前些天在拉斯維加斯舉辦的2018 CES（國際消費(fèi)電子展）可是賺足了我們的眼球，當(dāng)然不是因為突發(fā)其來的場館停電..而是一大批有意思的新科技發(fā)布亮相。其中，有家車企不得不關(guān)注，它就是Fisker，在帶來全新電動跑車Emotion的同時，還推出了柔性固態(tài)電池材料，這東西有什么厲害的，先來看看Fisker怎么說。
不久前Fisker宣稱，他們要做的固態(tài)電池已經(jīng)申請了專利，其能量密度是傳統(tǒng)鋰電池的2.5倍，續(xù)航里程可以超過600公里，最高時速能夠超過250公里/時，并且具備9分鐘恢復(fù)160公里的續(xù)航能力。Fisker Emotion所搭載的石墨烯固態(tài)電池用一系列的數(shù)字震撼著電動車市場，這回咱們就來聊聊固態(tài)電池，這貨到底是不是未來的BUG級技術(shù)？
想了解固態(tài)電池，就得先知道我們身邊常用的液體電解質(zhì)鋰電池是怎么個工作原理。說起來很簡單，業(yè)內(nèi)把它稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端可以被看作是電池的正、負(fù)極，而中間的部分就是液態(tài)電解質(zhì)。鋰離子就像上學(xué)時參加體育考試的我們，在兩端進(jìn)行折返跑測試，正-負(fù)-正，就是一個完成的充放電過程。所以，固態(tài)電池與傳統(tǒng)的鋰電池最明顯的區(qū)別，就是前者采用的電解質(zhì)為固態(tài)結(jié)構(gòu)。
雖然對液態(tài)鋰電池有了認(rèn)知，但對于我們?nèi)ヌ剿鞴虘B(tài)電池還不夠，還需要知道鋰電池的材料到底用的都是什么？
通常來說，鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等部分組成，無論是最初的鎳氫電池、錳酸鋰電池、后來的磷酸鐵鋰電池，還是如今已廣為人知的三元鋰電池（鎳鈷錳和鎳鈷鋁），這些在化學(xué)課上曾見過的化學(xué)名詞，說的其實(shí)都是電池的正極材料，對電芯能力密度影響最大的就是它。而對于負(fù)極材料來說，目前應(yīng)用最多的是石墨。
眾所周知，磷酸鐵鋰電池在能量密度方面的提升空間已非常有限，不提升能量密度，就無法提升電動車的續(xù)航里程。于是，動力電池的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始由磷酸鐵鋰電池全面倒向三元鋰電池的優(yōu)化升級，比如調(diào)整內(nèi)部材料的比例、采用新材料替代石墨負(fù)極材料、提升隔膜性能等等。但是，從長遠(yuǎn)來看，這些方式都很難讓三元鋰電池的能量密度突破300Wh/kg，即便可以，短期內(nèi)也只是停留在實(shí)驗室階段。
那么，這個行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的研發(fā)瓶頸出現(xiàn)后，應(yīng)該如何捅破天花板完成未來目標(biāo)呢？（2020年350Wh/kg，2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg），下面就輪到固態(tài)電池登場了！
從工作原理上看，固態(tài)電池與傳統(tǒng)電解液鋰電池并無明顯區(qū)別，他的優(yōu)勢也很容易理解，就是鋰離子電池發(fā)展的兩大重要方向：1.能量密度更高、2.運(yùn)行更安全。
首先因為自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因，固態(tài)電池可以讓更多帶電離子聚集在一端，帶來的好處是能夠傳導(dǎo)更大的電流，電池容量便會隨之提升。從材料方面理解就更為直觀，使用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池終于可以擺脫石墨材料的束縛，轉(zhuǎn)而去采用金屬鋰作為負(fù)極。這個看似簡單的改變，實(shí)際上大幅減少了負(fù)極材料的使用量，從而讓電池能力密度得到明顯提升。一個鋰電池就這么大，但是要被隔膜和電解液占據(jù)接近七成的質(zhì)量，這意味著什么？意味著汽車這種每天在路上跑的交通工具，要扛著越來越重的電池包，續(xù)航里程的上升曲線到最后只有回歸水平一個結(jié)果。但是，如果液態(tài)電解質(zhì)被固態(tài)結(jié)構(gòu)取代，正負(fù)極之間的距離將大幅縮減，甚至只有幾到十幾個微米，使得整個電池系統(tǒng)的能力密度大大提升。從現(xiàn)在的試驗數(shù)據(jù)看，300-400Wh/kg能量密度的全固態(tài)電池已經(jīng)不在話下，有人預(yù)測未來達(dá)到900Wh/kg也不是沒有可能。
除了能量密度質(zhì)的升級，固態(tài)電池還有更安全的特點(diǎn)。固態(tài)電解質(zhì)本身是不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)的，并且不存在液態(tài)電解質(zhì)的漏液問題。此外，由于無需隔膜隔開正負(fù)極，所以不會因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路。所以，固態(tài)電池可以在更高溫（可長期在60-120°C溫度下）、更大電流、更高電壓下工作，較液態(tài)電解質(zhì)鋰電池應(yīng)用范圍更加廣泛。
人無完人，任何事物也不可能是完美無缺的，這種有點(diǎn)像BUG的電解液結(jié)構(gòu)難道就沒有技術(shù)壁壘嗎？答案一定是否定的！由于電解質(zhì)是固態(tài)的，內(nèi)阻較大，所以相對于液態(tài)電解質(zhì)，常溫下它的電導(dǎo)率要低不少。當(dāng)然，也不是所有固態(tài)鋰電池都解決不了這個問題，但是要以犧牲能力密度為前提，這就形成了魚和熊掌不可兼得的局面。最后還有一個更為重要的難題：成本，據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，全固態(tài)電解質(zhì)的成本非常昂貴，所以大批量生產(chǎn)會很困難。
之所以說是全球市場，就代表著固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)成為了各大相關(guān)企業(yè)的重要研發(fā)方向，下面咱們先聊聊海外市場。
約翰·古迪納夫（John Goodenough），被譽(yù)為鋰電池之父，作為鋰電池的奠基人之一，他將研發(fā)目光轉(zhuǎn)向固態(tài)電池，成為整個固態(tài)電池研發(fā)圈子的背書。他與德克薩斯大學(xué)奧斯汀科克雷爾工程學(xué)院高級研究員瑪麗亞·海倫娜·布拉加（Maria Helena Braga）合作，造出了第一個全固態(tài)電池?！俺杀?、安全性、儲能密度、充放電率以及循環(huán)壽命對于電池汽車的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。我們相信，我們的發(fā)現(xiàn)解決了當(dāng)今電池的很多固有問題?！惫诺霞{夫顯然對此感到非常興奮。
聚合物、氧化物和硫化物這三大固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池最重要的發(fā)展方向，法國Bolloré、美國Sakti3以及日本豐田則分別主攻其一。我們熟知的吸塵器品牌戴森在2015年收購了Sakti3，并在2016年宣布出資14億美元興建一座電池工廠。德國汽車零部件巨頭博世也沒有放棄這塊未來的沃土，2015年收購了美國電池公司Seeo，之后便與日本著名的GS YUASA(湯淺)電池公司、三菱重工共同建立新工廠主攻固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)。
去年11月份，三井金屬發(fā)布了下一代的鋰離子二次電池“全固態(tài)電池”，其采用的是硫化物固態(tài)電解質(zhì)，并計劃在2020年正式量產(chǎn)。對此，在新電池發(fā)布后三井金屬的車企客戶就表示，豐田、本田將依托此大力拓展新能源汽車業(yè)務(wù)。
轉(zhuǎn)到2017年，今年是固態(tài)電池圈兒非常熱鬧的一年，日立公司宣布其固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)研發(fā)完成?！肮粳F(xiàn)在就可以提供與當(dāng)前鋰離子電池相同性能的固態(tài)電池，能更好的處理溫度變化，擁有更長的循環(huán)壽命。”日立佐森總裁Takashi Tanisho透露，“目前已經(jīng)將固態(tài)電池的樣品送到了航空航天和汽車行業(yè)的潛在客戶?！?/p>
去年10月，豐田汽車公司副社長迪迪爾·勒羅伊宣稱要在2025年前推出新一代電池“固態(tài)電池”，其能大幅增加電動車?yán)m(xù)航里程。他表示，豐田公司正投入200多人進(jìn)行開發(fā)，并強(qiáng)調(diào)豐田在固態(tài)電池方面的專利為世界第一。去年底，寶馬宣布與電池技術(shù)公司SolidPower建立新的合作關(guān)系，目的正是進(jìn)行固態(tài)電池的研發(fā)，以用于商業(yè)化電動汽車的搭載。
再說回國內(nèi)，落筆之前，我特意就固態(tài)電池技術(shù)和寧德時代相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了一次溝通，他表示，“固態(tài)電池是整個行業(yè)對未來的共識，寧德時代也有深入的研究，并且已經(jīng)申請下來了不少相關(guān)專利?！钡拇_，我們在翻閱寧德時代在2017年11月2日簽署的招股說明書中后發(fā)現(xiàn)，下一代電池研發(fā)重點(diǎn)就是全固態(tài)鋰電池，且包括固態(tài)電解質(zhì)膜片及鋰離子電池、鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)材料等多項專利。當(dāng)然，國內(nèi)的研發(fā)團(tuán)隊還不止寧德時代一家，中科院青島生物能源與過程研究所在高能量密度固態(tài)電池研究中也取得了進(jìn)展，去年1月15日，他們研發(fā)的固態(tài)鋰電池隨中科院深海所的深潛器出海，赴馬里亞納海溝進(jìn)行了全海深示范應(yīng)用。不難看出，國內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)規(guī)模和實(shí)力也在加速壯大中。當(dāng)然，還遠(yuǎn)不止這些，未來還會有更多。。
寫在最后：
縱然固態(tài)電池有著這樣那樣的問題和壁壘，但不可否認(rèn)的是，其依舊是未來鋰電池研發(fā)的最重要方向，沒有之一。當(dāng)然，也許在不久的將來，我們還有更厲害的鋰空氣電池可選，并且新能源也絕不僅僅是電力驅(qū)動一種。如今，在略顯激進(jìn)化的新能源發(fā)展道路上，借用寧德時代負(fù)責(zé)人的一句話，新能源車?yán)m(xù)航里程固然重要，但安全性才是最需要重視的。我始終相信魚和熊掌不是不可兼得，只是還沒有找到兼得的最好方法而已。
（圖/文 張屹鵬）
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