固態(tài)電池，未來看你?

李爾欣

其實(shí)，如今汽車圈正努力研發(fā)的固態(tài)電池，無論是使用固態(tài)聚合物電解質(zhì)的成熟產(chǎn)品，還是采用氧化物或硫化物固態(tài)電解質(zhì)的試制品，以及應(yīng)用固體電解質(zhì)與金屬鋰負(fù)極的實(shí)驗(yàn)品，全都屬于鋰電池。所以，在汽車領(lǐng)域，固態(tài)電池并不會(huì)取代鋰電池，但它可能作為新型鋰電池繼續(xù)為電動(dòng)車提供能量。

固態(tài)電池因何火熱？

業(yè)界之所以加速推進(jìn)固態(tài)動(dòng)力鋰電池的產(chǎn)業(yè)化，是因?yàn)槭褂靡簯B(tài)電解質(zhì)鋰離子電池即將變成發(fā)展電動(dòng)車事業(yè)的絆腳石。一方面，這些液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池普遍存在電解液氧化、電極膨脹、高溫失控等安全隱患，以至于不得不犧牲能量密度以換取相對(duì)較長(zhǎng)穩(wěn)定工作期限。這就導(dǎo)致目前大多數(shù)以石墨為負(fù)極材料的液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池的能量/重量比最多只能達(dá)到280Wh/kg左右。雖然可以通過換用硅基合金制成的負(fù)極，使能量密度的上限提升至350Wh/kg左右，但這會(huì)極大影響到電池的安全性。

可與此同時(shí)，包括中國在內(nèi)的多個(gè)國家都已經(jīng)給動(dòng)力電池定下中長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo)。比如我國就在《中國制造2025》中明確規(guī)定：2020年，電池能量密度要達(dá)到300Wh/kg;2025年，電池能量密度達(dá)到400Wh/kg;2030年，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。如此高的目標(biāo)，明顯已超出液態(tài)鋰離子電池的極限，是故最理想的解決方案自然是改用能量密度起碼比液態(tài)鋰離子電池高2倍的全固態(tài)鋰金屬電池。

技術(shù)有待突破

問題在于，使用固態(tài)電池雖可獲得更高的安全性和能量密度，甚至能夠制造出固態(tài)柔性薄膜電池，進(jìn)而極大地拓展電池的應(yīng)用領(lǐng)域。但若要用于量產(chǎn)電動(dòng)車，現(xiàn)有的固態(tài)鋰電池卻有幾大短板亟待解決。

使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，較易在特定條件下發(fā)生鼓包等安全問題。

首先，固態(tài)電解質(zhì)在室溫下的離子導(dǎo)電率并沒有比液態(tài)電解質(zhì)好多少，以固態(tài)聚合物電解質(zhì)為例，其工作溫度高達(dá)60～80℃，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，這類固態(tài)電池不僅在常溫下難以實(shí)現(xiàn)陜速充電，更需要在啟動(dòng)汽車前先消耗本身的儲(chǔ)能為自己預(yù)熱。這意味著，相比使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，固態(tài)電池在續(xù)航與充電性能上未必具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì);也就是說，這會(huì)兒電動(dòng)車大可不必?fù)Q裝固態(tài)電池。

其次，由于電解質(zhì)與電極同為固態(tài)物質(zhì)或者固體，所以不能很好的兼容，以至于二者之間的界面阻抗也很大，而這又會(huì)影響到快充的效果。同時(shí)，接觸不良的界面還會(huì)破壞電解質(zhì)與電極之間的穩(wěn)定關(guān)系，進(jìn)而埋下安全隱患。

此外，真實(shí)環(huán)境中的未知因素，又會(huì)引發(fā)實(shí)驗(yàn)室里難以預(yù)料的問題。而這些都還只是尚未完善之固態(tài)電池自身的不足之處。若想進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)固態(tài)動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化，那生產(chǎn)商還得解決現(xiàn)階段固態(tài)電池成本偏高、生產(chǎn)工藝不成熟等問題。順便一提，為使固態(tài)電池里的固體電極與固體電解質(zhì)穩(wěn)定地結(jié)合在一起，工程師還需重新試驗(yàn)多種材料，方能找到屬性最匹配的組合。因此并不能照搬液態(tài)鋰離子電池的制造經(jīng)驗(yàn)。

所以，盡管很早以前，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的法拉第就已經(jīng)知道可以用硫化銀來當(dāng)固體電解質(zhì)，但有關(guān)固態(tài)電池的研發(fā)仍要等到20世紀(jì)50年代才算真正起步，而固態(tài)鋰離子電池更遲至2013年才出現(xiàn)，至于用于電動(dòng)車的固態(tài)動(dòng)力電池，目前最多也只到小批量試產(chǎn)階段，大多數(shù)都尚未走出實(shí)驗(yàn)室。

誰占橋頭堡？

誠然，已有不止一家汽車行業(yè)的相關(guān)制造商宣稱會(huì)在2020年至2030年之間，推出可用于量產(chǎn)車的固態(tài)鋰離子電池，甚至全固態(tài)鋰電池，但事實(shí)上，電池行業(yè)內(nèi)部對(duì)此卻是持保留意見的，更有人直言：“單純的氧化物基固態(tài)電池眼下還處于非常早期的研究階段。”不僅如此，汽車廠商也沒有完全把寶押在固態(tài)電池身上，仍在進(jìn)化、完善的燃料電池便是最好的證據(jù)。只不過從目前來看，固態(tài)電池成為下一代主流動(dòng)力電池的可能性極大，站在戰(zhàn)略布局的角度，從科研單位到相關(guān)制造商乃至供應(yīng)商，都必須盡早入局，以便將來在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，能掌握話語權(quán)和生產(chǎn)資源。僅此而已。

01.圖為使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，在Cathode陰極與Anode陽極之間設(shè)有Seoarator隔膜。順便一提，在電池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的陽極是負(fù)極，放電時(shí)電子由負(fù)極流向正極。

02.全固態(tài)電池的陽極、陰極和電解質(zhì)均為固體。而此類電池通常是陽極為金屬鋰或其合金物的全固態(tài)鋰金屬電池。如果電解質(zhì)換成固態(tài)聚合物，此時(shí)便成固態(tài)聚合物鋰金屬電池;要是采用固態(tài)電解質(zhì)，并用鋰合金金屬氧化物作陰極，而以石墨等其他材料作陽極，則是固態(tài)鋰離子電池。

03.在固態(tài)電池之外，業(yè)界并未放棄燃料電池等其他動(dòng)力電池，隨時(shí)可根據(jù)市場(chǎng)變化調(diào)整產(chǎn)品布局。圖為豐田Mirai搭載的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。

有全液態(tài)電池嗎？

有固態(tài)電池，當(dāng)然就有液態(tài)電池。與目前使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池不同，真正的液態(tài)電池連電極都是液態(tài)的。相比固態(tài)電池，液態(tài)電池可以在更小的體積內(nèi)儲(chǔ)藏更多的能量，并且只需更換電芯溶液就能補(bǔ)充電能，而不必花費(fèi)漫長(zhǎng)的時(shí)間坐等充電完成。另外，由于使用活性金屬作電極，所以就算接入傳統(tǒng)的電網(wǎng)，液態(tài)電池也能實(shí)現(xiàn)陜速充放電，并可循環(huán)使用14000次左右。

事實(shí)上，業(yè)界更傾向于將液態(tài)電池用于電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)。不過，現(xiàn)在的液態(tài)電池仍未成熟到可以投入商業(yè)應(yīng)用的程度，其電極材料可能有毒，而工作溫度則會(huì)高達(dá)500℃，大多數(shù)系統(tǒng)目前仍停留在演示階段。

液態(tài)電池可循環(huán)使用14000次左右

研發(fā)固態(tài)電池的先鋒們

豐田早在2010年便已開始探索新一代電池技術(shù)，其中包括固態(tài)電池。此后，豐田于2014年拿出體積能量密度達(dá)到400Wh/L的實(shí)驗(yàn)原型制品，并宣稱可在2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。而到2017年，豐田更與長(zhǎng)期合作的動(dòng)力電池供應(yīng)商松下達(dá)成協(xié)議，共同開發(fā)方形固態(tài)電池，以確保能在2025年將固態(tài)電池實(shí)用化。

在技術(shù)上，豐田主導(dǎo)的固態(tài)電池采用硫化物為電解質(zhì)，此舉可獲得與液態(tài)電解質(zhì)相近的離子導(dǎo)電率，并且易于加工，但在正極一側(cè)的界面電阻會(huì)增加，同時(shí)硫化物還易氧化，需通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝和電解質(zhì)配方來改善實(shí)際效果。

想要分食固態(tài)動(dòng)力電池市場(chǎng)的，不止汽車制造商或汽車供應(yīng)商，更有來自其他行業(yè)的廠商。比如業(yè)務(wù)涉及多個(gè)領(lǐng)域的法國Bollore集團(tuán)，就在2011年時(shí)將旗下子公司、歐洲電池“大咖”Batscap研發(fā)的固態(tài)聚合物鋰金屬電池裝進(jìn)Pininfarina設(shè)計(jì)的車體內(nèi)，打造出Bluecar系列微型電動(dòng)車，主打共享租賃汽車市場(chǎng)。盡管這款體長(zhǎng)僅3.65m的小車曾于2012年占到法國電動(dòng)車市場(chǎng)27%的份額，后來更引來雷諾、標(biāo)致雪鐵龍這樣的一線大廠為其代工，甚至出口到英國銷售，但受制于固態(tài)聚合物的性能，搭載著30kWh電池組的Bluecar最多只能續(xù)航250km，明顯不及現(xiàn)役主流電動(dòng)車。

除豐田外，寶馬、大眾等多家主流廠商都在積極研發(fā)固態(tài)電池，例如寶馬投資2億歐元打造的電芯研發(fā)中心，就會(huì)為寶馬開發(fā)包括固態(tài)電池在內(nèi)的多種新型電池。圖為電芯研發(fā)中心建造項(xiàng)目開工儀式現(xiàn)場(chǎng)。