前些天在拉斯維加斯舉辦的2018 CES（國際消費電子展）可是賺足了我們的眼球，當然不是因為突發其來的場館停電..而是一大批有意思的新科技發布亮相。其中，有家車企不得不關注，它就是Fisker，在帶來全新電動跑車Emotion的同時，還推出了柔性固態電池材料，這東西有什麼厲害的，先來看看Fisker怎麼說。
不久前Fisker宣稱，他們要做的固態電池已經申請了專利，其能量密度是傳統鋰電池的2.5倍，續航裡程可以超過600公裡，最高時速能夠超過250公裡/時，並且具備9分鐘恢復160公裡的續航能力。Fisker Emotion所搭載的石墨烯固態電池用一系列的數字震撼著電動車市場，這回咱們就來聊聊固態電池，這貨到底是不是未來的BUG級技術？
想了解固態電池，就得先知道我們身邊常用的液體電解質鋰電池是怎麼個工作原理。說起來很簡單，業內把它稱為「搖椅式電池」，搖椅的兩端可以被看作是電池的正、負極，而中間的部分就是液態電解質。鋰離子就像上學時參加體育考試的我們，在兩端進行折返跑測試，正-負-正，就是一個完成的充放電過程。所以，固態電池與傳統的鋰電池最明顯的區別，就是前者採用的電解質為固態結構。
雖然對液態鋰電池有了認知，但對於我們去探索固態電池還不夠，還需要知道鋰電池的材料到底用的都是什麼？
通常來說，鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液等部分組成，無論是最初的鎳氫電池、錳酸鋰電池、後來的磷酸鐵鋰電池，還是如今已廣為人知的三元鋰電池（鎳鈷錳和鎳鈷鋁），這些在化學課上曾見過的化學名詞，說的其實都是電池的正極材料，對電芯能量密度影響最大的就是它。而對於負極材料來說，目前應用最多的是石墨。
眾所周知，磷酸鐵鋰電池在能量密度方面的提升空間已非常有限，不提升能量密度，就無法提升電動車的續航裡程。於是，動力電池的生產企業已經開始由磷酸鐵鋰電池全面倒向三元鋰電池的優化升級，比如調整內部材料的比例、採用新材料替代石墨負極材料、提升隔膜性能等等。但是，從長遠來看，這些方式都很難讓三元鋰電池的能量密度突破300Wh/kg，即便可以，短期內也只是停留在實驗室階段。
那麼，這個行業內普遍認同的研發瓶頸出現後，應該如何捅破天花板完成未來目標呢？（2020年350Wh/kg，2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg），下面就輪到固態電池登場了！
從工作原理上看，固態電池與傳統電解液鋰電池並無明顯區別，他的優勢也很容易理解，就是鋰離子電池發展的兩大重要方向：1.能量密度更高、2.運行更安全。
首先因為自身結構特點的原因，固態電池可以讓更多帶電離子聚集在一端，帶來的好處是能夠傳導更大的電流，電池容量便會隨之提升。從材料方面理解就更為直觀，使用固態電解質的鋰電池終於可以擺脫石墨材料的束縛，轉而去採用金屬鋰作為負極。這個看似簡單的改變，實際上大幅減少了負極材料的使用量，從而讓電池能量密度得到明顯提升。一個鋰電池就這麼大，但是要被隔膜和電解液佔據接近七成的質量，這意味著什麼？意味著汽車這種每天在路上跑的交通工具，要扛著越來越重的電池包，續航裡程的上升曲線到最後只有回歸水平一個結果。但是，如果液態電解質被固態結構取代，正負極之間的距離將大幅縮減，甚至只有幾到十幾個微米，使得整個電池系統的能量密度大大提升。從現在的試驗數據看，300-400Wh/kg能量密度的全固態電池已經不在話下，有人預測未來達到900Wh/kg也不是沒有可能。
除了能量密度質的升級，固態電池還有更安全的特點。固態電解質本身是不可燃、無腐蝕、不揮發的，並且不存在液態電解質的漏液問題。此外，由於無需隔膜隔開正負極，所以不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路。所以，固態電池可以在更高溫（可長期在60-120°C溫度下）、更大電流、更高電壓下工作，較液態電解質鋰電池應用範圍更加廣泛。
人無完人，任何事物也不可能是完美無缺的，這種有點像BUG的電解液結構難道就沒有技術壁壘嗎？答案一定是否定的！由於電解質是固態的，內阻較大，所以相對於液態電解質，常溫下它的電導率要低不少。當然，也不是所有固態鋰電池都解決不了這個問題，但是要以犧牲能量密度為前提，這就形成了魚和熊掌不可兼得的局面。最後還有一個更為重要的難題：成本，據業內人士介紹，全固態電解質的成本非常昂貴，所以大批量生產會很困難。
之所以說是全球市場，就代表著固態電池技術已經成為了各大相關企業的重要研發方向，下面咱們先聊聊海外市場。
約翰·古迪納夫（John Goodenough），被譽為鋰電池之父，作為鋰電池的奠基人之一，他將研發目光轉向固態電池，成為整個固態電池研發圈子的背書。他與德克薩斯大學奧斯汀科克雷爾工程學院高級研究員瑪麗亞·海倫娜·布拉加（Maria Helena Braga）合作，造出了第一個全固態電池。「成本、安全性、儲能密度、充放電率以及循環壽命對於電池汽車的廣泛應用至關重要。我們相信，我們的發現解決了當今電池的很多固有問題。」古迪納夫顯然對此感到非常興奮。
聚合物、氧化物和硫化物這三大固態電解質是固態電池最重要的發展方向，法國Bolloré、美國Sakti3以及日本豐田則分別主攻其一。我們熟知的吸塵器品牌戴森在2015年收購了Sakti3，並在2016年宣布出資14億美元興建一座電池工廠。德國汽車零部件巨頭博世也沒有放棄這塊未來的沃土，2015年收購了美國電池公司Seeo，之後便與日本著名的GS YUASA(湯淺)電池公司、三菱重工共同建立新工廠主攻固態鋰離子電池的研發。
去年11月份，三井金屬發布了下一代的鋰離子二次電池「全固態電池」，其採用的是硫化物固態電解質，並計劃在2020年正式量產。對此，在新電池發布後三井金屬的車企客戶就表示，豐田、本田將依託此大力拓展新能源汽車業務。
轉到2017年，今年是固態電池圈兒非常熱鬧的一年，日立公司宣布其固態電池技術已經研發完成。「公司現在就可以提供與當前鋰離子電池相同性能的固態電池，能更好的處理溫度變化，擁有更長的循環壽命。」日立佐森總裁Takashi Tanisho透露，「目前已經將固態電池的樣品送到了航空航天和汽車行業的潛在客戶。」
去年10月，豐田汽車公司副社長迪迪爾·勒羅伊宣稱要在2025年前推出新一代電池「固態電池」，其能大幅增加電動車續航裡程。他表示，豐田公司正投入200多人進行開發，並強調豐田在固態電池方面的專利為世界第一。去年底，寶馬宣布與電池技術公司SolidPower建立新的合作關係，目的正是進行固態電池的研發，以用於商業化電動汽車的搭載。
再說回國內，落筆之前，我特意就固態電池技術和寧德時代相關負責人進行了一次溝通，他表示，「固態電池是整個行業對未來的共識，寧德時代也有深入的研究，並且已經申請下來了不少相關專利。」的確，我們在翻閱寧德時代在2017年11月2日籤署的招股說明書中後發現，下一代電池研發重點就是全固態鋰電池，且包括固態電解質膜片及鋰離子電池、鋰離子電池的固態電解質材料等多項專利。當然，國內的研發團隊還不止寧德時代一家，中科院青島生物能源與過程研究所在高能量密度固態電池研究中也取得了進展，去年1月15日，他們研發的固態鋰電池隨中科院深海所的深潛器出海，赴馬裡亞納海溝進行了全海深示範應用。不難看出，國內的固態電池研發規模和實力也在加速壯大中。當然，還遠不止這些，未來還會有更多。。
寫在最後：
縱然固態電池有著這樣那樣的問題和壁壘，但不可否認的是，其依舊是未來鋰電池研發的最重要方向，沒有之一。當然，也許在不久的將來，我們還有更厲害的鋰空氣電池可選，並且新能源也絕不僅僅是電力驅動一種。如今，在略顯激進化的新能源發展道路上，借用寧德時代負責人的一句話，新能源車續航裡程固然重要，但安全性才是最需要重視的。我始終相信魚和熊掌不是不可兼得，只是還沒有找到兼得的最好方法而已。
（圖/文 張屹鵬）