基于鋰離子電池相對較高的性能、較低的成本和廣泛的可用性，從電子設(shè)備、電動汽車到大型固定儲能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用中，都表現(xiàn)卓越，而且鑒于其突出地位，在未來10年內(nèi)，不太可能被取代。盡管如此，由于其性能限制以及環(huán)境和供應(yīng)鏈問題，下一代電池技術(shù)仍在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

固態(tài)電池(SSB)被提議作為解決方案之一。簡單地說，固態(tài)電池利用固態(tài)電解質(zhì)(SSE)取代了易燃的有機(jī)液體電解質(zhì)，因此原則上可以實現(xiàn)更安全、更持久的電池。SSE還可以與傳統(tǒng)鋰離子電池中不用的其他陰極和陽極材料配對。盡管基于鋰離子的SSB將產(chǎn)生更優(yōu)的性能，但并非所有的SSB都必須基于鋰離子化學(xué)。

為什么是SSB?

在各種用例中采用電池時，有一些“KPI”值得考慮。SSB具有許多預(yù)期的優(yōu)勢，如安全性更好、能量密度更高、循環(huán)壽命更長、更耐用、工作溫度范圍更寬、堆疊緊密、電池設(shè)計簡化、機(jī)械特性可能更靈活等等。另外，SSE還可以與高壓陰極材料及高容量鋰金屬陽極兼容，從而有可能使能量密度超過1000Wh/L。

對于鋰離子電池而言，其傳統(tǒng)制造由東亞地區(qū)主導(dǎo)，該地區(qū)國家做出了顯著貢獻(xiàn)。然而，隨著歐美各國加入競爭，一個重大轉(zhuǎn)變正在發(fā)生，新戰(zhàn)略是把電池產(chǎn)能從東亞轉(zhuǎn)移到更靠近市場應(yīng)用的地方。

新局面以探索新材料和組件以及重新評估制造工藝為標(biāo)志。這些為電池供應(yīng)鏈的重組提供了可能。從技術(shù)和商業(yè)角度來看，SSB的開發(fā)已成為下一代電池戰(zhàn)略的一部分。它已經(jīng)演變成一項全球努力，其特點是地區(qū)利益和各國政府的大力支持。

SSB何時能邁入市場?

一個持續(xù)存在的問題是：SSB何時會成為市場現(xiàn)實?為了回答這個問題，對SSB進(jìn)行一個更清晰的定義是很重要的。聚合物SSB已經(jīng)上市，半/混合/偽SSB正在進(jìn)行試驗，而陶瓷全固態(tài)電池(ASSB)仍處于發(fā)展階段。

從最嚴(yán)格的意義上講，真正的SSB應(yīng)該只表示那些不存在任何液體或凝膠聚合物的SSB。然而，半/混合動力/偽SSB也可以提供巨大價值，包括提高安全性和提高能量密度，尤其受到汽車原始設(shè)備制造商青睞。因此，無論是否包含任何液體物質(zhì)，在大眾眼里，它們也可以被稱為“固態(tài)電池”。


圖1：電池設(shè)計考慮因素。(本文圖片來源：IDTechEx)

對于所講的廣義SSB，有多種技術(shù)解決方案。其中的氧化物、硫化物和聚合物 (每個類別下都有進(jìn)一步的變異) 解決方案，已成為下一代開發(fā)中最受歡迎的選擇。一般來說，硫化物電解質(zhì)具有離子電導(dǎo)率高、比液體電解質(zhì)更好、加工溫度低、電化學(xué)穩(wěn)定性窗口寬等優(yōu)點。上述特性使其具有吸引力，被許多人認(rèn)為是最終的SSE選擇。然而，其制造難度以及過程中所產(chǎn)生的有毒硫化氫，延緩了其商業(yè)化步伐。

聚合物方案易于制造，與現(xiàn)有的制造工藝兼容，并具有現(xiàn)成的商業(yè)化實例，然而該解決方案的問題是操作溫度相對較高、抗氧化電位較低、穩(wěn)定性也較差。
氧化物方案對鋰金屬更穩(wěn)定，具有良好的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性。然而，其界面電阻較高，成本也較高，且工藝產(chǎn)率較低，因而總體上也存在一些挑戰(zhàn)。
據(jù)信，聚合物解決方案最接近商業(yè)化，其次是半固態(tài)氧化物。硫化物解決方案最近獲得了更多的關(guān)注，但它們可能需要最長的時間。

如何實現(xiàn)?

雖然SSB的投資較高，但運營成本與傳統(tǒng)鋰離子電池相類似，且最終具有價格優(yōu)勢，盡管如此，它們要被公眾接受，還需要提出更明晰的價值定位。盡管有很多研究僅限于討論SSB是否能帶來更好的安全性，但更多的證據(jù)表明，SSB確實提供了更高的濫用容忍度。


圖2：全球主要固態(tài)電池玩家分布。

SSB高能量密度是其另一個優(yōu)勢。然而，這種改進(jìn)應(yīng)該與新的陰極和陽極材料相結(jié)合。例如，大多數(shù)SSE，特別是無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，具有比聚烯烴隔膜更高的密度，通常也比傳統(tǒng)鋰離子電池中使用的隔板要厚。如果電極保持不變(例如，靜止石墨陽極和層狀金屬氧化物陰極)的話，與鋰離子電池相比，大多數(shù)SSB的質(zhì)量能量密度結(jié)果更低。

關(guān)于是否可以提高功率、充電速率和循環(huán)壽命，仍存在爭論和不確定性。然而，所有的討論仍停留在單元級。而實際上單元級的研究只是未來工作的一部分。目前已經(jīng)看到，開發(fā)重點經(jīng)歷了從材料開發(fā)和單元演示向單元驗證和系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，包括從單元到封裝(CTP)、熱管理和機(jī)械設(shè)計。

其實，CTP并不是一個新概念，在鋰離子電池設(shè)計中即可找到，例如比亞迪的刀片電池和CATL的CTP設(shè)計。由于SSB電池具有更好的安全性和雙極性堆疊的可能性，CTP概念將變得更加重要。電池安全意味著電池組設(shè)計更靈活，電池模塊/模組中使用的電子設(shè)備和組件更少。例如，雙極設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的封裝和更高的能量密度，從而在系統(tǒng)級別上能潛在實現(xiàn)更高的能量密度和可比成本。

對于固態(tài)電池而言，最初幾代可能沒有配置高電壓、高容量的陰極和鋰金屬陽極，從而使其能量密度還會比商用鋰離子電池更低。固態(tài)電池的初始成本也會高于鋰離子電池。然而，由于固態(tài)電池組級的能量密度更高，設(shè)計靈活，使用的材料/部件更少，其能量密度可能與鋰離子電池相當(dāng)，甚至更好。


圖3：幾種固態(tài)電池技術(shù)的比較。

對于SSB，熱管理系統(tǒng)不可或缺，但其工作方式可以針對不同安全操作區(qū)域來實施，因此，SSB所需的理想溫度可能與鋰離子電池不同。
目前，聚合物基固態(tài)電池已經(jīng)商業(yè)化并用于車輛，例如戴姆勒eCitaro。其他技術(shù)正在為原始設(shè)備制造商持續(xù)測試其樣品。隨著豐田宣布技術(shù)突破，預(yù)計將致力于進(jìn)一步的材料開發(fā)和設(shè)備優(yōu)化。與此同時，還將更多地聚焦于系統(tǒng)設(shè)計。

市場可能不關(guān)心是否使用少量液體或凝膠聚合物作為SSB的一部分。只要電池能夠提供所需的功能，最終用戶就會接受。因為混合半固態(tài)電池也可以提供高性能，所以可以作為良好的過渡產(chǎn)品。在短期內(nèi)，可能會看到更多混合SSB的例子。隨著技術(shù)發(fā)展的成熟，ASSB可能成為最終目標(biāo)。

作為最大的潛在市場，汽車幾乎是所有SSB供應(yīng)商的目標(biāo)。與此同時，需要更大的濫用容忍度，且對價格不太敏感的利基應(yīng)用可能是SSB的低掛果實。