一、固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)

固態(tài)電池最重要的優(yōu)點(diǎn)是安全性和能量密度提升。

①能量密度提升角度

鋰離子電池能量密度主要是由正負(fù)極的材料體系決定的，現(xiàn)有正負(fù)極材料體系的限制下，鋰離子電池包的極限能量密度難以達(dá)到要求。如果希望提高能量密度，需要更換正負(fù)極材料，比如負(fù)極用上鋰金屬，而鋰金屬負(fù)極很容易產(chǎn)生鋰枝晶，引發(fā)起火風(fēng)險(xiǎn)。固態(tài)電池可控制鋰枝晶的生長(zhǎng)，使鋰金屬負(fù)極運(yùn)用成為可能，降低非活性物質(zhì)，可以省去冷卻系統(tǒng)，也能夠提升能量密度。

以松下18650電池為例，1991年索尼首先推進(jìn)鋰電池商業(yè)化后，鋰電池能量密度在75Wh/kg，現(xiàn)在量產(chǎn)的能量密度為275-300 Wh/kg。首代的日產(chǎn)leaf、特斯拉roadster等車型的電池能量密度在100-200Wh/kg，正負(fù)極材料體系為鈷酸鋰+石墨或磷酸鐵鋰+石墨；第二代車型如特斯拉model s和寶馬i3能量密度基本在200-250Wh/kg，續(xù)航有提升，正負(fù)極材料體系為高鎳三元+石墨或中鎳三元+石墨；第三代電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程500km以上，對(duì)應(yīng)能量密度300 Wh/kg、600Wh/L，20分鐘完成充放電，工作溫度零下40度到80度，循環(huán)壽命3000次以上，對(duì)應(yīng)使用壽命10年，度電成本0.1美元。固態(tài)電池是目前唯一能夠滿足以上多重指標(biāo)的電池。在現(xiàn)有的正負(fù)極材料體系下300Wh/kg是比較高的能量密度，但是用上鋰金屬負(fù)極能達(dá)到500Wh/kg以上。使用固態(tài)電池能夠使當(dāng)前體積利用率從20%-50%的體積利用率提升到80-100%的體積利用率。

②安全性（根本性優(yōu)點(diǎn)）

固態(tài)電池以電解液用量為判斷標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)鋰電池電解液含量一般超過(guò)15%，固液共存電池國(guó)內(nèi)很多企業(yè)已經(jīng)在做，也有龍頭企業(yè)如北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶、贛鋒鋰業(yè)、中國(guó)臺(tái)灣輝能的固態(tài)電池電解液含量10%-11%，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有些已經(jīng)中試。全固態(tài)電池完全沒(méi)有電解液，主要是安全性比較高，當(dāng)前鋰電池的有機(jī)溶劑接觸空氣后有可燃風(fēng)險(xiǎn)。

③低溫性能

由于不用電解液，因此固態(tài)電池材料不會(huì)像液態(tài)電池隨著降溫結(jié)冰導(dǎo)致電池?zé)o法運(yùn)作，理論上溫區(qū)是更寬的。目前有展示全固態(tài)電池低溫性能很好企業(yè)不多，QuantumScape展示了零下40-零下80度其固態(tài)電池能夠正常運(yùn)作，但是這是他的廣告詞還有待考證。一般而言固態(tài)電池的低溫和高溫性能是優(yōu)于現(xiàn)有液態(tài)電池的。

固態(tài)電池缺點(diǎn)：在電池循環(huán)的過(guò)程中，固固界面容易接觸不良，這也導(dǎo)致了固態(tài)電池量產(chǎn)難度加大，還不能像鋰離子電池一樣迅速產(chǎn)業(yè)化，像現(xiàn)在電導(dǎo)率最高的固態(tài)電池材料硫化物體系和鋰金屬負(fù)極、氧化物正極材料都不兼容穩(wěn)定。另外，固態(tài)電池制備工藝是全新的，沒(méi)有產(chǎn)業(yè)鏈，面對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的缺失，固態(tài)電池生產(chǎn)成本比較高，產(chǎn)業(yè)化還遠(yuǎn)未到來(lái)。

當(dāng)前固液混合電池產(chǎn)品已經(jīng)下線投放市場(chǎng)，預(yù)計(jì)3-5年這一批固液混合電池成本能夠大幅降低，純固態(tài)電池大概5-10年能夠?qū)崿F(xiàn)價(jià)格降低，當(dāng)前包括QuantumScape等企業(yè)均預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池量產(chǎn)，成本會(huì)再消化1-2年再逐步下降。

二、固態(tài)電池主要的技術(shù)路線及分類

目前全固態(tài)鋰電池主要分為3種不同的技術(shù)路線，有機(jī)固態(tài)材料是聚合物，無(wú)機(jī)固態(tài)材料主要是氧化物和硫化物，研發(fā)歷史都很悠久。聚合物最早1973年就有人對(duì)PEO開(kāi)始研究，氧化物從1953年開(kāi)始，從碳酸鋰氧化物到1977年用 LISICON(鍺酸鋅鋰)，1976-1988年用超快鈉離子導(dǎo)體，2003年開(kāi)始研究氧化物固態(tài)電池材料，主要是用鋰鑭鈦氧，到2007年主要是用鋰鑭鋯氧材料，目前比較流行的、用得多的材料主要是鋰鑭鋯氧、LATP（磷酸鈦鋁鋰）硫化物最早是1981-1991年玻璃向硫化鋰和五硫化二鋰的固態(tài)電池材料體系研究，1991年開(kāi)始大家開(kāi)始關(guān)注玻璃陶瓷向，2000年左右逐漸轉(zhuǎn)向純晶向固態(tài)電池材料，2001年第一個(gè)硫代超快鋰離子導(dǎo)體，2.2毫西每厘米導(dǎo)鋰水平。2011年和2016年日本一團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的材料離子電導(dǎo)率分別達(dá)到12和25毫西每厘米，并且至今保持著世界記錄。

1 聚合物全固態(tài)

2012年就已經(jīng)在法國(guó)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商用，由博洛雷Bolloré生產(chǎn)，主要用于小型出租車和公共巴士上。材料體系主要是聚環(huán)氧乙烷（PEO）體系。

主要優(yōu)點(diǎn)是容易加工，可以制備大容量電芯、機(jī)械性較軟，各項(xiàng)性能和目前使用的電解液（本質(zhì)是有機(jī)溶劑）有類似之處。工藝和現(xiàn)有的鋰電池比較接近，是最容易利用現(xiàn)有設(shè)備通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的固態(tài)電池。

主要缺點(diǎn)：（1）離子電導(dǎo)率最低，必須加熱到60或85℃以上，離子電導(dǎo)率才會(huì)提升，接近10-3 S/cm，所以車需要經(jīng)常保持在充電和高溫的狀態(tài)里（2）容易短路（由于聚合物較為柔軟，因此鋰枝晶容易穿透固態(tài)電解質(zhì)，造成短路）；（3）能量密度有局限，由于聚合物是有機(jī)物，電化學(xué)穩(wěn)定性不好，不如其他無(wú)機(jī)固態(tài)電池材料，跟磷酸鐵鋰兼容性好，跟三元兼容性不好，導(dǎo)致能量密度無(wú)法提升。

2 氧化物全固態(tài)

主要優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電率高于聚合物，氧化物的離子電導(dǎo)率可達(dá)到10-4~10-5 S/cm，通過(guò)摻雜能夠達(dá)到10-3 S/cm的級(jí)別，但不如液態(tài)電解液。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。

主要缺點(diǎn)：1）氧化物的機(jī)械性能堅(jiān)硬，如果用其制作電解質(zhì)片，較容易脆裂；2）與正極活性材料的固-固接觸也不是太好，導(dǎo)致從面接觸變成點(diǎn)接觸，界面損耗過(guò)大。以上缺點(diǎn)造成大容量電芯很難制備，氧化物現(xiàn)在只能跟電解液或者聚合物復(fù)合，做成現(xiàn)在所使用的固液混合電池實(shí)現(xiàn)電解液含量的降低。

3 硫化物全固態(tài)

主要優(yōu)點(diǎn)：硫化物接觸性好，所以整體的離子電導(dǎo)率性能非常好，是人類所發(fā)明的所有固態(tài)電池材料中唯獨(dú)能超過(guò)液態(tài)電解液離子電導(dǎo)率水平的材料，也是全固態(tài)電池未來(lái)最可能的技術(shù)路線。

主要缺點(diǎn)：產(chǎn)品成本/價(jià)格非常高、空氣穩(wěn)定性較差。硫化物化學(xué)活性很強(qiáng)，與空氣、有機(jī)溶劑、正負(fù)極活性材料反應(yīng)都很強(qiáng)（尤其是與水接觸后直接就產(chǎn)生H2S，H2S有毒有臭味），因此界面穩(wěn)定性很差，導(dǎo)致生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)都十分困難，限制了它的廣泛應(yīng)用。液態(tài)電解質(zhì)能夠完全包裹正極活性材料，因此導(dǎo)鋰水平很順暢，我們把液體換成固體之后，就相當(dāng)于把浸泡在海水中的鵝卵石用沙子去包裹，沙子和鵝卵石逐漸的接觸和包裹肯定不如海水，如果沙子的離子電導(dǎo)率還不如海水，那么固態(tài)電池（沙子）其實(shí)是沒(méi)有希望的，而硫化物材料的出現(xiàn)讓全固態(tài)電池成為可能。