争相布局 固态电池能否弯道超车？
发布日期：2017/8/17
当前三元电池产品成熟度、市场渗透率比较高，推广起来相对容易，受到国内电池企业青睐。但毋庸置疑，未来固态电池会爆发出强大的替代力，颠覆动力电池产业格局。
自从能源车补贴与能量密度直接挂钩后，提升动力电池能量密度就成为动力电池企业赢得市场的重要“筹码”。从今年新发布的七批推荐车型目录来看，不管是新能源客车，还是新能源乘用车，搭载电池能量密度均大幅提升，拿到1.2倍补贴车型占比已超过60%，动力电池正朝着高能量密度的方向发展。
只不过，按照此前四部委发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提到的动力电池能量密度的关键指标和完成的时间节点，到2020年锂离子动力电池单体能量密度需要做到300Wh/kg，系统能量密度要做到260Wh/kg。从目前情况来看，绝大部分电池企业仅完成该指标的1/2不到，还需苦心钻研。
高能量密度电池日益受宠
受此影响，包括比亚迪、CATL、力神、沃特玛等纷纷出台自己的“三元计划”。华东锂电技术研究所研究员刘锴表示，“走三元路线实现300Wh/kg能量密度目标是可行的，目前日亚化学三元电池能量密度可做到330Wh/kg，而用于特斯拉的松下的三元电池已经可以做到252Wh/kg，国内三元电池仍有较大潜力可挖”。
鉴于能量密度还有很大提升空间，三元电池成为主流技术路线趋势已不可逆转。但时至今日，困扰三元电池的安全性仍然没有得到很好的解决，就连号称BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不断，今年仅国内就有两辆Model S发生严重起火事件，三元电池的安全性仍然受到大家的质疑。
既然如此，有没有能量密度和安全性兼具的电池技术路线呢？答案是肯定的，那就是固态电池。业内普遍共识是，固态电池在继承传统电池优点的基础上，安全性、能量密度都有大幅进步，特别是充电时间可缩短至几分钟。近日，丰田更宣布研发全固态电池电动车，最快将于2022年上市，在业内引起巨大反响。
丰田宣布2022推出固态电池电动车
未来为什么是固态电池？
里程焦虑是困扰新能源汽车规模推广的首要难题，未来对于动力电池能量密度的要求只会越来越苛刻。目前新能源客车主要使用的是磷酸铁锂电池，虽然安全性有保障，但现在磷酸铁锂电池能量密度普遍在115Wh/kg，即使是比亚迪这样的磷酸铁锂龙头企业，能量密度也只能做到150Wh/kg，且已经接近极限值。
业内普遍认为，未来三年内三元电池必将完成对磷酸铁锂电池的替代，磷酸铁锂电池最终会退出新能源车市场。近日，特斯拉宣布摒弃此前所使用的18650三元电池，开始采用尺寸更大、能量密度更高的21700电池。按照特斯拉的说法，能量密度可提升20%，这也意味着三元电池系统能量密度已突破300Wh/kg。
从技术潜力角度来看，通过走三元路线实现300Wh/kg能量密度目标切实可行，但是能量密度提升的过程相对困难。三元电池目前的能量密度在200Wh/kg左右，其极限能量密度大约为350Wh/kg，提升空间非常有限。按照能量密度时间节点，2025年动力电池单体能量密度要做到500Wh/kg，三元路线达不到。
固态电池能量密度提升，从理论上讲更具可行性。首先固态锂电池电压平台提升，固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口，有利于提升电池的能量密度；二是固态电解质能阻隔锂枝晶生长，材料应用体系的范围也大幅提升，为具有更高能量密度空间的新型电池技术奠定基础。
三星与麻省理工合作研发的固态电池
当前，固态锂电池已在较小范围内有应用，能量密度约400Wh/Kg，预估其最大能量密度值为900Wh/Kg，有超过100%的提升空间。中国工程院院士陈立泉曾表示，“固态电池的能量密度远超三元电池。动力电池关键在于成本、能量密度和安全性，要达成500Wh/kg能量密度目标，只有固态电池可胜任”。
再来说安全性，近年来国内外多次出现新能源汽车自燃事故，新能源汽车的安全性越来越受关注。原因就在于当前三元电池的电气安全、功能安全、化学安全、机械安全方面控制仍未完善。三元电池液态电解质易燃易爆，长期使用易触发“热失控”，在充放电过程中锂枝晶生长容易刺破隔膜，引起电池短路，造成安全隐患。
但固态电池则没有这样的烦恼，其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、无漏液，同时固态电池在大电流下工作不会因出现锂枝晶刺破隔膜而导致短路，不会在高温下发生副反应产生气体发生燃烧，因此搭载固态锂电池汽车的自燃概率会大大降低。所以，安全性也被认为是固态电池发展的最根本驱动力之一。
相同容量下固态电池体积更小
除此之外，固态电池体积更小、更轻薄，而且可以根据实际需求调整电池的形状。因此纯电动汽车的电池布局可以更灵活，也不会过分侵占车内空间；同时也不必像三元锂电池那样涉及复杂的热管理系统，可以大幅节约成本；重量大幅减少（相同容量下约为三元电池组重量的1/3），车身轻量化的目标可以更容易实现。
都有谁在布局固态电池？
早在2012年，苹果公司就将固态电池纳入了自己的专利体系，时至今日已有不少研究机构和企业在固态电池领域展开布局。此前宝马方面称，公司正在研发将固态电解质代替现有的电解液，更轻、更安全、密度更高的固态电池，计划于2026年量产。现如今，丰田有望将固态电池的量产时间提前四年。
外媒7月25日报道，丰田公司正致力于新型电动汽车动力电池的研发，将大幅增加续航里程，并实现快速充电。据悉，该款搭载固态电池的电动车基于全新生产平台打造，最快将于2022年上市。丰田为什么会选择固态电池呢？很大原因是丰田早在2010年就已经开始推出固态电池，2014年其实验室能量密度已达400Wh/kg。
宝马宣布2026年量产固态电池
丰田发言人表示，“目前为止，在所有新形态的电池中，固态电池被认为是最接近量产级别的。我们正在进行相关技术的研发，包括固态电池的量产工艺，希望能在2020年将其实现商业化。”不过，丰田能否率先实现固态电池的量产，并凭借这一技术完成对日产和特斯拉的弯道超车，目前还不能确定。
有证券分析师认为：“固态电池从实验室研究成果到实现量产还有很长的路要走，从现在起到2022年，还存在许多变数，丰田的固态电池汽车能不能按时出来还是未知数。”然而这并没有影响到大家对于发展固态电池的信心和决心。截至目前，国内已有不少研究机构和企业将目光瞄准固态电池领域。
据了解，目前国内从事固态电池研究的机构和企业就有中科院化学所、中科院青岛能源所、中科院宁波材料所、宁德时代新能源、上海空间电源研究所、中航锂电、珈伟股份、横店东磁、台湾辉能等，并在某种程度上取得了不小的突破，甚至已经完成实验室验证并有小部分企业实现了小规模产业化。
譬如中科院青岛能源所就表示，其开发的大容量固态聚合物锂电池“青能 I 号”已完成深海科考，其能量密度超过250Wh/kg，500次循环容量保持 80％以上，在多次针刺和挤压等苛刻测试条件下保持着非常好的安全性能；如今“青能 II号”也已经研发成功，能量密度高达300Wh/kg，尚未投入推广及应用。
电池企业方面，CATL称在固态锂电池（锂硫电池、聚合物电芯）均取得突破，其主要研发方向是硫化物电解质，采用正极包覆方法，解决了界面反应问题，热压方式降低了界面电阻。CATL设计制造的容量为325mAh的聚合物电芯，高温循环性能表现良好。CATL已完成固态电池的技术布局，只不过同样未投入推广。
此前，德克萨斯州大学奥斯汀分校工程学院94岁教授John Goodenough，带领工程师团队已开发出首个固态锂电池，这种电池具有低成本、全固态、非易燃、长寿命、高体积能量密度、快速充放电等优点。Goodenough表示，“我们相信，我们的这项发明解决了现今的电池中的许多固有的问题”。
固态电池离我们有多远？
上海空间电源研究所汤卫平博士表示，虽然目前有不少企业宣称自己已经做出了全固态电池，但大多不是真正意义上的全固态电池，“噱头”的嫌疑很大，成熟的固态电池产品推出至少需要5-10年的时间。“未来5年内，固态电池仍然难以形成产业化，锂离子电池依然会是主流路线。”事实上，距离丰田固态电池电动车推出刚好还有五年时间。
尽管诸多光环缠身，固态电池其实并非完美，其最大的缺点就是采用固态电解质替代传统电解质后，导致电导率低，高倍率放电性能极差。原因就在于锂离子的固态扩散速度比在溶液里扩散慢得多。因此，目前固态电池还只能应用在小电流的设备中，同时想要实现快充的功能也会比较困难。
刘锴认为，要想提升固态电池电导率，对于固态电解质材料的选择尤为重要。“我们采用硅钛纳米管来做固态电解质的材料，在涂布后就可以有效减少内阻，从而提升固态电池的电导性及高倍率放电性。不过这种电解质材料也有弊端，就是寿命上不能保证，还需要在后续的研究中加以完善。
此前特斯拉电池组价格也非常高
与此同时，生产成本高也是固态电池不被看好的原因。这也是为什么特斯拉和松下要孜孜不倦的捣鼓三元锂电池，甚至还引导着三元电池体系从18650直接进入到21700，这也吸引着宁德时代、比亚迪、LG化学和三星SDI这些主流动力电池厂家，纷纷加入三元锂电池研发阵列，甚至还引发了21700电池风潮。
只不过，固态电池成本高昂跟其产业化的深度有关。目前固态电池只适用于小众的应用领域，其生产、使用的成本确实会非常高，但随着固态电池的逐步产业化，其成本降低也是水到渠成的事情。举个例子，当初特斯拉电池组的价格曾经达到1200美金/KWh，短短几年的时间内已经下降到了180美金/KWh左右。
从理论的提出时间来看，固态电池并不是全新的概念。但多年来，研发上的进展并没有想象那么快速。业内人士认为，即便最终能做到成本上的降低，电池从实验室到最终的量产也需要不短的时间。正如液态锂电池，在上世纪70年代，相关理念和实验认证就在齐头并进地推进，但真正大规模使用已是20世纪末。
未来，新能源汽车的健康与规模化推广应用很大程度上取决于高安全性、高续航里程的动力电池的支撑力度。当前，新能源汽车动力电池技术受到国家政策、外部竞争的双重压力的驱动，这就要求现有电池企业既要关注三元电池技术的持续提升，同时也要加速全固态锂电池或新型动力电池的技术储备。
总的来说，经过固态电池和三元电池在能量密度、安全性、轻量化等方面的对比，固态电池具有绝对的优势，但三元电池产品成熟度、市场渗透率比较高，目前推广起来也会相对容易，因此国内企业不约而同选择了三元路线。但毋庸置疑，未来固态电池会爆发出强大的产品替代力，颠覆动力电池的产业格局。
来源：动力电池网
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