2021 年 1 月，蔚來宣稱將于 2022 年第四季度交付裝配固態(tài)電池的新款汽車車型，能量密度超過 360 Wh/Kg，續(xù)航里程超過 1000 公里。這是業(yè)內(nèi)首次有整車企宣布將量產(chǎn)搭載固態(tài)電池的車型，隨后市場對于固態(tài)電池的關(guān)注度明顯升高。
業(yè)界對于固態(tài)電池技術(shù)的探索已經(jīng)持續(xù)多年，目前普遍觀點認為固態(tài)電池技術(shù)成熟周期仍有 5 - 10 年之久（技術(shù)成熟、成本下降、供應(yīng)鏈重塑、裝車驗證）。2021 年 4 月，國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)寧德時代董事長曾毓群在接受對話訪談中公開表示，“ 3 - 5 年內(nèi)能做到上車的，都不是全固態(tài)電池”。
在學(xué)術(shù)界，從不同層面提升固態(tài)電池穩(wěn)定性的材料和方法近些年來成為大量科研工作者的關(guān)注焦點。同時，工業(yè)界也涌現(xiàn)出一批致力于推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的中堅力量。固態(tài)電池出現(xiàn)和發(fā)展的驅(qū)動力是什么？主流的技術(shù)路徑包括哪些方面？產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展態(tài)勢是怎樣的？本文嘗試從科研與產(chǎn)業(yè)雙重角度，為讀者重點梳理固態(tài)電池的技術(shù)探索前沿以及產(chǎn)業(yè)化推動力量，并對短期內(nèi)固態(tài)電池發(fā)展趨勢做展望。
固態(tài)電池發(fā)展的驅(qū)動力
新能源汽車的普及是遠期實現(xiàn)碳中和目標的關(guān)鍵一環(huán)。過去幾年尤其是 2019 - 2020 年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式增長，以特斯拉、比亞迪、造車新勢力為代表的電動車整車企業(yè)無論是在整車交付還是在資本市場表現(xiàn)都非常優(yōu)異。動力電池作為新能源汽車中的核心零部件自然也備受關(guān)注，新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的爆發(fā)也帶動其上游的鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)鏈迎來強勁增長。
鋰離子動力電池的能量密度伴隨著全產(chǎn)業(yè)鏈的爆發(fā)式增長而不斷上升，這得益于電池材料以及制造工藝等多方面的改進。材料方面，三元材料/磷酸鐵鋰正極+石墨類負極是當下動力電池主流采用材料；制造工藝方面，以寧德時代“ CTP ”技術(shù)和比亞迪“刀片電池”技術(shù)為代表的先進生產(chǎn)工藝也在提升著動力電池的能量密度。目前鋰離子動力電池的能量密度上限大約是 300 - 350 Wh/Kg。
持續(xù)推動動力電池能量密度提升是解決新能源汽車里程焦慮的關(guān)鍵，也是當下和未來一段時間繞不開的主題。根據(jù)十四五動力電池技術(shù)路線圖（《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》）的規(guī)劃，到 2025 、2030、2035 年這三個關(guān)鍵時間節(jié)點時，高能量密度電池的目標分別將達到 350 、400 、500 Wh/Kg。
對固態(tài)電池的需求一方面來自對動力電池體系更高能量密度的追求。鋰離子動力電池的能量密度上限是受當前主流的石墨負極和或?qū)⒊蔀橹髁鞯墓杼钾摌O決定的，如果想要達到更高的能量密度，例如 350 Wh/Kg以上，甚至達到 500 Wh/Kg，則依賴以金屬鋰為代表的新一代負極材料。
金屬鋰具有超高的比容量（3,860 mAh/g）和最低的氧化還原電勢（-3.040 V vs. 標準氫電極），因此在未來高能量密度儲能體系（如全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰氧電池）中均必不可少。因此固態(tài)電池的終極目標也是圍繞金屬鋰負極打造可產(chǎn)業(yè)化的電化學(xué)體系。
圖1｜采用不同材料得到的理論能量密度上限，金屬鋰負極可以做到 350 - 500 Wh/Kg（圖片來源：Battery ShowCase, QuantumScape, 2020.12）
另一方面，固態(tài)電池也有望改善動力電池的安全性和延長其使用壽命。目前商用化的鋰離子動力電池均采用有機電解液，其優(yōu)點是與電極材料浸潤性好，從而能夠保證電極材料的充分利用，且能夠在室溫環(huán)境下保持較高的離子電導(dǎo)率。但同時，有機電解液揮發(fā)性高、易泄露、易燃，存在安全隱患，例如最近兩年電動汽車自燃新聞屢屢引發(fā)社會關(guān)注。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)（solid-state electrolyte）替代液態(tài)鋰離子電池中的電解液和隔膜，安全性能將得到改善，并且有望提升電池的單體能量密度和延長電池使用壽命。
固態(tài)電池研發(fā)面臨的主要痛點
目前動力電池主流是鋰離子電池，其核心組成包括 4 個部分：正極、負極、隔膜、電解液。在充電時，正極的含鋰化合物（如磷酸鐵鋰、鎳鈷錳或鎳鈷鋁三元材料）有鋰離子脫出，在電解液中穿過隔膜移動到負極，負極的碳材料（如石墨、硅碳負極）呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，到達負極的鋰離子嵌入到微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。反之，鋰離子從負極移動回正極就完成了一次放電過程。
在鋰離子電池首次充放電過程中，負極材料與電解液在固液相界面上會發(fā)生反應(yīng)，在負極材料的表面沉積一層厚度約幾十納米的鈍化膜，這層膜被稱為固體電解質(zhì)界面膜（solid electrolyte interface，SEI 膜），鋰離子可以穿過 SEI 膜自由的在負極嵌入和脫出，但電解液中的有機溶劑分子不能通過，因此 SEI 膜的存在雖然會消耗一部分鋰，但也會對負極起到保護作用，從而提升電池的循環(huán)性能和使用壽命。
然而在電池長期循環(huán)充放電的過程中，當負極材料和 SEI 膜表面變得不平整，或當進行過充電、使用大電流充電時，負極表面會出現(xiàn)析鋰效應(yīng)（Li plating），生長出鋰枝晶（Li dendrite）。
鋰枝晶不斷形成與斷裂，一方面會在斷裂后變成“死鋰”不再繼續(xù)貢獻容量，另一方面可能會持續(xù)生長甚至刺穿隔膜造成電池短路甚至引起爆炸。同時，鋰枝晶的形成還破壞了脆弱的SEI膜，增加了負極與電解液接觸的表面積，導(dǎo)致新暴露的鋰繼續(xù)與電解液發(fā)生反應(yīng)，進一步降低電池的庫倫效率（充電效率），并縮短電池的循環(huán)壽命。
圖2｜金屬鋰負極令人困擾的鋰枝晶問題（圖片來源：Liu et al., Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries, Nature Energy, 2019）
早在鋰離子電池實現(xiàn)商用化之前，Stanley Wittingham（因鋰離子電池研發(fā)突出貢獻獲得 2019 年諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家之一）在 1970 年代首次提出可充電鋰電池概念時，就嘗試采用金屬鋰作為負極。然而鋰枝晶問題在當時一直得不到解決，直到后來科學(xué)家放棄金屬鋰轉(zhuǎn)而采用石墨類電極，才實現(xiàn)了鋰離子電池邁向商業(yè)化的關(guān)鍵突破。
時至今日，經(jīng)過學(xué)術(shù)界對鋰離子電池和固態(tài)電池材料體系和研究方法的多年探索，金屬鋰負極有望得到“復(fù)興”，這是實現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)品化的關(guān)鍵前提?；诮陙碓谠擃I(lǐng)域取得的進展，《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）也將“鋰金屬電池”列為 2021 年十大突破性技術(shù)（10 Breakthrough Technologies）。
固態(tài)電池研發(fā)的主要技術(shù)路徑
2017 年，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系崔屹教授團隊在 Nature Nanotechnology 期刊發(fā)表綜述論文（Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries），總結(jié)了學(xué)術(shù)界為提升金屬鋰作為負極材料的穩(wěn)定性做出的努力和貢獻。我們將其整理成以下 4 個層面：
電解液層面，進行電解液化學(xué)成分調(diào)控，例如增加鋰鹽溶劑濃度、設(shè)計新型電解液體系、改進電解液添加劑等，目的是為了實現(xiàn)鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶形成；
電極-電解質(zhì)界面層面，優(yōu)化 SEI 膜的穩(wěn)定性，例如設(shè)計人工 SEI 膜、在納米尺度上強化自然形成的 SEI 膜、或者使用 3D 銅集流體調(diào)節(jié)鋰的沉積行為使鋰沉積更均勻；
負極材料和結(jié)構(gòu)層面，使用復(fù)合型穩(wěn)定材料或者三維骨架結(jié)構(gòu)減小充放電過程中負極的體積變化，但這方面的研究才剛開始。我們后文中介紹的三星電子設(shè)計采用 Ag-C 復(fù)合材料作為新型電池體系的負極就是這個層面的創(chuàng)新代表案例；
固體電解質(zhì)層面，采用固態(tài)電解質(zhì)替換有機電解液，包括無機固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及無機/聚合物混合固態(tài)電解質(zhì)，固體電解質(zhì)體系也正在從單一組分走向多元復(fù)合。
圖3｜提升金屬鋰負極穩(wěn)定性的主要技術(shù)路徑/研究手段（圖片來源：Zhang et al., Towards practical lithium-metal anodes, Chemical Society Reviews, 2020）
其中，固態(tài)電解質(zhì)是目前國際上固態(tài)鋰電池專利申請量最多的技術(shù)領(lǐng)域，也是固態(tài)電池研發(fā)的核心。理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)具備以下性能：高彈性模量以防止被鋰枝晶穿透，常溫下鋰離子電導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性高不與正極或負極材料發(fā)生反應(yīng)，電化學(xué)窗口寬，界面阻抗低，界面接觸良好等。
圖4｜理想的固態(tài)電解質(zhì)性能（圖片來源：Fan et al., Recent Progress of the Solid-State Electrolytes for High-Energy Metal-Based Batteries, Advanced Energy Materials, 2018)
整體上，固態(tài)電解質(zhì)可以分為陶瓷（無機）固態(tài)電解質(zhì)和聚合物（有機）固態(tài)電解質(zhì)兩大類，前者又可進一步細分為氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等，目前研究較為深入且更有潛力的是氧化物和硫化物兩類。氧化物中根據(jù)晶型可以分為鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON 型、LISICON 型，石榴石型和 NASICON 型綜合來看是氧化物類中相對更有潛力的材料。
不同材料的性能差異巨大。聚合物固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率低、彈性模量低，沒辦法有效的阻擋鋰枝晶生長，但其界面接觸比無機固態(tài)電解質(zhì)更好，柔性易加工。陶瓷固態(tài)電解質(zhì)相比于聚合物固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電導(dǎo)率較高、彈性模量高，但陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的缺點是界面接觸差且會因此導(dǎo)致界面阻抗高；具體來看，硫化物類固態(tài)電解質(zhì)鋰鍺磷硫（LGPS）的鋰離子電導(dǎo)率接近液態(tài)電解質(zhì)，但對空氣極為敏感；NASICON 型氧化物雖然離子電導(dǎo)率不高，對金屬鋰也不穩(wěn)定，但是可以耐受水的侵蝕；石榴石型氧化物固態(tài)電解質(zhì)鋰鑭鋯氧（LLZO）在空氣中相對穩(wěn)定，離子電導(dǎo)率介于硫化物和聚合物之間，對金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定，但界面問題是挑戰(zhàn)。
我們舉石榴石型氧化物鋰鑭鋯氧（LLZO）為例。2019 年，南策文院士團隊在 Joule 期刊發(fā)表論文論述了 LLZO 的潛力，他們認為 LLZO 在以上四種典型固態(tài)電解質(zhì)中綜合性能是最優(yōu)的，最具應(yīng)用前景。南策文院士接受 Cell Press 專訪時解釋了 LLZO 現(xiàn)實應(yīng)用的相對優(yōu)勢，具體包括：
1）LLZO 離子電導(dǎo)率以及可達到的面電阻可以滿足應(yīng)用的需求；2）LLZO 粉體材料可以在大氣環(huán)境下實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；3）LLZO 在化學(xué)上對鋰金屬穩(wěn)定，為鋰金屬負極的使用提供了可能，LLZO 的電化學(xué)窗口寬，可以和高電壓正極相匹配，這些都為高能量密度固態(tài)電池的實現(xiàn)提供了材料基礎(chǔ)；4）近幾年來，越來越多的研究人員關(guān)注LLZO的研發(fā)，澄清了很多制約 LLZO 應(yīng)用的瓶頸問題的關(guān)鍵機理，并給出了切實可行的解決方案。不過界面問題的挑戰(zhàn)依然艱巨，南策文院士也表示 LLZO 固態(tài)鋰電池投入實際應(yīng)用還需 5 - 10 年。
圖5｜4 種典型固態(tài)電解質(zhì)性能對比（圖片來源：Zhao et al., Solid Garnet Batteries, Joule, 2019)
如何平衡離子電導(dǎo)率、彈性模量以及界面接觸和界面阻抗之間的兩難問題，還需要做大量的工作。其中一個很好的策略是將陶瓷和聚合物兩種固態(tài)電解質(zhì)進行結(jié)合，例如將陶瓷和聚合物組合成三明治結(jié)構(gòu)，或者將二者編織成三維納米導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。這個方向值得我們持續(xù)關(guān)注。
圖6｜兩種將陶瓷和聚合物固態(tài)電解質(zhì)進行組合的示意圖（圖片來源：Lin et al., Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries, Nature Nanotechnology, 2017）
除了電池材料領(lǐng)域追求不斷的創(chuàng)新，固態(tài)電池的生產(chǎn)制造工藝同樣需要投入大量的工作。因為金屬鋰負極和固態(tài)電解質(zhì)的存在，固態(tài)電池與鋰離子電池的生產(chǎn)制造流程差異非常大。固態(tài)電池順利實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提是技術(shù)成熟和成本可控，如何在未來將固態(tài)電池的生產(chǎn)成本控制在可行的范圍內(nèi)，前方依然有很長的路程需要探索。
圖7｜基于硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池生產(chǎn)制造流程對比（圖片來源：Schnell et al., All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries – paving the way to large-scale production, Journal of Power Souces, 2018）
推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的核心力量
近幾年，專業(yè)從事固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)尤其是創(chuàng)業(yè)企業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量，海內(nèi)外整車廠積極擁抱和參與。在國內(nèi)，清陶發(fā)展獲得了來自北汽、上汽、廣汽的多輪產(chǎn)業(yè)投資，除此之外還與合眾達成合作關(guān)系；輝能科技獲得了一汽的產(chǎn)業(yè)投資，同時蔚來、天際等與其就固態(tài)電池研發(fā)展開合作；在國外，固態(tài)電池全球第一股 QuantumScape 獲得了大眾、上汽的投資；Solid Power 獲得了三星、現(xiàn)代、福特的投資，并與寶馬、福特達成深度合作伙伴關(guān)系；Ionic Material 獲得了雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟的投資。
另一方面，車企、動力電池巨頭和鋰資源巨頭也積極布局固態(tài)電池。豐田自身在固態(tài)電池領(lǐng)域深耕多年，同時近年來也宣布與松下展開合作；三星近期采用新型負極材料體系在固態(tài)電池領(lǐng)域取得重大突破；寧德時代在固態(tài)電池專利方面持續(xù)積累勢能；贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所合作，成立浙江鋒鋰；天齊鋰業(yè)通過投資衛(wèi)藍新能源進入固態(tài)電池領(lǐng)域。
本文中我們對有一定產(chǎn)品和技術(shù)進展披露的固態(tài)電池研發(fā)商進行重點復(fù)盤，為讀者梳理推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的核心力量（未全部覆蓋）。
我們注意到一個很有意思的現(xiàn)象，日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，而中國企業(yè)多采用氧化物為主，歐美企業(yè)在聚合物、氧化物、硫化物路徑選擇上相對更均衡。豐田、三星在硫化物領(lǐng)域積累深厚，壓重注打造全固態(tài)電池；而中國和歐美企業(yè)則更有可能采取從固液混合/半固態(tài)電池到全固態(tài)電池過渡的形式分步實現(xiàn)。
以下，清陶發(fā)展、衛(wèi)藍新能源、輝能科技、QuantumScape 等主要采取氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線；豐田、三星電子、Solid Power 等主要采取硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線。
圖8｜固態(tài)電池全景圖（圖片來源：Solid-state battery landscape, QuantumScape, 2021.03）
清陶發(fā)展
清陶發(fā)展 2014 年成立，由中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院院長清南策文創(chuàng)辦。北汽、上汽、廣汽分別領(lǐng)投了清陶 E 輪、 E+ 輪、 E++ 輪融資，2021 年 3 月，清陶完成了上?？苿?chuàng)基金領(lǐng)投的 F 輪融資，公司估值已超 100 億人民幣。根據(jù)清陶披露，公司現(xiàn)已建成“新能源材料—固態(tài)鋰電池—自動化裝備—鋰電池資源綜合利用—科研成果孵化—產(chǎn)業(yè)投資”的完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。
技術(shù)路線方面，根據(jù)官網(wǎng)披露，清陶主要采用納米級鋰鑭鈦氧（LLTO）、鋰鑭鋯氧（LLZO）作為固態(tài)電解質(zhì)材料。產(chǎn)能方面，2018 年清陶建成國內(nèi)首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線，產(chǎn)能規(guī)模 0.1 GWh，產(chǎn)品在特種安全領(lǐng)域開展應(yīng)用。2020 年 7 月，清陶在江西省宜春市建成投產(chǎn)首期年產(chǎn) 1 GWh 固態(tài)鋰電池項目，投資 5.5 億元，并計劃二期新增產(chǎn)能 9 GWh，投資 49.5 億元。
清陶開發(fā)的第一代量產(chǎn)型動力固態(tài)鋰電池產(chǎn)品于 2019 年通過國家機動車產(chǎn)品強檢，并與北汽、上汽、廣汽、合眾等多家整車廠就上車開展合作溝通。合眾、北汽也分別在 2020 年 7 月展示了搭載清陶固態(tài)電池系統(tǒng)的哪吒 U、北汽藍谷固態(tài)電池版純電動樣車。
衛(wèi)藍新能源
衛(wèi)藍新能源依托于中科院物理所于 2016 年成立，是物理所清潔能源實驗室固態(tài)電池技術(shù)的唯一產(chǎn)業(yè)化平臺。創(chuàng)始團隊包括中國工程院院士、中科院物理所研究員陳立泉，北汽新能源前總工程師俞會根，中科院物理所研究員李泓。衛(wèi)藍目前已經(jīng)獲得中科院物理所和中科院科技成果轉(zhuǎn)化基金的投資，以及天齊鋰業(yè)、三峽資本的產(chǎn)業(yè)投資。
衛(wèi)藍新能源采用氧化物固態(tài)電池路線，根據(jù)公開信息，目前公司完成了 300 Wh/kg 以上高鎳三元正極的混合固態(tài)電池設(shè)計開發(fā)，已經(jīng)給多家國際國內(nèi)整車廠送樣測試，成功通過針刺、擠壓、過充、短路等濫用試驗，循環(huán)壽命達到 1200 次以上。
輝能科技
輝能科技（ProLogium）的固態(tài)電池于 2017 年量產(chǎn)，主要應(yīng)用于消費電子和可穿戴電子產(chǎn)品市場，之后，輝能正式進軍電動汽車市場。2020 年，輝能完成了中銀投資、一汽的 1 億美元 D 輪融資。根據(jù)輝能公開披露消息，目前已經(jīng)有 6 家整車廠與輝能簽署了框架協(xié)議，其中就包括一汽。
輝能的固態(tài)電池技術(shù)路線是采用鋰陶瓷（Lithium-Ceramic）固態(tài)電解質(zhì)，同時也包括少于 10% 的液態(tài)電解質(zhì)，電極方面，2020 年以前輝能采用的是 LCO（鈷酸鋰）+石墨負極的配方，從 2020 年開始調(diào)整為高鎳三元正極+硅氧負極，這樣預(yù)期到 2025 年能夠達到接近 900 Wh/L 的體積能量密度，同時能夠保持良好的安全性。輝能也表示目前 330 Wh/kg、850 - 880 Wh/L 的能量密度在實驗室中已經(jīng)可以實現(xiàn)，但因為成本的因素目前還不能量產(chǎn)。
產(chǎn)能方面，2020 年 7 月，輝能大陸區(qū)總部及全球產(chǎn)業(yè)基地項目落地杭州臨安區(qū)，并宣布分兩期建設(shè) 2G Wh、5G Wh 的固態(tài)鋰陶瓷電池芯產(chǎn)業(yè)化項目，并同時將考慮與車企合資建置產(chǎn)線，預(yù)計 2023 年四季度兩期產(chǎn)能全部建成。此前，輝能分別在桃園建設(shè)了 40M Wh、1G Wh 的 G1 和 G2 工廠產(chǎn)能。
圖9｜輝能科技（半）固態(tài)電池產(chǎn)品能量密度規(guī)劃路線圖（圖片來源：第一電動）
贛鋒鋰業(yè)
2017 年，贛鋒鋰業(yè)引入中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員許曉雄團隊，成立浙江鋒鋰新能源科技有限公司，切入固態(tài)電池研發(fā)。2021 年 4 月，贛鋒鋰業(yè)披露公司第一代固態(tài)電池做了中試線，設(shè)計產(chǎn)能為 0.3GWh，目前正在開發(fā)第二代基于高鎳三元正極、含金屬鋰負極的固態(tài)電池，能量密度超過 350Wh/Kg，循環(huán) 400 次。
豐田
豐田是全球最早進入固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)，可追隨到 2004 年，目前在固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)積累了超過 1000 項專利，遙遙領(lǐng)先于其他企業(yè)或組織。2019 年，豐田宣布與松下合作開發(fā)固態(tài)電池，并于當年展示了固態(tài)電池樣品。2020 年，豐田宣布將推出搭載硫化物固態(tài)電池的車型，最早可能于 2022 年實現(xiàn)量產(chǎn)。在今年舉辦的東京奧運會上豐田有可能展示其最新成果。
三星電子
2020 年 3 月，三星電子旗下 Samsung Advanced Institute of Technology（SAIT）在 Nature Energy 期刊發(fā)表固態(tài)電池研究進展論文，提出了一種以銀-碳復(fù)合薄層作為負極、以硫化物材料為固體電解質(zhì)，以高鎳三元材料為正極的新型電池材料體系，在無過量鋰添加的條件下，這種容量 0.6 Ah 的原型電池實現(xiàn)了超過 900 Wh/L 的體積能量密度，超過 99.8% 的庫倫效率，以及長達 1000 次的循環(huán)壽命。
在這種新型的電池材料體系中，銀-碳復(fù)合層作為負極或者說金屬鋰與固體電解質(zhì)之間的過渡層，對于循環(huán)充放電的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。單純使用碳或者銀都達不到二者協(xié)同的效果。在首次充電后，金屬鋰穿過銀-碳層沉積在負極，少量的鋰和銀結(jié)合成銀鋰合金，并分布于過渡層及鋰層內(nèi)，對鋰層的致密規(guī)整化有積極作用。放電后，鋰層完全消失，金屬鋰回歸正極。經(jīng)過多次循環(huán)后，銀在復(fù)合負極中的位置向負極集流體富集，電池的循環(huán)性能得到保持。
目前這種新型電池的室溫和低溫性能相比于傳統(tǒng)鋰離子電池仍有很大差距，且高昂的材料成本是規(guī)模化應(yīng)用的阻礙，后續(xù)仍需大量工作。
圖10｜三星電子設(shè)計的基于 Ag-C 復(fù)合負極材料的新型固態(tài)電池（圖片來源：Lee et al., High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes, Nature Energy, 2020）
QuantumScape
QuantumScape 是一家專門做金屬鋰固態(tài)電池的美國企業(yè)，2010 年公司從斯坦福大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化而來，創(chuàng)始人包括 Jagdeep Singh、斯坦福大學(xué)教授 Fritz Prinz、斯坦福大學(xué)研究員 Tim Holme。該公司于 2020 年 12 月在紐約證券交易所上市，成為全球固態(tài)電池行業(yè)第一股。
QuantumScape 目前擁有固態(tài)電池相關(guān)專利技術(shù) 200+，超過 250 名員工，總?cè)谫Y額超過了 15 億美金。大眾集團在 2018 年、2020 年分別向其投資 1 億和 2 億美金，并與其成立合資公司。該公司其他知名投資人還包括比爾·蓋茨、大陸集團、Breakthrough Energy Ventures、上汽集團、Lightspeed、Khosla Ventures、KPCB等等。
QuantumScape 開發(fā)的是基于 100 % 固態(tài)陶瓷電解質(zhì)（solid-state ceramic separator）的鋰金屬固態(tài)電池。QuantumScape 公開披露的測試數(shù)據(jù)表明該電池：1）可支持快充，15 分鐘可以充滿 80 %；2）具有良好的循環(huán)壽命，單層電池循環(huán) 1000 次依然能夠保持 80 %以上的容量，多層電池可循環(huán) 800 次并保持約 80 %容量；3）在零下 30 攝氏度的低溫環(huán)境中也能保持一定運行狀態(tài)。
目前 QuantumScape 給出的相關(guān)數(shù)據(jù)還是基于電池片原型，并非電芯 cell，距離裝車還有較遠的距離，根據(jù)公司的量產(chǎn)規(guī)劃，預(yù)計最早實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)裝車是在 2026 年前后。
根據(jù)中金公司的解讀，QuantumScape 的固態(tài)電池技術(shù)路線極有可能是氧化物體系下的石榴石狀復(fù)合氧化物固態(tài)電池，電解質(zhì)體系為鋰鑭鋯氧（LLZO）。這種材料是固態(tài)電解質(zhì)中對金屬鋰負極適配性較優(yōu)的體系，可以做成隔膜產(chǎn)品，但同時也有高界面阻抗等缺點，且制造工藝復(fù)雜。因此，鋰鑭鋯氧電池單體從理論性能上具備一定的實用性，但距離量產(chǎn)還有很長的距離。
圖11｜QuantumScape發(fā)展里程碑（圖片來源：Analyst Day, QuantumScape, 2020.10）
圖12｜QuantumScape生產(chǎn)的基于陶瓷材料的固態(tài)隔膜與單層電池片示意圖（圖片來源：Battery Showcase, QuantumScape, 2020.12）
圖13｜QuantumScape量產(chǎn)規(guī)劃：大規(guī)模量產(chǎn)裝車最早可能在2026年（圖片來源：Analyst Day, QuantumScape, 2020.10）
Solid Power
Solid Power 于 2012 年成立于美國科羅拉多州，從科羅拉多大學(xué) Boulder 分校衍生出來，主要生產(chǎn)基于硫化物固體電解質(zhì)的全固態(tài)電池。Solid Power 就全固態(tài)電池開發(fā)與寶馬、福特開啟了深度合作伙伴關(guān)系。同時該公司還獲得了來自三星、現(xiàn)代、福特、Volta Energy Technologies、Solvay 等產(chǎn)業(yè)方的投資。目前公司在科羅拉多州路易維爾市擁有 MWh 產(chǎn)能的電池生產(chǎn)線。
2020 年 12 月，Solid Power 披露了該公司研發(fā)的 22 層 20 Ah、能量密度達到330 Wh/Kg 的全固態(tài)金屬鋰電池進入量產(chǎn)。按照規(guī)劃，2022 年能量密度將提升到400 Wh/Kg。根據(jù)最新的測試數(shù)據(jù)，Solid Power 的 2 層原型電池在室溫下（29 攝氏度）可循環(huán)超 250 次，10 層 2 Ah 原型電池在室溫下可循環(huán)超 30 次。
Solid Power 宣稱其研發(fā)的全固態(tài)金屬鋰電池可以利用現(xiàn)有的鋰離子電池產(chǎn)能進行生產(chǎn)制造，時間規(guī)劃上，最早將于 2022 年進行上車測試，搭載其固態(tài)電池的量產(chǎn)車型最早可能在 2025 年開始生產(chǎn)。
圖14｜Solid Power最新固態(tài)電池發(fā)布（圖片來源：Solid Power Company Update）
圖15｜Solid Power固態(tài)電池測試數(shù)據(jù)（圖片來源：Solid Power Company Update）
展望固態(tài)電池的未來
回顧可充電鋰離子電池的發(fā)展簡史，從 Stanley Wittingham 在 1970 年代首次提出可充電鋰電池概念，并采用金屬鋰作為負極、層狀硫化物（二硫化鈦）作為正極，到 John Goodenough 在 1970 年代末 1980 年代初改進正極材料為層狀氧化物（鈷酸鋰）、吉野彰 1980 年代開創(chuàng)可嵌入鋰離子的富碳材料作為負極，再到 1991 年索尼公司發(fā)布首個商用可充電鋰離子電池，鋰離子電池的研發(fā)跨度橫跨幾十年，且在此之后在科研和工業(yè)界的聯(lián)合推動下仍不斷迭代，直到我們今天熟悉的現(xiàn)狀。
圖16｜早期鋰離子電池研發(fā)里程碑（圖片來源：Xie & Lu, A retrospective on lithium-ion batteries, Nature Communications, 2020）
固態(tài)電池的出現(xiàn)是鋰離子電池研發(fā)的延續(xù)，從鋰離子電池的研發(fā)簡史可以推斷，固態(tài)電池的研發(fā)也將經(jīng)歷以十年為單位的技術(shù)探索、試錯、迭代、優(yōu)化，這不是一件一蹴而就的易事。鋰離子電池的研發(fā)成功集成了全世界幾代頂級科學(xué)家的成果，又因為消費電子、電動汽車、儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。固態(tài)電池也必定離不開全世界科研與工業(yè)界的相互融合，迎著碳中和時代的新需求，共同向前人的成果發(fā)起挑戰(zhàn)。
目前看來，從鋰離子液態(tài)電池向全固態(tài)電池的過渡依賴技術(shù)的迭代，中間將會出現(xiàn)半固態(tài)或混合固態(tài)電池，液態(tài)電解質(zhì)可能將作為固態(tài)電解質(zhì)的補充而非直接被全部替代，穩(wěn)定的復(fù)合材料而非金屬鋰作為負極短期內(nèi)可能更為現(xiàn)實。固態(tài)電池應(yīng)用領(lǐng)域的滲透有可能依次遵循特種設(shè)備、消費鋰電、動力鋰電的路徑。
固態(tài)電池不同的研發(fā)技術(shù)路線還沒有明顯的勝負之分，在一段時間內(nèi)，采取不同技術(shù)路線的固態(tài)電池研發(fā)都將持續(xù)（例如不管是采用哪種材料體系的固體電解質(zhì)），并都有機會成為下一代電池技術(shù)的核心。
當下，液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)依然保有極其旺盛的生命力，到 2025 年前，液態(tài)鋰離子電池仍是市場主角?？赡茏钤缭?2023 年前后，半固態(tài)電池將逐漸進入市場，且因為量產(chǎn)有限成本高企僅在對能量密度要求較高的高端車型上出現(xiàn)，之后的 5-7 年時間是半固態(tài)電池向全固態(tài)電池進化的關(guān)鍵期，2030 年前后全固態(tài)電池可能將較為普及（這里具體時間不是絕對的，或許隨著技術(shù)的爆發(fā)成熟期更早到來，僅供參考）。
2030 年及之后，全固態(tài)電池可能將極大程度消解消費者對新能源汽車的里程焦慮問題。且隨著充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的普及，純電動汽車相比于燃油車和混合動力車型也將更有競爭力，并有可能在此基礎(chǔ)上走向純電動汽車對燃油汽車的完全替代。這是人類全面邁向碳中和時代的關(guān)鍵一步。
特別致謝
感謝吳凡老師對本文的技術(shù)指導(dǎo)意見。吳凡老師現(xiàn)任中國科學(xué)院物理研究所特聘研究員、博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院物理研究所長三角研究中心科學(xué)家工作室主任，天目湖先進儲能技術(shù)研究院首席科學(xué)家。他的主要研究方向為全固態(tài)電池及固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。
關(guān)于絡(luò)繹知圖
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