俗話說，魚和熊掌不可兼得，這句話放在汽車動力電池身上也很形象。

鋰離子電池身上的一個矛盾，就是高安全性和高能量密度的沖突，能量密度越高，材料體系越活躍穩定性就越差。

一個不太恰當的例子就像是燒壺開水，水倒的越滿燒開后越容易溢出來，想要水不撒，只能壺內少裝水多留冗余。

但固態電池可以很好的解決這個矛盾。

魚和熊掌，真的可以都要？

傳統鋰離子電池不管是三元鋰還是磷酸鐵鋰配方，材料都是由正極、負極、電解液、隔膜等組成，通過鋰離子在正負極之間的來回移動即實現電池的充放電，其中隔膜是將正負極活性物質分隔開，防止兩極接觸產生短路。


但不管是電解液還是隔膜，在傳統鋰電池中本就都屬于相對不穩定因素，電解液是有機液體，易燃抗氧化性較差，隔膜則容易被鋰枝晶刺穿。

而固態電池中的固態電解質化學特性卻比較穩定，不像液態鋰電池中有機電解液較難兼容的金屬鋰等高比能量電極材料。

穩定的固態電解質可以通過適配高能正極與鋰金屬負極來增加電池能量密度，比如無需擔心鎳含量越高對電解質的分解催化帶來的安全挑戰，這就帶來固態電池安全性的提高。

此外，針對液態鋰電池鋰枝晶直接刺穿隔膜造成電池內部短路這些問題，也就是常見的針刺試驗模擬的場景。

首先固態電解質本身就起到隔膜作用沒有刺穿風險，也就不會短路，再加上本身固態電池電解質可燃性也低，以及由于是固態電解質不存在液態電解質泄露等風險，所在在電芯封裝上可以簡化，既降低成本，也提升整體電池包的能量密度。


目前主流的磷酸鐵鋰電池單體能量密度在 200Wh/kg 以下，三元鋰電池的單體能量密度在 200-300Wh/kg 之間，很難再往上突破，但半固態電池已經可以做到 350+Wh/kg，而全固態電池能量密度還會更高，目標是要到 500Wh/kg。

全固態太難，半固態落地已在眼前

只是在當下技術條件下，全固態電池的量產尚需時日，在此之前先一步得到應用的還是半固態電池。

比如，不久前蔚來李斌開著搭載半固態電池的 ET7 測試車，完成了純電續航超過 1000 公里的 " 壯舉 "，證明了技術的力量，其固態電池能量密度就達 360Wh/kg。

當然，這款半固態電池成本雖然 " 差不多一輛 ET5 的價格 "，但是好處是即將量產，2024 年 4 月就會正式落地。


蔚來的 150 度電半固態電池來自衛藍新能源，除了蔚來，明年在上汽智己也會有搭載半固態電池的車型推出，其半固態電池來自清陶能源，且成本與液態鋰電池相當，單體能量密度達 368 Wh/kg。

早蔚來、智己一步，在嵐圖追光上其由孚能科技生產的半固態電池已經正式裝車量產，而目前國內市場，包括東風、蔚來、賽力斯、高合、上汽、哪吒等多家車企都官宣了自己的半固態電池量產計劃。

在供應鏈方面包括寧德時代、中創新航、蜂巢能源、輝能科技、贛鋒鋰業、億緯鋰能、國軒高科等十幾家動力電池企業也都已在布局半固態電池，

可以說如今不管是車企自研還是通過產業鏈合作，半固態電池的落地已經是呼之欲出，就在眼前。


那么半固態和全固態的區別又是什么？

電池通過離子在正負電極之間流動進行充電和放電。目前鋰電池作為離子通道的電解質是液體。而全固態電池是以固體作為離子通道。在固態電池里，離子移動速度會更快。

但我們知道液體對于物體的包裹又好于固體，全固態電池的挑戰就在于電解質全部替換成固態之后，原本液態電解質可以把很好地電極包裹住，但固態電解質和電極之間卻不容易保持長期穩定接觸。

這反而又導致了離子電導率比液態電解液低 1-2 個數量級，導致固態電解質與電極界面阻抗過高電池內阻明顯。

此外固態電池的電極在充放電時會膨脹收縮，在正極、負極和固態電解質之間極易產生裂縫也會增加上述問題，這都是全固態電池目前無法解決的。


而此前我們曾參觀上汽清陶實驗室，采訪環境面對固態電池界面阻抗問題，清陶能源總經理李崢對 AutoLab 表示：固態電池所有的固態材料擠在一起是硬碰硬狀態，界面接觸不充分，離子從一個顆粒傳導到另一個顆粒的阻抗一定比液態電池大。所以這個階段我們對其增加了一部分浸潤液體，才有半固態電池的概念。

所以目前固態電池中是即有固態電解質，也依然會有部分電解液和隔膜結構，這就是 " 半固態電池 "。

以清陶能源的第一代量產的固態電池，其中液態電解液占比就依然達到 5%-15% 之間，而根據清陶能源的規劃，明年量產的第二代固態電池，液態電解液占比就將小于 5%。

可以說半固態電池是發展全固態電池的一個必然階段，但另一方面半固態電池的出現也是一定技術條件下相對妥協的結果。


如果能夠解決了固態電池的耐久性，電池界面阻抗等問題，固態電池想要普及，必須先在材料上有突破，然后再談生產工藝，最后通過大批量生產降低成本等問題。

何時能夠落地？

而全固態電池領域，我們也可以先看看國外廠商的發展。

今年 10 月，豐田宣布他們的全固態電池已經接近量產。這個新聞在國內倍受關注，日本車廠要在電動車領域實現彎道超車了？


豐田發布的全固態電池

事實上這是出光興產和豐田汽車，兩家公司共同發布的技術。目前的實用化目標是：豐田計劃于 2027 至 2028 年推出裝備固態電池的純電動車。

豐田大家已經熟悉了，那么出光興產是什么公司？

如果這里有日系車的車主，經常在外面做保養，應該會知道出光機油。沒錯，現在日系幾大品牌原廠機油都是由出光提供的。

故事是這樣的，上世紀 70 年代石油危機，日本出光從那時起便著手研究替代能源和材料。


硫化物固態電解質

全固態電池材料中最重要的材料是一種 " 硫化物系 "，這種硫成分是在石油制造過程中得到的副產品。這就是在 90 年代中期被發現并開始了相關研究。

目前這項固態電池技術當中，材料成分的專利為豐田所有。出光的強項在于極強的技術力，其制造的材料，具有耐水性強、離子傳導性好、柔軟性好。

目前兩家公司在全固態電池和其材料硫化物固態電解質方面的專利數量都很高。

前面我們提到固態電池缺點是耐用性差，因為正極、負極和固態電解質之間極易產生裂縫，導致電池性能劣化。


而經過 10 年的反復試驗和經歷失敗，豐田和出光兩家公司的技術相融合，最終他們研發出柔軟、密合性高、不易破裂的固態電解質材料。

新材料，再結合豐田研發的正極、負極材料以及培養的電池化技術，最終有了今天這種兼顧性能和耐久性固態電池。

所以整個流程就是：由兩家公司的材料研發技術、出光的材料制造技術、豐田的電池量產技術將結合起來。


不過豐田這款全固態電池也不會馬上量產，因為按計劃豐田要在 2027 至 2028 年才會量產裝車。

插一句，豐田關于固態電池的發展其實與國內清陶能源的規劃時間也是一樣的，清陶能源的最終目標也是在 2027 年實現全固態，屆時能量密度高于 500Wh/kg，且相對目前液態電池成本下降 40%。


清淘能源固態電池規劃節點

可以說站在現在的時間點來看，全固態電池的規模化上車其實離我們也并不遙遠了，尤其是國內在半固態電池的應用上也更快一步。

而豐田在具體生產進度方面，固體電解質的試驗工廠將于 2027 年開始運轉，這時候還在為大批量生產作實證試驗，豐田和出光計劃年產能為數百萬噸。

只有到了 2030 年，這種材料年產數量將達千噸級別，這時候可能滿足年產數萬輛純電動車的裝車要求。

不止是豐田，國外固態電池技術方面，本田和日產兩家日系車企也有技術儲備。


本田原來的計劃是在 2024 年春季啟動投資約 430 億日元（21.7 億人民幣）的全固態電池建設示范生產線，加快固態電池的研發進度，并在 2020 年代后半期推出的車型上裝車。

而在去年 4 月的發布會上，本田承諾推出兩款運動型電動汽車，包括一款 NSX 繼承者。

這輛 " 旗艦 " 車型有著 NSX 的造型：擁有中置引擎的超級跑車比例，低矮的車身，更短的車頭設計。而另一輛 " 特別版 " 擁有較長的車頭和稍高的車身。而作為旗艦的 NSX，如果研發進度沒問題，用上固態電池是很正常的事情。

其實早在 2022 年 CES 期間，本田就宣布與電池公司 SES 研發固態電池。


按之前本田計劃，2022 年起的未來 10 年本田將投入約 8 萬億日元（約合 4058 億元人民幣）研發經費，其中在電動化和軟件領域共計投入約 5 萬億日元（約合 2536 億元人民幣）。

計劃到 2030 年，本田將在全球市場推出 30 款純電動汽車，計劃年產量超過 200 萬輛。而這期中有多少會采用固態電池，值得關注。

另一方面，在 2023 年日本移動展上，日產發布了它的壓軸之作——日產 Hyper Force 概念車，這是一輛電動 GT-R 概念車。

與戰神 GT-R 一樣，日產 Hyper Force 概念車同樣是由 NISMO 賽車團隊一起開發的，它有強大的空氣動力學部件，能產生強大的下壓力。


日產 Hyper Force 概念車就采用了全固態電池，輕量化的電池更有利于車身的質量平衡。所以 Hyper Force 是以打造絕佳的車身平衡，以及強悍的動力輸出為目標。

再換一個領域，其實固態化已經是電池的一個趨勢，例如儲能電池方面，領先企業開始研發固態鈉金屬氯化物電池。

汽車行業熟悉的，幫助無數車企業建車身和動力電池生產線的柯馬，也在研發下一代動力電池制造技術。


柯馬最新的動作是宣布與 LiNa 合作，為固態鈉金屬氯化物電池設計了一種創新、可擴展的制造解決方案。LiNa 是低成本固態鈉電池技術領軍企業，柯馬能幫助這種電池生產實現自動化。

固態電池生產過程明顯與現在不同，例如柯馬的工程師為固態電池的特定組件設計了外殼和裝卸設備。同時應用到了柯馬的潔凈室級別高速 Racer-5 關節型機器人。

鈉基電池包括國內寧德時代也在研發，它的成本更低更安全。但鈉電池的目標不是動力電池，而是儲能電池，例如用在光伏電站和別墅光儲一體系統中。


可以看到在各個領域，固態電池相比現在的液態電池，它的進步是革命性的。變化之大就像當年從堿性電池到鎳氫，從鎳氫到鋰電池一樣大。

寫到最后

回到純電動汽車領域言，僅高安全性、高能量密度優勢的固態電池上車，好處也是鮮明的。

比如在增加續航方面，做到同樣的續航目標時，使用固態電池包可以減重幾十公斤，重量少了，百公里電耗也會降低。

反過來相同的重量，也可以做到更長的續航，比如目前蔚來使用 150 度半固態電池對比 100 度傳統鋰電池包。

雖然電量增加了 50 度，但 150 度半固態電池包的重量和體積幾乎沒變，重量也僅比蔚來 100 度電池多了 20 公斤。


且未來若是固態電池即便保持相同成本，在在電芯相同單價的情況下，裝更少的電池實現相同的續航，車價也會降低，對于消費者而言好處也更是擺在眼前的。

屆時到了固態電池時代，當純電動車動力電池高能量密度和高安全性不可兼得的軟肋被解決之后，純電動車也必將形成比傳統燃油車更大的優勢。