不論是新能源車或儲能設備，最重要的關鍵零部件之一就是電池，這幾年電池行業的一項挑戰就是拉高能量密度、追求更安全的方式，不論是嘗試新的正極、負極材料；或是提高鎳錳鈷（NMC）三元電池鎳的比重；也有人致力于研發不同于傳統鋰電池的技術，像是使用氫燃料電池的氫能源車。而固態電池（Solid-State Battery）就是被視為是下世代的電池技術。

 

       什么是固態電池

 

       全固態電池到底是一種什么樣的技術？

 

       如果通俗地講，全固態電池就是里面沒有氣體、沒有液體，所有材料都以固態形式存在的電池。

 

       而考慮到現在人們日常生活中最為常見的電池為鋰離子電池，我們在這里將默認把“全固態鋰離子電池”當做全固態電池的代表（暫時忽略全固態鋰硫等新型電池）。

 

       一般來說，鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結構殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內部以離子形式傳導。

 

       電解液技術是鋰電池的核心技術之一，也是現在電池工業中利潤很高的一個組成部分。

鋰離子電池的結構示意圖

 

       其中Li+（鋰離子）在內電路中，通過電解質（electrolyte）傳導

 

       但是鋰電池用久后有的會鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至會發生危險（比如近來的扭扭車的電池爆炸事件，導致了相關的生產企業和電池企業遇到了全面的困難）。

 

       另外一般來說，現在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40度以上的高溫下壽命會急劇縮短，安全性能會也出現很大的問題（所以特斯拉Model S會有一套嚴格的電池溫控系統，就是為此）。

 

       實際上，以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現在電池用的有機體系的電解液直接相關的。

 

       而為了解決電池安全問題，提高能量密度，目前科研界和工業界都在研發以及生產全固態電池，也就是把傳統的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態的電解質材料。

 

       那么說來說去，相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池，全固態電池的優點主要有哪些呢？ 

 

       固態電池的優勢

 

       優勢之一：薄--體積小

 

       實際上，體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數，如果就應用領域來說，要求從高到低是消費電子產品》家用電動汽車》電動公交車。

 

       如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質量的電池才能做的體積更小。

 

       電子產品中的可用空間往往很有限，很多產品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據，而且在廣大生產廠商和消費者希望對電池進一步提高容量（增加續航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設計）的要求下，高壓實、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當仁不讓的主流產品。

 

       傳統鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。

 

       而如果把它們用固態電解質取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（傳統上由隔膜電解液填充，現在由固態電解質填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低 --因此全固態電池技術是電池小型化，薄膜化的必經之路。

 

       不僅如此，很多經過物理/化學氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態電池，其整體厚度可能只有幾十個微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機電系統）領域中。

 

       能夠制成體積非常小的電池也是全固態電池技術的一大特色，這可以方便電池適應各種新型小尺寸智能電子設備的應用，而在這一點上傳統的鋰離子電池的技術是很難達到的。

（現在鋰離子電池各組分的（a）體積占比和（b）質量占比）

 

       目前許多納米材料實用的一大關鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過低，導致如果基于這些材料制成產品，往往相同質量下占據體積過大，即體積能量密度偏低，完全無法滿足一般工業品的要求。

 

       所以現在的納米（電池）材料科研中往往選擇了不報道這方面的參數，原因不難理解。

 

       優勢之二：柔性化的前景

 

       全固態電池可以經過進一步的優化，變成柔性電池，從而帶來更多的功能和體驗。

 

       實際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后經常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。

 

       相應的，全固態電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高，通過使用適當的封裝材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

 

       實際上，以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子產品發展的重要方向，而這就要求該產品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態電池是科研與工業界中，非常有前景的明日之星。

（韓國KAIST制備的典型疊層結構的柔性全固態電池）

 

       不僅如此，功能化的全固態電池潛力遠不只以上的柔性電池，經過電池材料結構優化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發電-存儲一體化器件等等--全固態電池所意味的功能上的創新應用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。

（拉伸變形度可達300%全固態電池的結構示意圖）

（太陽能電池和超級電容器一體集成纖維狀器件示意圖）

 

       優勢之三：更安全

 

       作為一種能量存儲器件，實際上所有電池在熱力學實質上都不可能是絕對安全的。

 

       但是電池實際應用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質，以及電子產品中的電池管理系統等。

 

       目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關心的重點，在這里用“不夠理想”來評價現在電池的安全性，應該是一個比較合適的評價。

 

       優勢之四：輕--能量密度高

 

       使用了全固態電解質后，鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。

 

       此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態電解質后該問題可以得到一定的緩解。

 

       綜合考慮到以上兩大因素，全固態電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個較大幅度的提升：現在許多實驗室中，都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。

 

       從能量密度的數據上看，或許全固態電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

 

       固態電池的技術路線

 

       固態電池領域有不同的技術路線，固體電解質可大致分為三類：無機電解質、固態聚合物電解質（SPE，Solid Polymer Electrolyte）、復合電解質。目前較多業者投入研究的材料包括固態聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（Thin Film）等。像是戴森、蘋果各自收購的固態電池廠 Sakti3 和 Infinite Power Solutions，皆以薄膜為主，但制程復雜，量產難度高，先前市場傳出戴森、蘋果有意放棄，故現階段發展狀況不太明朗，而豐田、松下（Panasonic）、三星、寶馬、寧德時代投入硫化物電解質，輝能、索尼則是聚焦在氧化物。

 

       蘋果從2012年就開始積極布局固態電池及充電技術的專利，2013年收購了 Infinite Power Solutions。近兩三年汽車廠布局固態電池的消息大幅浮上臺面，像是豐田對外宣示將在2022年對外銷售搭載固態電池的電動車。另外，大眾汽車（Volkswagen）投資了由《麻省理工科技評論》 TR35 青年創業家 Jagdeep Singh 參與創立的固態電池初創公司 QuantumScape，去年6月加碼投資，并取得 QuantumScape 一席董事，預計在2025年建立固態鋰電池產線。

 

       而過去的電池大國日本，陸續舍棄掉鋰電池后，已經將研究重點轉向固態電池，日本科學技術振興機構（JST）、日本新能源產業技術開發機構（NEDO）都積極推動，這些動態讓外界開始關注這項技術。

投入固態電池的玩家（圖片來源：Yole Développement）

 

       市場關注的固態電池公司一覽

       固態電池的技術瓶頸

 

       目前，包括韓國三星、日本豐田和我國寧德時代在內的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態電池研發投入，已有部分電池進入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術和工藝上的種種問題，發展固態電池的道路絕非一帆風順。

 

       首先，高效的電解質材料體系缺乏。目前固態電池材料發展很快，但綜合應用較為欠缺。

 

       作為固態電池的核心材料，目前在固體鋰離子導體的單一指標上已有所突破，但綜合性能尚不能滿足大規模儲能需求。現今固態電池采用的固態電解質普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統的要求仍有不小的差距。

 

       1、固態電解質和電極的界面處理也是固態電池目前面臨的一大難題。

 

       在固體電解質中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質體積的變化容易破壞界面的穩定。 

 

       2、在固態鋰電池中，除了電解質和電極之間的界面，電極內部還存在復雜的多級界面，電化學以及形變等因素都會導致接觸失效影響電池性能。

 

       再次，長期使用時穩定性不理想也是長壽命儲能固態電池發展的瓶頸。固態電池在服役過程中結構與界面會隨時間發生退化，但退化對電池綜合性能的影響機制尚不明確，難以實現長效應用。 

 

       所以，構建高性能固態電池需要從兩方面入手，一是構建高性能的固態電解質，二是提高界面的相容性和穩定性。

 

       從某種意義上講，汽車的演變歷史就是電池的進化過程。若論起源，電動汽車也已經有了180多年的歷史，出現時間與燃油車不相上下。可鉛酸電池、鎳氫電池均未使電動汽車的地位有所突破。直至磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池的升級才使得部分消費者逐步接受電動汽車。

 

       若固態電池商用化，電動汽車將加速取代內燃機車的步伐。誰率先掌握這項技術，也將在未來競爭格局中握有更大的話語權。