尚需时日,未来可期 浅谈固态电池的忧伤与希望

尚需时日，未来可期

体能量密度低。目前的系统能量密

度普遍维持在240Wh/kg上下，导致

电池组成为车上最重、成本最高的

部件。实际上，像奔驰EQC所搭载的

80kWh电池重量就达到了650kg，和

它相比，6.0L的V12发动机可以说是

“身轻如燕”。

然而能量密度是不是越高越

好，因为电池是一种系统产品，提

升某一方面的性能，可能会牺牲其

他方面的性能。而车用动力电池，

必须以安全为根本原则，在确保安

全的前提下才能兼顾其他性能指

标。在现行技术下，三元锂电要达到

300Wh/kg的系统能量密度已经非常

困难。

天下苦续航久矣，人们一直在

寻求低成本、高性能、充电快的电

池方案。

核电池将同位素衰减产生的

热量转换成电能，由于同位素半

衰期非常长，所以理论上可以做到

“把用户送走都还有电。”科幻作

品中，行李箱那么大一块核电池，

能带动汽车疾驰，能驱动飞机上

天，可惜那只是科幻。前不久美国

毅力号探测器刚刚登陆火星，它携

带的火星漫游车使用的是钚-238电

浅谈固态电池的忧伤

与希望

固态电池，这个并不新颖的名字，伴随一场发布会又重新回到公

众视野，成为缓解新能源汽车续航焦虑的曙光。但是这道曙光，

能否真正进化成阳光，普照人间？

文/图 张远航

天下苦续航久矣

(M)或铝(A)的混合材料作为正极材

料，通过调节各成分的混合比例，电

池能够表现出不一样的特性。例如

提高镍的比例，能让电池能量密度

更大；提高钴的比例，能让电池寿

命更长、充电更快；提高锰或铝的

比例，能让电池更稳定。根据混合

比例也就有了不同的型号，如523、

622、811等。

影响动力电池续航的核心指

标是能量密度。单个电芯的能量密

度称为单体电芯能量密度，目前业

界最高达到300Wh/kg。但是多个电

芯打包成电池组后，内部必须包含

电池管理系统、高低压线束等，不

得不增加重量并占据内部空间，因

此电池的系统能量密度一定比单

池，设计寿命为14年左右，乍一听真

不错，但这块电池的功率仅110W，

重量却达到45公斤，造价更是高达

7000万美元。要驱动纯电动汽车，

电池功率至少还得提高400~500倍

左右，由此带来的体积、重量、价格

已经不可想象，更不用说令人谈之

色变的辐射问题。

燃料电池把燃料具有的化学能

转换成电能，其中氢是最合适的燃

料。可是丰田在氢电池领域耕耘近

30年，至今仍只是小范围商用。尽

管氢是宇宙中最丰富的元素，但是

它的特性太活跃，在复杂的自然环

境里制氢的成本太高，制出来之后

的储存、运输同样面临各种技术和

资金问题。

续航焦虑，是新能源车诞生

以来如影随形的魔咒。夏天还好，

NEDC续航基本还有厂商宣称的七八

成功力。冬天尤其寒冷地区，续航

直接打5折甚至更低。因此，新能

源车被网友们戏称为“电动爹”。

“爹”难伺候，根源在电池。新能源

车的电机、电控等技术已经相当成

熟，只有电池仍是最大的短板，充电

慢，续航短，让主机厂和用户都头

痛不已。

磷酸铁锂电池和三元锂电池是

现在的主流动力电池，前者安全性

更高，主要用在电动客车等商用领

域；后者性能更好，主要用在家用

车上。三元锂电池以镍(N)、钴(C)、锰

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也许石墨烯电池能带来惊喜。

作为世界上首例单原子厚度的二维

材料，石墨烯导电性、导热性，强度

都非常优秀。正如影视作品里“遇事

不决，量子力学”，材料领域里，石墨

烯也有着无穷的潜力，哪里困难点

哪里，说不定就大力出奇迹了，因此

石墨烯用在电池上也是非常合理的。

但是直到今天，石墨烯电池仍躺在

实验室里，距量产遥遥无期。前年12

月媒体传闻华为要在P40 Pro上搭载

石墨烯电池，10分钟充电70%，事后

证明这只是一个传言。

今年1月，不少媒体都在报道广

汽的“石墨烯”电池续航可以达到

1000km，并具备6C快充能力，可以8

分钟充电至80%。消息一出，国家电

网沉默，特斯拉落泪，广汽集团的

股价也随之涨停。而在随后的电动

汽车百人会线上论坛上，有专家

几乎就是指名道姓说如果一辆车

能跑1000公里，能几分钟充满电，

还特别安全，成本还非常低，那就

是在忽悠。怼得当事人急忙出来

改台词，原来广汽宣布的是石墨烯

“基”电池，只是在电极材料里加

入了石墨烯，并不是真正的石墨烯

电池，一字之差谬之千里。并且“8

分钟可充电80%”和“续航1000公

里”是两种不同材料的电池，只是

被“恰好”放在了一张海报中，被媒

体误读。

这样看来，除了锂之外的其他

材料，短时间内都看不到希望。

在今年的1月份，蔚来在NIO

Day 2020上展示了150kWh的固态电

池组，据称可以让蔚来ES8的续航

里程达到730~910km，一时间固态

电池被推上了风口，资本竞相流入，

相关概念股涨势看好。这又是哪路

“神仙”呢？

电池行业的希望

谈固态电池之前，需要明确一

个概念，我们常说的“锂电池”实际

上是指锂离子电池，主要由正负极

材料、电解液和隔膜组成。正负极

材料决定了电池的容量，电解液及

隔膜是传输锂离子的介质。还有一

种锂聚合物电池是在隔膜和电极之

间再涂一层高分子凝胶如聚偏氟乙

烯。固态电池则使用固体电解质替

代电解液和隔膜，它们之间有着本

质区别。

固态电解质能为电池带来众

多的优质特性，首先是安全。锂电

池的电解液本质上存在可燃的风

险，如果电池因为过度充电或者被

破坏导致隔膜受损，或隔膜本身质

量不好，会让正负极直接短路，瞬

间就会起火。无数的事实也验证了

这一点，比如宁德时代811三元锂电

池，电池容量234A电压4.14V（满电

为4.2V），穿刺钢针直径7毫米，穿刺

速度25mm/s，执行GB/T 31485标准

进行穿刺测试时电池瞬间起火。此

外，在2019年4月21日晚8时许，上海

徐汇区裕德路泰德花苑区车库内，

一辆停在地下车库的特斯拉10秒内

整车爆燃，无不让人心惊胆战。

续航高达900km，据悉在容量提升的同时体积

蔚来研发的150kWh的固态电池组，

上与其它容量电池包保持一致。

电池续航能

目前在市区已经能看到越来越多的充电桩分布在大大小小的停车场内，

力不足只有不断提升充电基础设施。

这也导致系统能量密度上不来。

电池组里必须还有一大堆辅助设备，

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电解液易燃，电极材料也不省

心。由于市场对续航的渴望，整个行

业都倾向于在高镍材料上突破，但

高镍材料热稳定性很差。松下21700

电池采用NCA811架构配硅碳负极，

单体能量密度达到了300Wh/kg，但

“脾气”也很火爆，在特斯拉Model

3上全凭极强的电池管理系统来约

束，即便如此我们偶有见到自燃的

报道。而且随着电池能量密度提升，

隔膜不得不越来越薄，锂枝晶刺穿

隔膜的风险也大大提高。NCA811已

经需要一大堆安全冗余，即便再往

上增加镍的比例，依然不能降低自

燃的可能性。

如果换成固态电解质，电池就

不再有“隔膜”这个部件。固态电

解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不

漏液，就算被捅得千疮百孔也不会

“生气”，各种安全问题迎刃而解。

还有一个特性是单体电压可以

做到更高。在锂离子电池中，参与放

电只有锂离子，它的质量大概是整

个电池的2%，而电解液和隔膜能够

占到总质量的25%左右，所以电池

的能量密度非常低。固态电解质的

密度比液体大，可以让更多带电离

子聚集，传导更大的电流，因此固

态电池电化学窗口可达5V以上，高

于液态锂电池的4.2V。另外从材质

上讲，金属锂具有高达3860mA·h/g

的理论比容量及3.04V的超负电极电

势，是非常理想的负极材料，但因为

枝晶问题限制了它的应用。固态电

池理论上可以直接使用金属锂来做

负极，由于固态电解质硬度较大，

难以被枝晶刺穿，就能在一定程度

上抑制枝晶的生长，大大提升电池

的循环性和使用寿命，同时能量密

度可轻松突破400Wh/kg。

此外，固态电解质还能简化结

构。由于没有电解液和隔膜，正负

极之间的距离甚至可以缩短到几微

米，体积和重量将大大降低，制造

薄膜电池和柔性电池不再是梦想。

用在大功率环境下，也不需要再额

外增加热管理系统，不仅节约成

本，还能有效减轻重量。电池回收

时，没有废液，处理起来也更简单。

固态电池的烦恼

固态电池可以算是颠覆性的

技术，用固态电解质取代电解液和

隔膜，听起来既简单又完美，但实

际上还有不少关键问题没法解决。

一是界面阻抗和稳定性问题。固态

电池内部全是固体之间接触，循环

过程中材料体积膨胀会破坏接触界

面，电池就报废了。此外，严重困扰

锂电池的枝晶的问题并没有彻底解

带“翅膀”的圆柱就是钚-238电池，足够换一架苏

-35战斗机。

对丰田而言，用氢驱动汽车已经问题不大，氢气的

生产、存储、运输才是大问题。

只有单

物质到了原子层面都会出现一些神奇的特性，

个原子厚度的石墨烯也不会例外。

液态锂离子电池和固态电池的区别

这张海报，其实文字上挑不出毛病，但被刻意地

放在一起就容易引起误解。

可以直接引爆电池。

锂枝晶一旦刺穿隔膜，

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决，采用金属锂电极后的接触界面

阻抗仍然很大。锂枝晶即使不能刺

穿固态电解质，也可能会折断，从而

出现“死锂”，降低电池容量。

二是电导率偏低问题，即电子

通过的效率低。需要找到一种在室

温下也有高电导率和电化学稳定

性的电解质，既能让锂离子顺畅通

过，又能解决接触的问题。目前有

三种主流的固态电解质：聚合物、

氧化物、硫化物。

聚合物：目前聚合物固态电

解质由有机的聚合物基体和锂盐

构成。常用的聚合物基体有：聚环

氧乙烷（PEO)、聚丙烯腈（PAN)、聚

偏氟乙烯（PVDF)、聚甲基丙烯酸甲

酯（PMMA)、聚环氧丙烷（PPO)、聚

偏氯乙烯 (PVDC)等。这些聚合物基

体的优点是能够很好地解离锂盐，

缺点是离子电导率较低，通过掺杂

SiO

2

等金属氧化物纳米

MgO、Al

2

O

3

、

颗粒，可以增加锂离子传输通道，

提高电导率。再用这种掺杂聚合物

和锂盐一起做成多孔的“聚合物固

态电解质”。常用的锂盐有LiClO

4

、

LiPF

6

、LiBF

4

等。

LiAsF

4

、

聚合物的缺点在于需要额外

的设备将电池加热至60℃以上，才

能维持导电能力，这套加热设备也

就抵消了固态电池的重量和体积优

势。一种观点认为，聚合物算不上固

态电解质，因为它在高温下会变成

半液态，就又回到了电解液的老路

上，不能完全避免热失控。同时聚

合物无法匹配石墨负极，用金属锂

的话又会进一步加大安全性风险。

氧化物：氧化物固态电解质

按照分子结构可以分为晶态和非

晶态两类。晶态氧化物电解质如

LISICON，有晶格结构，在室温下化

学稳定性高，有利于全固态电池的

规模化生产。非晶态氧化物电解质

如LiPON，无晶格结构，就像玻璃一

样，但室温下的离子导电率高，电压

高，热稳定性较好，已经得到了商业

化应用。但氧化物电解质最大的问

题是电导率一般比电解液还要低很

多，容量也很小，只能满足低电压低

功率场合。

硫化物：这是目前最具潜质的

Li

2

S-

固态电解质材料，有Li

2

S-P

2

S

5

、

Li

2

S-B

2

S

3

等，室温离子电导率

SiS

2

、

高，同时具有热稳定高、安全性能

好、电化学稳定窗口宽的特点，在高

功率及高、低温固态电池方面优势

突出。可惜它非常娇气，对环境要

求很高，遇到氧气会被氧化，遇到水

会产生有害气体，制备工艺复杂，量

产难度很高，同时硫化物对电极材

料兼容性也很差。

容量高、性能强、“脾气”大。

松下21700电池，

比亚迪的刀片电池穿刺实验对比

固态电解质降低电池体积的一个简单对比

蔚来150kWh固态电池的关键词

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除了技术问题，也不得不考虑

制造成本。只有这些问题都得到解

决，固态电池才能够实现量产。我

们都知道锂离子电池性能远胜过铅

酸电池，但市场上众多两轮电动车

甚至是“老头乐”依然使用铅酸电

池，原因就是价格远比锂离子电池

便宜。既然铅酸电池能够满足通勤

需要，消费者就没有理由和钱包过

不去。固态电池也很有可能面临这

样的尴尬局面，说到底，消费者并不

是非要什么固态电池。只要能平衡

成本和性能，你哪怕用干电池，大

家也会买单。成本永远在商业中扮

演极其重要的角色，降低成本的过

程有时候比技术革新更漫长。

一步到位转全固态，而是尝试从减

少电解液的占比进行过渡。伴随着

电解质的逐步固态化，负极也向富

锂、全锂演化，电池安全性和能量

密度可以大幅提升。当然，这只能

算是半固态电池，但技术就是循序

渐进的，即便是锂离子电池，也经

过了无数次的优化和革新，才成为

今天的样子。总之，尽管现在全球

固态电池研发和投资很热闹，但都

远未达到量产阶段。市场上并没有

真正量产的全固态锂电池，就连采

用固液混合电解质的半固态电池，

大多也都还躺在实验室里。

回到前面，蔚来那块固态电池

是怎么回事呢？那块电池关联了三

个关键词：无机预锂化工艺的硅碳

负极，配合纳米级包覆工艺的超高

镍正极，原位固化固液电解质。我

们不用管它的正负极材质，只解读

一下它对电解质的描述。原位固化

的本意是将聚合物单体通过光、热

等引发实现聚合，原位形成固体聚

合物电解质，但这种电解质性能非

常差，蔚来没理由在这上面纠缠。

不过具体怎么原位固化他们也没

说，但这句话的核心在于“固液电

解质”，也就是说它仍然是同时含有

固态和液态电解质的锂电池。

由此我们可以了解到，蔚来汽

车所研发的这块150kWh固态电池，

实际上还只能算是半固态电池，蔚

来没有提到电解液的注液量，也没

敢公布价格。至于2022年能否顺利

交付，也没人知道。这块电池表面上

看是技术革命，但实际上核心技术

并没有变更，什么纳米、原位固化这

些名词，不过是营销术语而已。不过

技术总需要创新，我们也期待真正

的固态电池早日到来。

不要高兴太早

鉴于固态电池的各种难题，很

多电池企业开始转变思路，并不是

锂枝晶是电池行业的噩梦

几乎没有逃生时间。

采用传统锂电池的汽车从开始冒烟到整车爆燃不超过10秒，

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