老化或者自身質(zhì)量問題帶來的自內(nèi)而外的過熱，進而導致熱失控，還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控，事故發(fā)生總要經(jīng)歷電芯材料劇烈反應的過程，如果能夠阻斷這個點，則電池可以失效，但永遠不會燃爆。

2.1 電解液

電解液存在兩個方向的問題，自身容易燃燒，又具有與正負極材料發(fā)生反應的傾向。

初中化學告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質(zhì)），助燃物（氧氣）和燃點（達到可燃物的燃燒溫度）。三個條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會發(fā)生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結者。

目前常見的電解液都是有機溶劑質(zhì)地，是極易燃燒的材質(zhì)。而電解液與正極發(fā)生副反應的產(chǎn)物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達到較高溫度，連鎖反應都會給電解液燃燒提供條件。

問題在于，電解液傳輸電荷的能力，對電池的電壓有直接的影響。當前人們對于高電壓，高能量密度的追求，只有有機電解液才能滿足，因而暫時沒有找到更適合的材質(zhì)作為替代。

2.2 正極材料

正極材料的安全性問題主要存在于兩個方面。一個是充電狀態(tài)下，材料結構的穩(wěn)定性，另一個是電池高溫下，正極材料與電解液的反應腐蝕問題。

正極材料的穩(wěn)定性問題，主要出現(xiàn)在過大電流充電過程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會沖垮材料晶格結構，毀壞的部分材料反過來堵住離子通路，增加了離子嵌入難度。這個過程中會有熱量積累，是引發(fā)鋰電池事故的一種常見原因。

正極被電解液腐蝕，放出少量氣體和熱量，這是電池使用過程中老化的一個重要原因。但正極與電解液的劇烈反應，一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段，一般超過200℃，是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應不但放出大量的熱，還會有氣體產(chǎn)生，使得事故的危害可能升級。

2.3 負極材料

負極材料的安全性，主要圍繞其熱穩(wěn)定性進行觀察，其穩(wěn)定程度與下面三個因素有關：電解液中電解質(zhì)的類型，石墨負極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負極使用的粘結劑的種類。

電解質(zhì)類型，石墨負極在首次充電化成中，形成保護膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進一步劇烈反應。但電解液中的LiPF6對SEI膜的分解有促進作用，使得鋰電池在大約60℃的儲存過程中，就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質(zhì)的成分對負極穩(wěn)定性有直接影響。

嵌鋰碳，有研究表明，負極中嵌鋰碳的含量高，會帶來負極與電解液更激烈的反應。嵌鋰碳是在充電過程中形成，電池電量越高，其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響，只能在電量高的階段加強其他安全措施，卻無法避免高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。

負極粘結劑的種類，粘結劑在反應中是否增加系統(tǒng)反應放熱并沒有定論。不同類型的粘結劑，參與反應的形式不同，有的成為嵌鋰碳反應的助劑，有的自身參與反應后失效，加速負極結構走向崩潰。

以上三個方面的影響，發(fā)生的溫度由低到高，SEI膜的溶解，作為破壞式連鎖反應的開端，阻止它發(fā)生意義重大。

● 能量密度是先天優(yōu)勢，那高電壓如何實現(xiàn)？

傳統(tǒng)動力電池由于單體電池內(nèi)部使用液態(tài)電解液，并且承載電壓超過5V后可能會出現(xiàn)易分解甚至爆炸的情況，所以只能實現(xiàn)外部串聯(lián)而無法進行內(nèi)部串聯(lián)。但固態(tài)電池就擁有這樣的先天優(yōu)勢。

固態(tài)鋰陶瓷電池能夠在電池內(nèi)部就首先形成串聯(lián)，使單顆電池芯的額定電壓可從7.4V，最大串聯(lián)疊加至高達60V，在單體電池電壓上就要遠高于傳統(tǒng)動力電池。

在實現(xiàn)內(nèi)部串聯(lián)的高電壓支持后，固態(tài)電池也能夠實現(xiàn)雙極電池技術，這同樣也是傳統(tǒng)動力電池無法實現(xiàn)。當單體電池在堆疊串聯(lián)后加入上下兩層導電材料，實現(xiàn)雙向正負極的連接，然后再次與橫向的另外一個電池包進行串聯(lián)，最高可以實現(xiàn)4×6達到24個單體電池雙向正負極對接的串聯(lián)技術，電壓也將由此再次疊加提高，組成一個完整的單體電池組。

最終6片24個串聯(lián)的電池組疊加后，加入鋁外殼包裝，形成一個單體的固態(tài)電池包（Cell），容量能夠達到20kWh以上，其單個固態(tài)電池組系統(tǒng)能量密度能夠達到255Wh/kg，而2020年這一數(shù)據(jù)會提高到270Wh/kg，這個系統(tǒng)能量密度是什么概念？可以對比一下2018年中國新能源車輛補貼政策。

『目前國內(nèi)電動車動力電池系統(tǒng)能量密度還維持在140wh/kg左右』

理論上，在密度和電壓雙增加的同時，BMS電控系統(tǒng)應該更加復雜才對，但實際上固態(tài)電池在管理系統(tǒng)上也被得到了簡化，這再一次為最終封包整組的電池降低了重量和體積，這也是系統(tǒng)能量密度更高的原因之一。

● 密度和電壓雙增加，散熱如何解決？

在散熱方面，固態(tài)電池也具備先天的優(yōu)勢，整個電池組從滿電到放電結束，電池溫度會維持在26°以內(nèi)，而目前的圓柱形電池整個放電過程結束后，溫度會在40°以上。雖然固態(tài)電池技術目前與圓柱形電池一樣，同樣采用水冷，但因為本身放電溫度可以保持的更低，也讓散熱成為了其另外一大優(yōu)勢。

而基于固態(tài)電池本身放電溫度低的特性，在散熱方式上也能夠進行更多優(yōu)化。例如在電池與電池組中間加入散熱膠，然后熱量會通過散熱膠導向電池包兩側的水流散熱器上，進一步減少水流散熱的體積和重量。

固態(tài)電池技術提供商也表示，這種前沿的電池技術相比于傳統(tǒng)動力電池，密度提升優(yōu)勢是很核心的一方面。在固態(tài)電池本身擁有密度優(yōu)勢的前提下，也仍然要通過其它手段繼續(xù)優(yōu)化整組的密度疊加。所以針對整個電池組內(nèi)，盡可能減少其它線材或者散熱系統(tǒng)的空間及重量占用，讓電池組擁有最大化的整體密度提升。

冷卻系統(tǒng)以及BMS電池控制系統(tǒng)其實目前在圓柱電池組中有不小的空間占用，曾經(jīng)關于這個問題也有人討論過方形電池組是否要比圓柱電池組擁有更好的密度優(yōu)勢，原因就是方形電池組的散熱布局占用更小，當然液態(tài)電池也有同樣的優(yōu)勢。

●固態(tài)電池的壽命和衰減有優(yōu)勢么？

在密度領先的優(yōu)勢下，在壽命和衰減方面是否也有優(yōu)勢呢？固態(tài)電池技術商也表示，其實與傳統(tǒng)動力電池相比，固態(tài)電池其實并不具備明顯的壽命優(yōu)勢，這也是目前技術需要繼續(xù)攻克的方向，因為如果無法提高壽命和衰減能力，僅依靠能量密度優(yōu)勢，目前固態(tài)電池的成本仍然無法支持其大規(guī)模推廣量產(chǎn)。

關于固態(tài)電池優(yōu)化壽命的技術手段上，其將通過更加細小的電壓偵測線材來降低“偵測損耗”和提高“偵測精準度”，帶來的收益就是讓電池的充放電效率更高，相比于傳統(tǒng)動力電池在電壓偵測上的損耗更小，變向提高了電池壽命。關于目前固態(tài)電池具體的壽命和衰減方面，技術商表示其完整充放電1000次后，電池還能保留88%的原始壽命。

● 固態(tài)電池的充電效率有優(yōu)勢么？

固態(tài)電池的充電效率并不比當前的鋰電池高太多，在同能量密度下，固態(tài)電池的充電時間也要在1小時左右，但當前的鋰電池也具備同樣的充電效率。另外在電池壽命方面，固態(tài)電池在完整充放電500次之后還能保持84%的使用壽命，數(shù)據(jù)同樣與當前的電池技術基本相符。但報告中也提到，在固態(tài)電池中電極吸收離子的效率更高，雖然目前的充電效率并不算理想，但仍具備開發(fā)空間。

總結

目前PLG公司的陶瓷固態(tài)電池技術處于小規(guī)模量產(chǎn)狀態(tài)，并且表示已經(jīng)和歐美、日本以及中國車企進行了供應方面的溝通，而基于該電池技術目前歐洲也有了四臺試產(chǎn)車，但官方表示不方便透露具體的汽車品牌。

目前其也正在建立固態(tài)電池Gigafactory工廠，預計將在2020年正式投產(chǎn)，這也是一個固態(tài)電池的量產(chǎn)信號。還有另外一條路線就是向其他電池廠商或者汽車制造商授權“固態(tài)電池技術IP”，作為技術供應商的角色來推動固態(tài)電池的發(fā)展，而這個愿景的時間點會定在2022年。