量產在即 固態電池技術發展現狀解讀

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電池技術一直是許多消費產品下一次迭代的關鍵。它在電池壽命和便攜性方面直接抓住了產品的脈搏。任何一個小小的進步都是消費產品的一大進步。當然，對于汽車來說也是極其關鍵的。在向電氣化轉型的過程中，新能源汽車的動力電池能否得到質的提升，將直接影響未來十年汽車的發展節奏。

此前，豐田官方曾提到，在所有新形態的電池技術中，固態電池被認為是最接近量產的產品，其高能量密度、高電壓甚至柔性的特性，使其相比傳統動力電池大步向前。到目前為止，固態電池發展到了什么程度，距離量產還有多遠？本文將從多個方面與大家分享一些信息。

●固態電池技術路線

固態電池目前有許多技術系統，包括硫化物、氧化物、薄膜和固體聚合物。在早期固態電池技術的推廣中，薄膜和固態聚合物技術是主要趨勢。在過去的幾年里，博世和戴森公司一直在增加對這兩項固態電池技術的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來追趕電池技術。

然而，薄膜和固體聚合物技術存在“高成本”和“低電導率”兩個致命問題。比如薄膜技術在室溫下無法達到高電導率，需要不斷加熱并維持在60°才能保證高電導率。因此，在很多早期試產固態電池的車輛中，電池都是依靠持續加熱，導致自身功率損耗，但實際上，它們并不能發揮其他優勢。

豐田一直專注于硫化物固態電池技術的開發，但硫化物本身活性高，在生產和使用中一旦接觸到水，就會產生硫化氫。硫化氫是一種易燃的危險物質，與空氣體混合時會形成爆炸性混合物，暴露在明火和高熱下會引起燃燒和爆炸。因此，雖然硫化物固態電池技術路線的生產成本低于薄膜技術，但從制造端到應用端，保障安全的門檻更高，這實際上從另一個角度增加了開發成本。

最后一條氧化物技術路線也有自己的缺點。氧化物本身的穩定性導致高脆性，對生產的要求更高，并且在導電性方面沒有優勢。然而，與其他三條路線相比，廣義而言，克服生產難度比克服成本和安全性更容易。因此，在本期的文章中，我們還采訪了一家目前接近市場化的固態電池技術公司，了解陶瓷氧化物固態電池的一些技術優勢，以及與傳統動力電池相比的優勢。

在CES 2019上，我們參觀了專門從事鋰電池技術研發的供應商惠能科技公司。自2021年成立以來，用了8年時間攻克了陶瓷氧化物技術，固態電池技術也是公司目前的核心研發項目。這項技術被稱為LCB固態鋰陶瓷電池，其技術特點是:高能量密度、高電壓，針對目前純電動汽車。

●能量密度是與生俱來的優勢。高壓如何實現？

傳統動力電池只能實現外串聯，不能實現內串聯，因為單體電池內部使用的是液體電解質，負載電壓超過5V，容易分解甚至爆炸。但是固態電池有這樣的先天優勢。固態鋰陶瓷電池可以先在電池內部串聯，這樣單個電池單體的額定電壓最大串聯可以從7.4V疊加到60V，單個電池單體的電壓要比傳統動力電池高很多。

在內部串聯實現高電壓支持后，固態電池也可以實現雙極電池技術，這對于傳統動力電池來說也是不可能的。單體電池串聯疊放時，加入上下兩層導電材料實現雙向正負極連接，再與另一個電池組橫向再次串聯，最高可實現24節單體電池雙向正負極連接的4×6串聯技術，電壓也會再次疊加，形成完整的單體電池組。

最后將6個24個串聯的電池組疊裝在鋁殼中，形成單個固態電池組，容量可達20kWh以上，單個固態電池組系統能量密度可達255Wh/kg，2021年將增至270Wh/kg。這個系統能量密度的概念是什么？你可以對比一下2021年中國新能源汽車的補貼政策。

目前，國內電動汽車動力電池系統的能量密度仍維持在140wh/kg左右。

理論上BMS電控系統應該會隨著密度和電壓的增加而變得更加復雜，但實際上固態電池的管理系統也進行了簡化，再次降低了整個電池組的重量和體積，這也是系統能量密度更高的原因之一。

低密度和電壓雙增加，如何解決散熱？

在散熱方面，固態電池也有先天優勢。從充滿電到放電結束，電池溫度將保持在26度以內，而目前圓柱形電池的溫度在整個放電過程后將在40度以上。雖然目前固態電池技術采用水冷，就像圓柱電池一樣，因為其放電溫度可以保持較低，散熱成為另一大優勢。

基于固態電池本身的低放電溫度，在散熱方式上可以進行更多的優化。比如在電池和電池組之間加入散熱膠，然后熱量會通過散熱膠傳導到電池組兩側的水流散熱器，進一步減少水流散熱的體積和重量。

固態電池技術提供商也表示，與傳統動力電池相比，這種尖端電池技術具有增加密度的優勢。在固態電池本身具有密度優勢的前提下，仍然需要通過其他手段繼續優化整組的密度疊加。因此，對于整個電池組而言，應盡可能減少其他導線或散熱系統的空空間和重量占用，使電池組能夠有最大的整體密度提升。

冷卻系統和BMS電池控制系統目前在圓柱形電池組中實際上占據了很大的空。有人討論過方形電池組是否比圓柱形電池組有更好的密度優勢。原因是方形電池組的散熱布局占用空間較小，當然液體電池也有同樣的優勢。

●固態電池的壽命和衰減是否有優勢？

領先密度優勢下，壽命和衰減有優勢嗎？固態電池技術人員也表示，其實相比傳統動力電池，固態電池其實并沒有明顯的壽命優勢，這也是目前該技術需要繼續攻克的方向，因為如果壽命和衰減能力無法提升，固態電池的成本仍然無法支撐其大規模量產。

至于優化固態電池壽命的技術手段，將通過更細的電壓檢測線來降低“檢測損耗”，提高“檢測精度”，好處是讓電池的充放電效率更高。與傳統動力電池相比，電壓檢測的損耗更小，通過改變方向來提高電池壽命。目前，關于固態電池的具體壽命和衰減，技術廠商表示，經過1000次充滿電和放電后，電池仍能保持88%的原始壽命。

●固態電池的充電效率有優勢嗎？

固態電池的充電效率并不比現在的鋰電池高多少。在相同的能量密度下，固態電池的充電時間應該在一小時左右，但目前的鋰電池也有同樣的充電效率。此外，在電池壽命方面，固態電池在500次滿充放電后仍能保持84%的使用壽命，數據與目前的電池技術基本一致。但報告中也提到，固態電池中電極吸收離子的效率更高。雖然目前充電效率并不理想，但仍有發展空間空。

摘要

目前，PLG的陶瓷固態電池技術處于小規模量產狀態，并表示已與歐美、日、中的汽車公司溝通供貨事宜。基于這種電池技術，目前歐洲有四款試駕車，但官方表示不方便透露具體的汽車品牌。目前還在建設固態電池Gigafactory工廠，預計2021年正式投產，這也是固態電池量產的信號。另一條路線是將“固態電池技術IP”許可給其他電池廠商或汽車廠商作為技術供應商，推動固態電池的發展，這一愿景的時間點將定在2022年。

按照“中國制造2025”的技術目標，鋰電池的能量密度到2021年將達到300Wh/kg，到2025年將達到400Wh/kg，因此固態電池技術仍是全球最受關注的發展方向。目前中國汽車品牌在固態電池后續方面還沒有看到具體進展，但遵循“越接近量產越保密”的行業規律，中國汽車品牌接下來能帶來怎樣的驚喜？