解讀固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展最新現(xiàn)狀

電池技術(shù)一直以來都是當(dāng)下很多消費(fèi)品進(jìn)行下一步迭代的關(guān)鍵，它直接掐住了產(chǎn)品在續(xù)航以及便攜能力上的脈門，它任何一小步的推進(jìn)，都是消費(fèi)產(chǎn)品一大步的提升。

當(dāng)然其對于汽車而言也是無比關(guān)鍵的，在向電氣化轉(zhuǎn)型的過程中，新能源汽車的動力電池能否得到質(zhì)變提升，將直接影響汽車在下一個十年的發(fā)展節(jié)奏。

此前，豐田官方就曾提到過在所有新形態(tài)的電池技術(shù)中，固態(tài)電池是被認(rèn)為是最接近量產(chǎn)化的產(chǎn)品，其高能量密度、高電壓甚至可彎曲的特性，相比傳統(tǒng)動力電池實(shí)現(xiàn)跨步。那時至今日，固態(tài)電池究竟發(fā)展到了什么地步，它距離量產(chǎn)狀態(tài)還有多遠(yuǎn)？本文我們將分多個方面和您分享一些信息。

● 固態(tài)電池的技術(shù)路線

固態(tài)電池目前擁有很多的技術(shù)體系，包括硫化物、氧化物、薄膜以及固態(tài)聚合物。在早期固態(tài)電池技術(shù)的推進(jìn)中，薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)是主要的走向，在過去幾年中，博世以及戴森等公司都在不斷加大在這兩項(xiàng)固態(tài)電池技術(shù)上的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來實(shí)現(xiàn)在電池技術(shù)上的追趕。

但薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)有“高成本”和“低導(dǎo)電率”兩個致命問題，例如薄膜技術(shù)無法在室溫（25°左右）條件下實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電率，所以需要不斷的去加熱并維持在60°才能保證擁有高效的導(dǎo)電率。所以在很多早期的固態(tài)電池試產(chǎn)車上，電池因?yàn)橐蕾嚥粩嗉訜幔斐勺晕译娏繐p耗，其實(shí)本身也無法發(fā)揮出其它的優(yōu)勢。

而豐田一直是專注于硫化物固態(tài)電池技術(shù)的開發(fā)，但硫化物本身活性很高，在生產(chǎn)和使用中一旦與水接觸，就會產(chǎn)生硫化氫。硫化氫為易燃?；?，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。

所以硫化物固態(tài)電池技術(shù)路線雖然在生產(chǎn)成本上要相比薄膜技術(shù)更低一些，但如果保證從制造端到應(yīng)用端足夠高的安全性是更高的門檻，其實(shí)也屬于從另外一個角度增加了開發(fā)成本。

最后一個氧化物技術(shù)路線也有自己的缺點(diǎn)，氧化物本身很穩(wěn)定導(dǎo)致“脆性”很高，對生產(chǎn)的要求也就更高，同時導(dǎo)電性也并不具備優(yōu)勢，但從廣義上講，相比于其它三條路線，克服生產(chǎn)難度要比克服成本和安全性要更簡單一些，所以我們這期文章里也是通過采訪了一家目前已經(jīng)接近市場化的固態(tài)電池技術(shù)商，來了解陶瓷氧化物固態(tài)電池的一些技術(shù)優(yōu)勢和與傳統(tǒng)動力電池的差異。

其是一家專門研發(fā)鋰電池技術(shù)的供應(yīng)商，自2006年創(chuàng)辦后，用了8年的時間攻克了陶瓷氧化物技術(shù)，同時固態(tài)電池技術(shù)也是目前該公司最核心的研發(fā)項(xiàng)目，該技術(shù)全稱為：LCB固態(tài)鋰陶瓷電池，其技術(shù)特點(diǎn)是：高能量密度以及高電壓，針對目前純電動汽車的發(fā)展應(yīng)用，這兩大特性無疑是非常關(guān)鍵的。

● 能量密度是先天優(yōu)勢，那高電壓如何實(shí)現(xiàn)？

傳統(tǒng)動力電池由于單體電池內(nèi)部使用液態(tài)電解液，并且承載電壓超過5V后可能會出現(xiàn)易分解甚至爆炸的情況，所以只能實(shí)現(xiàn)外部串聯(lián)而無法進(jìn)行內(nèi)部串聯(lián)。但固態(tài)電池就擁有這樣的先天優(yōu)勢。

固態(tài)鋰陶瓷電池能夠在電池內(nèi)部就首先形成串聯(lián)，使單顆電池芯的額定電壓可從7.4V，最大串聯(lián)疊加至高達(dá)60V，在單體電池電壓上就要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)動力電池。

在實(shí)現(xiàn)內(nèi)部串聯(lián)的高電壓支持后，固態(tài)電池也能夠?qū)崿F(xiàn)雙極電池技術(shù)，這同樣也是傳統(tǒng)動力電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單體電池在堆疊串聯(lián)后加入上下兩層導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)雙向正負(fù)極的連接，然后再次與橫向的另外一個電池包進(jìn)行串聯(lián)，最高可以實(shí)現(xiàn)4×6達(dá)到24個單體電池雙向正負(fù)極對接的串聯(lián)技術(shù)，電壓也將由此再次疊加提高，組成一個完整的單體電池組。

最終6片24個串聯(lián)的電池組疊加后，加入鋁外殼包裝，形成一個單體的固態(tài)電池包（Cell），容量能夠達(dá)到20kWh以上，其單個固態(tài)電池組系統(tǒng)能量密度能夠達(dá)到255Wh/kg，而2020年這一數(shù)據(jù)會提高到270Wh/kg，這個系統(tǒng)能量密度是什么概念？可以對比一下2018年中國新能源車輛補(bǔ)貼政策。

『目前國內(nèi)電動車動力電池系統(tǒng)能量密度還維持在140wh/kg左右』

理論上，在密度和電壓雙增加的同時，BMS電控系統(tǒng)應(yīng)該更加復(fù)雜才對，但實(shí)際上固態(tài)電池在管理系統(tǒng)上也被得到了簡化，這再一次為最終封包整組的電池降低了重量和體積，這也是系統(tǒng)能量密度更高的原因之一。

● 密度和電壓雙增加，散熱如何解決？

在散熱方面，固態(tài)電池也具備先天的優(yōu)勢，整個電池組從滿電到放電結(jié)束，電池溫度會維持在26°以內(nèi)，而目前的圓柱形電池整個放電過程結(jié)束后，溫度會在40°以上。雖然固態(tài)電池技術(shù)目前與圓柱形電池一樣，同樣采用水冷，但因?yàn)楸旧矸烹姕囟瓤梢员３值母?，也讓散熱成為了其另外一大?yōu)勢。

而基于固態(tài)電池本身放電溫度低的特性，在散熱方式上也能夠進(jìn)行更多優(yōu)化。例如在電池與電池組中間加入散熱膠，然后熱量會通過散熱膠導(dǎo)向電池包兩側(cè)的水流散熱器上，進(jìn)一步減少水流散熱的體積和重量。

固態(tài)電池技術(shù)提供商也表示，這種前沿的電池技術(shù)相比于傳統(tǒng)動力電池，密度提升優(yōu)勢是很核心的一方面。在固態(tài)電池本身擁有密度優(yōu)勢的前提下，也仍然要通過其它手段繼續(xù)優(yōu)化整組的密度疊加。所以針對整個電池組內(nèi)，盡可能減少其它線材或者散熱系統(tǒng)的空間及重量占用，讓電池組擁有最大化的整體密度提升。

冷卻系統(tǒng)以及BMS電池控制系統(tǒng)其實(shí)目前在圓柱電池組中有不小的空間占用，曾經(jīng)關(guān)于這個問題也有人討論過方形電池組是否要比圓柱電池組擁有更好的密度優(yōu)勢，原因就是方形電池組的散熱布局占用更小，當(dāng)然液態(tài)電池也有同樣的優(yōu)勢。

●固態(tài)電池的壽命和衰減有優(yōu)勢么？

在密度領(lǐng)先的優(yōu)勢下，在壽命和衰減方面是否也有優(yōu)勢呢？固態(tài)電池技術(shù)商也表示，其實(shí)與傳統(tǒng)動力電池相比，固態(tài)電池其實(shí)并不具備明顯的壽命優(yōu)勢，這也是目前技術(shù)需要繼續(xù)攻克的方向，因?yàn)槿绻麩o法提高壽命和衰減能力，僅依靠能量密度優(yōu)勢，目前固態(tài)電池的成本仍然無法支持其大規(guī)模推廣量產(chǎn)。

關(guān)于固態(tài)電池優(yōu)化壽命的技術(shù)手段上，其將通過更加細(xì)小的電壓偵測線材來降低“偵測損耗”和提高“偵測精準(zhǔn)度”，帶來的收益就是讓電池的充放電效率更高，相比于傳統(tǒng)動力電池在電壓偵測上的損耗更小，變向提高了電池壽命。關(guān)于目前固態(tài)電池具體的壽命和衰減方面，技術(shù)商表示其完整充放電1000次后，電池還能保留88%的原始壽命。

●固態(tài)電池的充電效率有優(yōu)勢么？

固態(tài)電池的充電效率并不比當(dāng)前的鋰電池高太多，在同能量密度下，固態(tài)電池的充電時間也要在1小時左右，但當(dāng)前的鋰電池也具備同樣的充電效率。另外在電池壽命方面，固態(tài)電池在完整充放電500次之后還能保持84%的使用壽命，數(shù)據(jù)同樣與當(dāng)前的電池技術(shù)基本相符。但報告中也提到，在固態(tài)電池中電極吸收離子的效率更高，雖然目前的充電效率并不算理想，但仍具備開發(fā)空間。

總結(jié)

目前PLG公司的陶瓷固態(tài)電池技術(shù)處于小規(guī)模量產(chǎn)狀態(tài)，并且表示已經(jīng)和歐美、日本以及中國車企進(jìn)行了供應(yīng)方面的溝通，而基于該電池技術(shù)目前歐洲也有了四臺試產(chǎn)車，但官方表示不方便透露具體的汽車品牌。

目前其也正在建立固態(tài)電池Gigafactory工廠，預(yù)計(jì)將在2020年正式投產(chǎn)，這也是一個固態(tài)電池的量產(chǎn)信號。還有另外一條路線就是向其他電池廠商或者汽車制造商授權(quán)“固態(tài)電池技術(shù)IP”，作為技術(shù)供應(yīng)商的角色來推動固態(tài)電池的發(fā)展，而這個愿景的時間點(diǎn)會定在2022年。