進(jìn)入2019年，新能源車的補(bǔ)貼門檻可謂是越來(lái)越高了，這也催生出了一波長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車，像幾何A、AionS這類新推出的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程已經(jīng)提升到了500公里，電池的潛能正不斷得到提升。

那么電池的潛能還能提升多少，電池的天花板在哪，電池技術(shù)還會(huì)革新嘛，一系列的問(wèn)題用一句話或許可以回答，“三元鋰離子電池是現(xiàn)在，固態(tài)電池是未來(lái)”。

三元鋰離子電池的天花板

目前車用動(dòng)力鋰電池中，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池是主流，前者安全性更高而后者則性能更優(yōu)異，基于不同側(cè)重磷酸鐵鋰離子電池目前重要用在大巴這類商用車上，三元鋰離子電池則重要用在乘用車上。

三元鋰離子電池是一種以鎳鈷元素作為正極材料，以錳鹽或鋁鹽來(lái)穩(wěn)定化學(xué)架構(gòu)的鋰離子電池，重要有NCM（鎳鈷錳）和NCA（鎳鈷鋁）兩種。

它的電池電壓高，能量密度基本為240Wh/kg，在相同電池重量下，三元鋰的能量密度是磷酸鐵鋰材料能量密度的1.7倍。

不過(guò)不同“配比”的三元鋰離子電池它的能量密度也會(huì)有差異（鎳、鈷、錳/鋁三者不同比例）。

在NCM電池中，按照鎳鈷錳三者含量的不同，可分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811（數(shù)字代表鎳鈷錳的比例）。

按照目前對(duì)電池續(xù)航里程的要求，高鎳的NCM811是重點(diǎn)突破方向。因?yàn)殡S著鎳元素含量的升高，三元正極材料的比容量逐漸升高，電芯的能量密度也會(huì)隨之提高。

像特斯拉使用的21700NCA三元鋰離子電池電芯的能量密度高達(dá)260Wh/kg，是目前的量產(chǎn)電動(dòng)汽車?yán)镒罡叩?，它的鎳鈷鋁比例為8:1.5:0.5，屬于“高鎳電池”。

但是也可以預(yù)見(jiàn)，三元鋰離子電池的潛能已經(jīng)逐漸到頭了，300Wh/kg會(huì)是它難以逾越的鴻溝。

下一代電池？固態(tài)電池

固態(tài)電池前景不錯(cuò)，但它關(guān)于我們來(lái)說(shuō)卻還很陌生。

傳統(tǒng)鋰離子電池，是由正極、隔膜、負(fù)極，再灌上電解液制造而成；固態(tài)鋰離子電池，顧名思義就是由固態(tài)電解質(zhì)代替隔膜和電解液。

這關(guān)于電池提升有多大，形象的來(lái)說(shuō)，使用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池相比傳統(tǒng)鋰離子電池，堪比固態(tài)硬盤對(duì)機(jī)械硬盤的性能提升。

高能量密度

固態(tài)電解質(zhì)是制造固態(tài)電池的關(guān)鍵所在，使用全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變。

其中最關(guān)鍵的就是可以不用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，金屬鋰具有高達(dá)3860mA·h/g的理論比容量及3.04V的超負(fù)電極電勢(shì)，是高比能電池的理想負(fù)極。當(dāng)三元鋰離子電池能量密度在300Wh/kg掙扎時(shí)，固態(tài)電池的能量密度能夠輕松突破400Wh/kg。

也許有人會(huì)問(wèn)，為何現(xiàn)在的鋰離子電池不用金屬鋰作負(fù)極？

傳統(tǒng)鋰離子電池假如采用金屬鋰當(dāng)負(fù)極，金屬鋰在反復(fù)充放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)粉化、枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致其循環(huán)性極差；更為致命的是，鋰枝晶生長(zhǎng)造成電池短路還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

所以傳統(tǒng)鋰離子電池采用低容量，不容易讓鋰離子生根發(fā)芽的石墨作為負(fù)極。

可以想象，假如電解液變成固態(tài)電解質(zhì)，金屬鋰在反復(fù)充放電過(guò)程中就不具備生長(zhǎng)空間，問(wèn)題完美解決。

要從根本上提升能量密度，除了改變負(fù)極材料，正極材料同樣要改變。

電解質(zhì)相關(guān)于電解液來(lái)說(shuō)電化學(xué)窗口會(huì)更寬，說(shuō)人話就是在更廣的電壓范圍內(nèi)，電解質(zhì)不會(huì)參與化學(xué)反應(yīng)，老老實(shí)實(shí)讓鋰離子通過(guò)。

那就可以選擇容量更大的正極材料，提高比能量；也可以選擇電壓差更高的的正負(fù)極材料，都可以達(dá)到提升能量密度的目的。

安全性更加有保障

傳統(tǒng)鋰離子電池，假如遭到破壞或是隔膜質(zhì)量不佳、過(guò)度充電等原因，會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，短路后能量瞬間釋放，瞬間就會(huì)起火。

而固態(tài)電解質(zhì)，不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、也不存在漏液?jiǎn)栴}，傳統(tǒng)鋰電面對(duì)的各種安全問(wèn)題，固態(tài)鋰電都不存在。

就算把固態(tài)電池捅個(gè)千瘡百孔，它仍然可以工作。

可以實(shí)現(xiàn)薄膜柔性化

傳統(tǒng)鋰離子電池中，要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。而假如把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代，正負(fù)極之間的距離可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低。

這樣一來(lái)制備成薄膜電池和柔性電池，未來(lái)就可以應(yīng)用在智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備中，所以要想實(shí)現(xiàn)電池的柔性化和薄膜化，全固態(tài)電池技術(shù)是必經(jīng)之路。

優(yōu)點(diǎn)一籮筐

固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)可以說(shuō)是一籮筐，首先它的循環(huán)壽命會(huì)更長(zhǎng)，固體電解質(zhì)可以防止液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)鋰枝晶刺穿隔膜問(wèn)題，可以大大提升金屬鋰離子電池的循環(huán)性和使用壽命。

電池回收方面也簡(jiǎn)單的多，其本身沒(méi)有液體，沒(méi)有廢液，處理起來(lái)也會(huì)更簡(jiǎn)單。此外充電速度方面也存在一定優(yōu)勢(shì)。

什么時(shí)候才能量產(chǎn)？

固態(tài)電池的出現(xiàn)可以說(shuō)有點(diǎn)顛覆，但是要解決的問(wèn)題還有不少。

一是電導(dǎo)率偏低問(wèn)題；二是界面阻抗和穩(wěn)定性問(wèn)題。

所謂電導(dǎo)率偏低，即電子通過(guò)的效率低；界面阻抗大、界面分離，就是正負(fù)極與隔膜的連接處存在電阻大，接觸不良的問(wèn)題。

解決辦法是找到一種合適的電解質(zhì)，讓它的結(jié)構(gòu)能達(dá)到既讓鋰離子順暢通過(guò)，又能解決接觸的問(wèn)題。

目前有三種主流固態(tài)電解質(zhì)，聚合物、氧化物、硫化物。

聚合物電解質(zhì)

法國(guó)的Bolloré公司已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出聚合物電解質(zhì)，它的負(fù)極采用金屬鋰，而且已經(jīng)在公交、共享汽車上開(kāi)始應(yīng)用。

但缺點(diǎn)也很明顯，使用前需將電池加熱至60°C以上，才能維持固態(tài)電池內(nèi)的導(dǎo)電能力。

氧化物電解質(zhì)

氧化物電解質(zhì)最大的問(wèn)題是電導(dǎo)率一般比電解液還要低很多。

這條技術(shù)路線代表公司是美國(guó)的Sakti3，它的試驗(yàn)性產(chǎn)品也是采用的金屬鋰負(fù)極。

目前這家公司已經(jīng)被戴森公司收購(gòu)，可以看出這類電池重要適用于對(duì)電容量要求較小，但對(duì)安全和逼格要求頗高的消費(fèi)電子產(chǎn)品。

硫化物電解質(zhì)

硫化物電解質(zhì)是大多數(shù)亞洲公司選擇的路線，也代表了未來(lái)固態(tài)鋰電的方向。

硫化物的各項(xiàng)參數(shù)相當(dāng)不錯(cuò)，尤其是電導(dǎo)率較高，接近電解質(zhì)，而且界面較為穩(wěn)定。

這條技術(shù)路線執(zhí)行最為徹底，也較為典型的當(dāng)屬豐田，起步早，專利積累多。

不過(guò)豐田做的不是全固態(tài)鋰金屬電池，而是固態(tài)鋰離子電池，幾個(gè)字的差別卻大不相同。

它采用的是石墨類負(fù)極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合的方式，正負(fù)極并沒(méi)有大幅變動(dòng)，只是將隔膜和電解液換成電解質(zhì)。

上下游產(chǎn)業(yè)鏈需打通

固態(tài)電池可能是未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但也只是之一。因?yàn)榘ㄈ剂?a href="http://thinkbizarre.com/dongli/" style="color:#a98326">動(dòng)力電池、超級(jí)電容器、鋁空氣電池、鎂電池理論上都有很大的發(fā)展空間，最終要看哪種路線發(fā)展更快、更接地氣。

電池要達(dá)到商業(yè)化要在規(guī)模和成本方面都能達(dá)到完美的平衡點(diǎn)，使用的材料不能是高成本且稀有的，并且要有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能。

目前液態(tài)鋰離子電池的成本大約在1200~2000元/千瓦時(shí)，假如使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機(jī)供電的固態(tài)電池，其成本會(huì)高達(dá)6萬(wàn)元，更別說(shuō)為汽車供電的固態(tài)電池成本了。

固態(tài)電池生產(chǎn)打通和建立上下游產(chǎn)業(yè)鏈，一方面正負(fù)極材料供應(yīng)商要能量產(chǎn)新材料；另一方面要設(shè)備商同步研發(fā)新設(shè)備，每一步都可以說(shuō)是牽一發(fā)動(dòng)全身。

任何新技術(shù)、新產(chǎn)品剛出來(lái)成本都較高，一旦生產(chǎn)技術(shù)成熟、產(chǎn)量上去了，成本自然而然就能下來(lái)，這就要像比亞迪或?qū)幍聲r(shí)代這類巨型公司的巨量投入才有實(shí)現(xiàn)的可能了。