自上世紀90年代索尼率先實現鋰電池的商業化以來，鋰離子電池技術蓬勃發展，不論是手機、筆記本等為代表的消費電子，還是城市道路上越來越多的電動汽車，鋰電池憑借其能量密度高、循環壽命長、無記憶效應和環境友好等特點，獲得了眾多領域的青睞。

但是，傳統鋰離子電池由于使用高度易燃的有機物液體電解質，具有熱穩定性差、燃點低等安全缺陷。在不合理使用或外部撞擊等情況下，極易引發自燃甚至爆炸。

圖1  2018年12月21日，美國廣播公司報道的特斯拉Model S一天內發生兩次自燃事件（圖片來源：環球網）

全固態電池（ASSB）的出現為徹底解決安全性問題提供了可能，ASSB并不是對鋰電池的完全顛覆，而是用固態電解質替代有機液體電解液和隔膜材料。

圖2 全固態鋰電池示意圖

（圖片來源：《全固態鋰電池關鍵材料-固態電解質研究進展》）

圖2為全固態鋰電池示意圖。在充電過程中，鋰離子從陰極出發，穿過電解質和電解質-電極界面進入陽極。在放電過程中，這個過程逆向進行。因此，固體電解質的主要功能和傳統的“電解液+隔膜”組合一樣，位于陰極和陽極之間，防止電子傳導和短路。

全固態鋰電池一般采用硫化物復合電解質，因而具有不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液的特點，即使在高溫下也不會著火，這對鋰電池的應用尤其是電動汽車上作為動力電池的安全性尤為重要。

此外，全固態電池的出現為利用金屬鋰替代傳統碳負極提供了解決方案。金屬鋰具有高于傳統碳負極材料十倍的能量密度，若能完美替代石墨，用作鋰離子電池的負極材料，將為后者破解“續航里程差”的難題。此外，金屬鋰是自然界中電化學勢最低的材料，本身可以作為鋰源，正極材料選擇面將更寬，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣。

在傳統的液基鋰電池中，若使用金屬鋰作為負極材料，重復的充放電會導致其表面電流密度及鋰離子分布不均勻，鋰化合物發生不均勻溶解和沉積，形成孔洞和枝晶，枝晶穿過隔膜，從而為電子的傳輸提供了低電阻路徑（使得電子不再通過外部電路執行工作），最終造成高的自放電電流，點燃易燃電解質。

圖3 鋰電池的充放電循環會導致枝晶的產生，使正負極間產生低電阻通路

（圖片來源：A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies）

枝晶問題使鋰在早期的負極材料探索中被石墨替代。但在傳統電解液中無法被克服的枝晶問題，由于固態電解質的出現迎刃而解。

2017年3月，斯坦福大學的崔屹教授等人在國際頂尖期刊Nature Nanotechnology發表綜述“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”，大談金屬鋰電極的“復興”趨勢及其在高能鋰電池中的應用。崔屹教授認為，盡管還有很多問題需要解決，金屬鋰電極的復興勢頭似乎已經無法阻擋，而固態電解質和金屬鋰負極的結合是目前被認為最有希望的方案之一。

事實上，早在2010年，豐田就一直在固態電池領域默默探索。但是一直沒有起色，直到2016年12月份向美國專利局提交的固態電池專利終于獲批，博得各大版面的頭條。據美國專利局公示的豐田固態電池專利申請內容，豐田研發的固態電池的電解質由硫化固態電解質材料構成，其中包含鋰、磷、硫和碘元素，電極活性材料層則添加了特殊的磷酸酯，改善了電池的熱穩定性。

除豐田以外，各大巨頭均在固態電池板塊有所動作。

2017年底，寶馬與Solid Power建立合作伙伴關系，雙方將聯手開發電動汽車專用的固態電池技術。此前，Solid Power宣稱其在固態電池技術方面迎來了突破，這家公司在鋰電池中混合了高容量的金屬鋰負極，并打造出了一種全新的固態電池，在重量相同的情況下，其電量為傳統鋰電池的2-3倍。

2018年9月，大眾向Quantum Scape投資1億美元，并計劃在2025年實現固態電池量產。作為電池行業的新興企業，成立于2010年的Quantum Scape有著相當雄厚的背景，作為斯坦福大學的衍生公司，擁有200多項固態電池技術專利和專利申請量。

菲斯克作為電動汽車的先驅品牌，早在2017年底就申請了關于固態鋰離子電池的技術專利，這種固態鋰離子電池借用了太陽能電池制造所采用的薄膜技術，使得電池的電芯內部存在多個堆積層。相較于常規電芯，其表面積達到了前者的27倍，而其能量密度達到了傳統鋰離子電池的2倍多，這樣一來固態電池的續航里程和充電速度就會大大提升。據悉，其固態鋰電池將率先搭載在Fisker旗下電動跑車EMotion上。

圖4 Fisker Emotion（圖片來源：網絡）

國內方面，珈偉新能（300317）在2016年1月成立了珈偉隆能固態儲能科技如皋有限公司，致力于快速充電及長循環低成本儲能鋰離子電池及電池組模塊、系統的研發、生產、銷售。公司項目建設總面積119182平方米，設計動力電池總產能21億Wh/年。

中國清陶（昆山）能源發展有限公司是一家從清華大學剝離出來的初創公司，它們在第二屆鋰電池技術與產業發展論壇上，成功展示了其能量密度高達400Wh/kg的固態鋰電池商業化生產線。 據悉，該生產線可日產1萬只固態電池，年產能為100兆瓦時，計劃到2020年將年產能提升至700兆瓦時。 

贛鋒鋰業（002460）在2017年通過引進寧波材料所的許曉雄博士團隊，正式切入固態電池領域，團隊研發的固態電池，將充分利用贛鋒鋰業在上游鋰資源的優勢，將金屬鋰作為負極材料。目前公司固態電池已經開始做一些中試生產線建設的前期規劃布局，工作團隊已經全部到位，計劃在2019年實現億瓦時級別的量產規模。

綜合來看，國內外對固態電池的前景均抱樂觀態度，其中主流的發展路線也就將固態電解質與金屬鋰負極進行結合。

小結

全固態鋰電池可以避免液體電解質帶來的負效用，提高電池的安全性和服役壽命；此外，其固體特點能有有效阻止鋰枝晶的穿透，使得鋰替代傳統石墨負極材料成為可能。測試發現，配合鋰負極的全固態電池的電芯能量密度顯著高于負極為石墨或硅的鋰離子電池。安全與高效，是固態鋰電池有望成為下一個鋰電池風口的底氣。

參考文獻

全固態鋰電池關鍵材料-固態電解質研究進展；北京科技大學，陳龍，池上森，董源，李丹，張博晨，范麗珍。

A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies；Andrew Ulvestad。

Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries，Stanford University, Dingchang Lin, Yayuan Liu, Yi Cui。

By：火宣