1991年索尼公司首次推出商業(yè)鋰電池，此后在廣大科研工作者和工程師的不懈努力下，鋰電池的各項性能都得到了大幅的提升【1】，而鋰電池的應用領域也從最初的3C消費電子領域擴展到了新能源汽車和分布式儲能等領域。鋰電池在動力鋰電池領域的應用也促使其對能量密度的追求在不斷走高，盡管目前鋰電池的能量密度已經相當于最初索尼推出產品的3倍以上【2】，但是仍然無法滿足日益新增的續(xù)航里程的需求。如今傳統(tǒng)液態(tài)電解液鋰電池的能量密度提升已經接近其極限值，難以滿足下一代高比能動力鋰電池的需求，因此主流的動力鋰電池廠商也都在紛紛布局下一代動力鋰電池技術。

在下一代動力鋰電池眾多的候選者之中，固態(tài)電池是最有希望的一種。全固態(tài)電池不僅技術成熟度相對較高，也獲得了像Goodenough、崔屹等一批國際優(yōu)秀學者的支持，國內外眾多鋰電池公司也已將全固態(tài)電池技術作為重要的下一代技術儲備。全固態(tài)電池最顯著的兩大優(yōu)勢如下：

1.高能量密度

目前的鋰電池采用石墨材料作為負極，石墨的理論比容量僅為372mAh/g，遠遠無法滿足高比能鋰電池的需求，而金屬Li負極的理論比容量可達3860mAh/g，是一種理想的高比能電池負極材料，但是Li金屬負極在反復充放電的過程中會形成Li枝晶【3】，造成庫倫效率低下和短路風險新增，而固態(tài)電解質具有高剪切模量的特點，能夠更好的抑制Li枝晶的生長【4】，因此在固態(tài)電池中我們可以采用金屬Li作為負極，相關研究表明即便是在較低的面密度下，采用金屬Li替換傳統(tǒng)的石墨仍然能夠將電池的能量密度提升35%以上。假如我們采用NCM811材料作為正極，電池的能量密度能夠達到500Wh/kg以上，即便是采用LFP作為正極電池的能量密度也可以提升到300Wh/kg以上【5】。這是傳統(tǒng)液態(tài)電解質鋰電池所無法比擬的。

2.高安全性

安全性是目前液態(tài)電解質鋰電池面對的另一棘手問題，而固態(tài)電解質的出現讓鋰電池的安全性得到了大幅提升。研究表明采用液態(tài)電解質的Li/LFP電池在90℃左右就開始發(fā)生自放熱反應，并在178℃左右引起了電池熱失控，而采用固態(tài)電解質的Li/LFP電池自放熱溫度提高到了247℃以上，并且整個過程未發(fā)生熱失控【6】。傳統(tǒng)液態(tài)電解質鋰電池往往是由于高溫引起的隔膜熱收縮和熔融而導致的大面積內短路引發(fā)熱失控，而以無機固態(tài)電解質為例，其熱穩(wěn)定性明顯高于高分子聚合物類隔膜材料【7】，因此高溫導致正負極短路的風險幾乎為0，從而使得采用固態(tài)電解質的鋰電池熱失控風險大幅降低。同時，即便是電池發(fā)生了熱失控，固態(tài)電解質的可燃成分也要遠遠低于傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液，從而能夠顯著降低鋰電池熱失控的劇烈程度，有關動力鋰電池的安全性具有顯著的提升。

固態(tài)電解質從成分上重要可以分為三大類：1）氧化物電解質，例如常見的LLZO類電解質；2）硫化物電解質，例如Li2S–P2S5電解質；3）有機聚合物電解質，例如常見的PEO基聚合物電解質等。這幾類固態(tài)電解質各有優(yōu)缺點，總體上來看聚合物電解質加工性能優(yōu)異，能和電極材料形成良好的界面接觸。但是該類電解質常溫電導率較低，因此采用聚合物電解質的鋰電池很難在60℃以下的溫度進行工作。此外，以PEO基電解質為代表的固態(tài)聚合物電解質在高電位的正極一側容易被氧化分解，造成電池性能的惡化。硫化物固態(tài)電解質常溫電導率非常高，和液態(tài)電解質接近，加工性能較好，但是在大氣環(huán)境中不穩(wěn)定，容易和其中的水分生產劇毒的H2S氣體，因此整個加工過程要在惰性氣氛保護下進行，生產成本高。氧化物電解質電導率較高，在空氣中的穩(wěn)定性較好，但是其和電極材料的界面問題有待優(yōu)化，而且氧化物電解質脆性較大，加工性能較差【11】。

固態(tài)電池作為最有希望的下一代動力鋰電池候選者，各國都投入了大量的資金開展相關技術研究。作為鋰電池第一強國的日本也在2018年宣布啟動新一代高效"全固態(tài)電池"核心技術的開發(fā)工作，豐田、本田、日產等23家汽車、電池和材料公司，以及15家學術機構參和該計劃，計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池技術。日本的全固態(tài)技術路線重要是以硫化物為主，該領域的領頭羊豐田公司早在2010年就推出了硫化物固態(tài)電池，2014年推出的原理樣機能量密度更是達到了400Wh/kg，據了解豐田計劃在2020年實現硫化物固態(tài)電池的產業(yè)化。

國內方面，全固態(tài)鋰電池的研究除了集中在各大高校，例如清華大學、中科院物理所、上海硅酸鹽研究所和青島能源所等科研機構都開展了固態(tài)電池關鍵原材料、電池制備技術和工藝的研究和開發(fā)，各大動力鋰電池廠商也都將固態(tài)電池技術作為下一代重要的技術儲備。包括CATL、比亞迪等電池公司都在進行相關技術的布局，但是根據各個公司的技術路線圖，基本上都要等到2025年以后才能夠推出相關技術產品。

然而，雖然固態(tài)電池具有目前鋰電池所無法比擬的優(yōu)勢，但是全固態(tài)電池的開發(fā)仍然是一條充滿荊棘的路，仍然有大量的問題要克服：

1.界面接觸不良

在全固態(tài)電池中，過渡金屬氧化物顆粒仍然是重要的正極材料，當制成電極時，會在電極內形成大量復雜的孔隙，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質能夠滲入這些孔隙，從而保證所有的活性物質都能夠參和到電化學反應之中。但是固態(tài)電解質不具有流動性，因此很難保證活性物質顆粒和固態(tài)電解質的充分接觸，同時電池充放電過程中活性物質的體積變化也會進一步破壞固態(tài)電解質和活性物質顆粒的接觸界面，造成固態(tài)電解質和活性物質之間較大的接觸阻抗【8】，影響固態(tài)鋰電池的性能發(fā)揮。

2.鋰枝晶生長

是的你沒有看錯，固態(tài)電池仍然存在鋰枝晶問題，通常我們認為固態(tài)電解質良好的機械強度能夠有效的抑制Li枝晶的生長，但是研究卻表明Li枝晶仍然能夠沿著Li7La3Zr2O12(LLZO)和Li2S–P2S5兩類固態(tài)電解質的晶界快速生長，往往幾十次循環(huán)就會發(fā)生內短路【9】，嚴重影響全固態(tài)鋰電池的使用壽命。

3.界面穩(wěn)定性問題

界面穩(wěn)定性問題重要體現在兩個方面：一方面是一些傳統(tǒng)的有機聚合物電解質，例如PEO等在高電壓的正極一側會發(fā)生氧化分解，導致接觸阻抗新增及電池性能惡化【10】；另一方面，氧化物固態(tài)電解質和硫化物固態(tài)電解質會在負極一側發(fā)生還原分解，造成固態(tài)電池的性能下降。

4.成本高昂

高成本也是目前全固態(tài)鋰電池急需解決的問題之一。以常見的石榴石結構的LLZO電解質為例，其當前價格高達2000$/kg，遠高于傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液。其次，生產過程成本在目前的固態(tài)電池成本中占比達到75%。根據測算在小批量生產時（10000只/年）其生產過程成本會高達750-2500$/kWh，即便是生產規(guī)模擴大到1億只/年，其生產過程成本仍然高達75-240$/kWh，在電池成本中占比超過50%，遠高于目前的鋰電池工藝成本【11】。

固態(tài)鋰電池的三種技術路線之爭由來已久。在固態(tài)電池技術發(fā)展的早期，由于固態(tài)電解質材料電導率相對較低，研發(fā)的重點多數集中在提高固態(tài)電解質的電導率方面，因此具有高離子電導率的硫化物電解質和氧化物固態(tài)電解質吸引了廣泛關注。但是隨著技術的不斷進步，人們發(fā)現電導率已經不是制約固態(tài)電池發(fā)展的重要因素【5，11】，界面問題和量產工藝逐漸成為固態(tài)電池要克服的下一難點。硫化物和氧化物類電解質機械加工性能較差，界面接觸問題和量產化工藝問題遲遲無法解決，而聚合物電解質由于具有優(yōu)良的加工特性和良好的界面接觸成為三種技術路線中最有希望的一種。

聚合物基固態(tài)鋰電池在學術研究方面已經取得了長足進步，但是其產業(yè)化進程仍然相對緩慢，目前尚無明確的商業(yè)化時間表。和其他廠商慢半拍的節(jié)奏形成鮮明比較，國內優(yōu)秀的動力鋰電池制造商萬向一二三在六月二十四日放出重磅消息，宣布其和先進材料公司IonicMaterials在全固態(tài)電池的研發(fā)上取得了里程碑式的進展。該公司通過將IonicMaterials公司的先進導電聚合物材料技術和A123的三元/石墨材料技術結合，開發(fā)出一款高能量密度、高安全性固態(tài)鋰電池產品。該成果使得批量制造大尺寸全固態(tài)鋰電池成為現實，推動了電動汽車朝著更安全、更輕量化的目標邁進。

萬向一二三為何能夠領先其他動力鋰電池廠商優(yōu)先推出聚合物固態(tài)鋰電池產品呢？這和其解決了聚合物電解質在高電位正極材料的耐氧化能力有關。我們了解傳統(tǒng)的PEO基聚合物電解質雖然具有相對可接受的高溫離子電導率，但是由于其主鏈中C-O鍵的存在使其抗氧化能力較差，難以在電壓高于4V的電化學體系中應用，這有關追求高能量密度的動力鋰電池而言無疑是無法接受的。針對此問題，萬向一二三和IonicMaterials公司強強聯合，通過材料表面包覆改性，聚合物電解質改性等手段有效解決了聚合物電解質在高電位正極氧化分解的問題，顯著改善了高電壓體系聚合物電池的倍率和循環(huán)性能（如下圖所示），使得NCM811材料在聚合物基固態(tài)鋰電池中的應用成為了可能。

"安全"是萬向一二三在動力鋰電池研制和生產中始終堅持的底線，該標準在全固態(tài)鋰電池的開發(fā)中也不例外。相比于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質鋰電池，固態(tài)鋰電池由于沒有使用易燃、易揮發(fā)的碳酸酯類電解液，因此在安全性上得到了大幅的提升，10Ah固態(tài)電池順利通過了嚴苛的針刺實驗，針刺過程中電池最高溫度僅為39℃，完全沒有發(fā)生起火和爆炸，這有關提升電動汽車的安全性具有十分重要的意義。

成本問題是全固態(tài)鋰電池應用的一道難以逾越的障礙，研究表明目前全固態(tài)電池制造工藝的生產過程成本占比高達75%以上【11】，使得全固態(tài)電池的成本居高不下。萬向一二三打破現有固態(tài)電池生產工藝的限制，創(chuàng)新性地利用傳統(tǒng)鋰電池生產設備實現了全固態(tài)電池的量產，大幅地降低了生產成本，為全固態(tài)電池的應用掃平了最后一道障礙。

萬向一二三在固態(tài)電池方面的成功源于其精準的路線定位，在其他廠商還在三種技術路線之間徘徊時，萬向就敏銳的意識到了聚合物電解質體系在固態(tài)電池上應用的巨大潛力，并迅速和聚合物電解質領域的領先公司IonicMaterials建立全面的戰(zhàn)略合作關系，將對方在聚合物電解質方面的優(yōu)勢和萬向在三元/石墨材料體系方面的優(yōu)勢相結合，實現了全固態(tài)電池量產技術的突破。"萬向和IonicMaterials的努力協(xié)作是一次極具創(chuàng)造性和成功的合作。這次合作最終出現了我們引以為傲的技術先進的產品。我們很榮幸能成為行業(yè)的先行者率先推出這款產品"，萬向一二三首席技術官JimPaye如是說。IonicMaterials首席執(zhí)行官MikeZimmerman對此表示贊同"我們兩家公司之間協(xié)同出現的一系列合作是在不斷發(fā)展的電池領域取得成功的必要條件。我們期待著未來，我們在將這項技術商業(yè)化應用的過程中持續(xù)取得成功"。

萬向是國際一流的動力鋰電池系統(tǒng)設計和制造商，長期以來萬向堅持"安全"這一紅色底線不動搖，其制造的48V輕混系統(tǒng)憑借著出色的性能和優(yōu)異的安全性能贏得了市場的廣泛認可，使得萬向牢牢占據全球最大48V系統(tǒng)制造商這一寶座。此次推出的全固態(tài)鋰電池是萬向一二三在改善鋰電池安全性上的又一里程碑式成就，也彰顯了萬向堅持安全這一底線不動搖的決心和毅力。保劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來，萬向長期以來堅持技術驅動型發(fā)展，其產品涵蓋從高功率輕混系統(tǒng)，交通運輸高能量密度解決方法，及儲能系統(tǒng)，是全球鋰離子動力鋰電池及系統(tǒng)設計制造領域的全球領先者。

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