固态电池动力化未来的用途以及发展方向
来源：宝鄂实业
2019-02-15 12:48
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一.能量密度大幅提高了。
因为使用了固态电解质，之前与液态电解质兼容不好的更高性能的正负极材料就可以应用上了。例如可以将负极材料从当前的石墨换成金属锂，金属锂作为负极材料，优势天差地别的：一来负极材料换成金属锂后要比石墨材料减轻了很大用量，二来金属锂的克容量高达3860mAh/g，是石墨材料（372mAh/g）的10倍，三来金属锂是自然界电化学势最低的材料，对应的正极材料选择面更宽，可以是含锂或不含锂的化合物，也可以是硫或硫化物甚至是空气（即锂硫和锂空电池），理论能量密度是当前锂电池的10倍以上。
此外，固态电解质的电化学窗口更宽，理论上可以达到5V，更加适应于高电压型正极材料，因为提高正极材料容量需要充电至高电压以便使其脱出更多的锂离子，而当前三元高镍材料的应用已然受到了耐高压电解液的制约，因为要提高正极材料的容量就要充到更高电压，而高电压就会把液态电解液氧化。
所以在有固态电解质之后，理论上电池的比能量就可以轻松突破350Wh/kg的天花板，甚至超越400Wh/kg。
二安全性能大幅提升。
液态电解质中含有易燃的有机溶剂，发生内部短路时温度骤升容易引起燃烧，导致电池起火爆炸。虽然可以通过加装温控和防短路这样的安全装置起到一定预防作用，但终究是治标不治本，无法彻底解决安全问题。
而固体电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，也有望克服当前困扰整个锂电池行业的锂枝晶问题。同时，固态电解质的绝缘性使得其可以把电池正极与负极阻隔，从而做到有效避免正负极接触发生短路的隐患，所以说固态电池也具有很高的安全特性。
因为固态电池具有很高的安全性，所以在系统集成时候就可以省去传统电池PACK中很大一部分热管理系统和安全管理系统，同时减少了组装壳体用料。因为成组效率得到提升，进而大幅提升整个电池PACK的系统能量密度。
三循环寿命有效拉长。
固体电解质可以避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长界面膜和锂枝晶刺穿隔膜等问题，从而有大大提升了锂电池的循环次数和使用寿命。
根据目前已有的报导，薄膜型固态电池的循环次数可以达到4.5万次的水平了。
此外，固态电池还具有工作温度范围宽（可以达到300度以上），可以叠加多个电极，使单元内串联制备12V及24V的大电压单体电芯成为可能，以及由于没有废液使二次回收更加简单安全等优势。
有这些亮眼的诸多优势，固态电池看起来美好之极。但是，历史经验告诉我们，一般前途光明的都会紧随着道路的曲折，而前途越光明，道路就越曲折。我们必须认识到的事实是，固态电池至今仍没有走出实验室阶段，对于固态电池的研究，目前还是偏学术多一些。基于工程化应用方面的技术研发甚至还处于起步阶段，而要到大规模量产和商业化，更是需要很长的一段路要走。
拿今天清陶号称已经下线的小型固态电池产品为例，业界资深从业者、一个朋友告诉燕十七，“跟这差不多的小型固态电池，日本人（丰田）大概在2005年就搞出来了。一直没有大规模商业化的原因，就在于技术还远未成熟到这个地步。”
“讲真，固态电池这条路真不好走。”
二.一个残酷事实就是，当前无论是从最基础的材料到反应界面，再到电池的理论研究和实验，以及更远处的规模产业化以应用，都还没有从根本上解决一些基础难题。
固态电池的研究始于上个世纪八十年代，相关技术从不成熟走向成熟，从实验室走向工厂，从工厂走向终端设备实现规模化应用和普及，动辄十几年甚至几十年已经过去了，注定这条路是漫长而艰苦的。
历史上，在实验室中开发出的很大比例的新技术，真正成功实现工业化的只属于少数。
一项新技术从实验走向应用，首先要在实验室中搞清楚其基本机理，继而确定可以用来放大工业化的技术路线，最后经过中试稳定过后实现规模量产。而大多数时候，一项新技术得以工业化的最基本前提就是“简单粗暴”，只有这样才能“易于理解”，只有易于理解才能最终落实给生产线上的作业人员，以标准化的工序放大生产。同时在生产过程中积累经验教训，在每一个环节中精益求精地改进，每一个细节都实现可控化，最终大规模生产出足够一致性和稳定性的产品。
而这期间，上游产业链如原材料、生产设备的配合更是必不可少。
这样看来，固态电池还处于第一个阶段，即还处于在实验室中进行最基本的机理研究，解决一些基本问题的阶段。
固态电池要想成功实现产业化，甚至作为动力电池被大规模应用上车，至少需要翻越四座大山，而这几座大山以目前技术水平来看，跨过的难度都是极大的。
三.固态电解质的室温电导率难题。
电解质的功能就是在电池充放电过程中为锂离子在正负极之间移动搭建通道，决定锂离子传输顺畅与否的指标就是离子电导率，离子电导率的高低直接影响了电池的整体阻抗和倍率性能。而不幸的是，无论是哪种材质的固态电解质，离子电导率都普遍偏低，其中硫化物电解质的电导率相对较高，也只是限于和最差的聚合物电解质的对比。
聚合物电解质的导电率差到哪种地步呢？在室温25度下，聚合物电解质的电导率要低于常规液态电解质5个数量级，到60度时，依然差着2个数量级，到120度的时候依旧有1个量级的差距。
举个例子，假设用这样的一块聚合物固态电池装在你的手机里，你能想象你的手机内部温度高达近100度吗？
再以法国Bollore公司为例，为了保证他们家采用聚合物固态电池的电动汽车能够正常运行，法国人甚至还专门为每辆汽车上搭配了一个加热元器件，每次启动车辆之前都要将电池加热到80度，因为只有温度升高后，电池的导电性才能变好。
升高电池温度这一过程不仅麻烦，而且会消耗能量，导致电池Pack的有效能量密度显著下降，同时由于聚合物固态电池的功率性能较差，所以在实际使用时，还需要和大功率的超级电容器配合使用。
更要命的是，通常这种聚合物固态电解质的电化学稳定窗口都比较窄（一般在4V以下），对应的正极材料选择只能是磷酸铁锂、钴酸锂或者三元NCM111，使其总体能量密度很难达到300Wh/kg。例如法国Bollore公司的聚合物电池，虽然号称是固态电池，但其比能量却只有100Wh/kg。
由于固态电解质电导率总体低于液态电解质，这就导致了目前固态电池的内阻过大，倍率性能整体偏低，所以固态电池暂时也就告别快充了（聚合物固态电池充满电需要5个多小时）。业界人士表示，固态电池导电率要维持在在适当的水平，不能过高，也不能过低，“这样的材料非常难开发”。
所以，电导率的问题成为另一大阻碍固态电池商业化应用的瓶颈之一。
第三座大山是固态电解质和正负极的界面匹配问题。
虽然固态电解质与正负极材料界面基本不存在像液态电解质分解那样的副反应，但电解质由液态换成固体之后的弊端也是显而易见的。锂电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化过程中，就必然存在着由于固固之间无润湿性（传统锂电池的电解液和正负极有很好的浸润性，可以达到你中有我我中有你的和谐境界），“硬碰硬”的直接结果就是电解质和正负极界面相容性不佳，界面接触电阻变大，从而严重影响了锂离子在界面之间的传输。
电解质和正负极之间的界面相容性，直接决定了界面反应电阻和电池循环稳定性等诸多性能。试验数据证明，目前固体电解质与正负极之间的界面接触阻抗值是电解质本体阻抗的10倍以上，这直接导致一系列恶果：固态电池的内阻急剧增大、电池循环性能变差、循环寿命变短、倍率性能变差。
固体电解质和正负极直接的界面匹配问题，界面阻抗大是制约固态电池循环性能的最重要瓶颈之一。
