“講真，固態(tài)電池這條路真不好走。”
一個(gè)殘酷事實(shí)就是，當(dāng)前無(wú)論是從最基礎(chǔ)的材料到反應(yīng)界面，再到電池的理論研究和實(shí)驗(yàn)，以及更遠(yuǎn)處的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化以應(yīng)用，都還沒(méi)有從根本上解決一些基礎(chǔ)難題。
固態(tài)電池的研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代，相關(guān)技術(shù)從不成熟走向成熟，從實(shí)驗(yàn)室走向工廠，從工廠走向終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用和普及，動(dòng)輒十幾年甚至幾十年已經(jīng)過(guò)去了，注定這條路是漫長(zhǎng)而艱苦的。
歷史上，在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)出的很大比例的新技術(shù)，真正成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的只屬于少數(shù)。
一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，首先要在實(shí)驗(yàn)室中搞清楚其基本機(jī)理，繼而確定可以用來(lái)放大工業(yè)化的技術(shù)路線(xiàn)，最后經(jīng)過(guò)中試穩(wěn)定過(guò)后實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。而大多數(shù)時(shí)候，一項(xiàng)新技術(shù)得以工業(yè)化的最基本前提就是“簡(jiǎn)單粗暴”，只有這樣才能“易于理解”，只有易于理解才能最終落實(shí)給生產(chǎn)線(xiàn)上的作業(yè)人員，以標(biāo)準(zhǔn)化的工序放大生產(chǎn)。同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在每一個(gè)環(huán)節(jié)中精益求精地改進(jìn)，每一個(gè)細(xì)節(jié)都實(shí)現(xiàn)可控化，最終大規(guī)模生產(chǎn)出足夠一致性和穩(wěn)定性的產(chǎn)品。
而這期間，上游產(chǎn)業(yè)鏈如原材料、生產(chǎn)設(shè)備的配合更是必不可少。
這樣看來(lái)，固態(tài)電池還處于第一個(gè)階段，即還處于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行最基本的機(jī)理研究，解決一些基本問(wèn)題的階段。
固態(tài)電池要想成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，甚至作為動(dòng)力電池被大規(guī)模應(yīng)用上車(chē)，至少需要翻越四座大山，而這幾座大山以目前技術(shù)水平來(lái)看，跨過(guò)的難度都是極大的。
第一座大山就是要不要用金屬鋰作為負(fù)極？
這個(gè)答案幾乎是毋庸置疑的。因?yàn)槿绻挥媒饘黉囏?fù)極的話(huà)，那么固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)將沒(méi)有任何意義。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所李泓老師的研究，如果使用現(xiàn)有的正負(fù)極材料，由于固態(tài)電解質(zhì)的真實(shí)密度顯著高于液態(tài)電解質(zhì)，為了獲得較低的接觸電阻，固態(tài)電解質(zhì)體積占比一般會(huì)顯著高于液態(tài)電解質(zhì)電池，因此固態(tài)電池的能量密度必然低于液態(tài)電解質(zhì)電池，而不是如新聞中宣稱(chēng)的會(huì)數(shù)倍于鋰離子電池。
這說(shuō)明如果不改變現(xiàn)有正負(fù)極體系，不用鋰金屬作為負(fù)極，只是單純把液態(tài)電解質(zhì)更換為固態(tài)電解質(zhì)，是無(wú)法從根本上提升固態(tài)電池的能量密度的。因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的使用，在提升能量密度上來(lái)說(shuō)不僅相對(duì)于現(xiàn)有的三元正極+液態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極改變不大，甚至還拖了后腿。
負(fù)極如果使用了金屬鋰，不僅因?yàn)槟軌蛱峁└嗟匿囯x子而大幅提升整個(gè)電芯的能量密度，還能有效解決液態(tài)電解質(zhì)中存在的鋰枝晶穿刺隔膜，高溫下與液態(tài)電解質(zhì)發(fā)生持續(xù)副反應(yīng)、鋰的生長(zhǎng)和析出導(dǎo)致的界面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問(wèn)題。
所以說(shuō)，采用鋰金屬作為負(fù)極材料是勢(shì)在必行。那么你以為就是單純的采用這么簡(jiǎn)單了？
用一個(gè)業(yè)內(nèi)朋友的話(huà)講，制造金屬鋰負(fù)極材料的工藝要求，高到變態(tài)。因?yàn)樾枰?lèi)比芯片制造的超凈車(chē)間，所以需要全程在手套箱中進(jìn)行。現(xiàn)實(shí)在實(shí)驗(yàn)室中，加工一小片試驗(yàn)用的鋰金屬片，往往一個(gè)研究人員在手套箱中操作即可，但你能想象一旦要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，在一個(gè)類(lèi)似手套箱的車(chē)間中，幾十米長(zhǎng)的鋰金屬片像現(xiàn)在涂在銅箔上的石墨那樣運(yùn)行嗎？
除了高到難以想象的大規(guī)模制造難度以外，更大的問(wèn)題還在于制作過(guò)程的安全性。這一點(diǎn)，我們拿當(dāng)前各大電池廠都在重點(diǎn)發(fā)展的補(bǔ)鋰工藝作為參照說(shuō)明一下問(wèn)題。
為了補(bǔ)充鋰電池負(fù)極在首次充電過(guò)程中不可逆的容量損失（鋰離子數(shù)量變少），電池廠希望通過(guò)補(bǔ)鋰設(shè)備直接向負(fù)極極片噴涂金屬鋰粉或鋰箔的方式進(jìn)行補(bǔ)鋰，以此達(dá)到提升首次庫(kù)倫效率和電池容量的目的。
聽(tīng)著很簡(jiǎn)單，實(shí)際操作起來(lái)卻極難。作為補(bǔ)鋰原料的金屬鋰是高反應(yīng)活性的堿金屬，屬于非常危險(xiǎn)的物品，鬧不好就會(huì)著火和爆炸。而從補(bǔ)鋰方式說(shuō)，撒鋰粉面臨的問(wèn)題是鋰粉比表面積很大，容易飄，有被人體吸入的風(fēng)險(xiǎn)；壓鋰帶的難題是又壓不了那么薄，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)鋰過(guò)量，長(zhǎng)期使用存在安全隱患。
除了生產(chǎn)和使用過(guò)程危險(xiǎn)，補(bǔ)鋰設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用高以外，由于金屬鋰能夠與水劇烈反應(yīng)，所以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求相當(dāng)之苛刻，這就需要對(duì)生產(chǎn)車(chē)間和生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行改造。所以當(dāng)前，沒(méi)有足夠經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)能力的電池廠輕易不敢碰補(bǔ)鋰工藝。
有朋友向燕十七透露過(guò)一個(gè)消息，即便是寧德時(shí)代，依然曾經(jīng)在嘗試補(bǔ)鋰的小試中出了事故。
說(shuō)了這么多，只是想說(shuō)明一個(gè)道理：對(duì)于直接采用金屬鋰作為負(fù)極的方式來(lái)說(shuō)，補(bǔ)鋰工藝只能算是一個(gè)小case，只能算是金屬鋰負(fù)極材料的工藝技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的折中方案和必經(jīng)步驟而已，真正要規(guī)模制造和使用鋰金屬負(fù)極材料，難度要比補(bǔ)鋰大太多太多。
這里插播一條小故事，實(shí)際上早在上個(gè)世紀(jì)60年代，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始金屬鋰作為負(fù)極材料的研究。80年代，美國(guó)一家鋰電池新星EoneMoli冉冉升起，其獨(dú)家技術(shù)正是采用金屬鋰負(fù)極。時(shí)年最火的時(shí)候，意圖布局電動(dòng)汽車(chē)的福特公司都想投資這家公司并采用其鋰電池作為汽車(chē)動(dòng)力。之后Moli被日本的NEC和三井公司收購(gòu)并制造了5萬(wàn)塊手機(jī)電池，不料一年半之后這批電池大量失效，出現(xiàn)了嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。
此事造成了三大影響，一是日本公司當(dāng)時(shí)決定永久放棄金屬鋰電池技術(shù)路線(xiàn)；二是當(dāng)時(shí)給Moli公司做技術(shù)顧問(wèn)的鋰電大牛杰夫·達(dá)恩也徹底放棄金屬鋰體系；三是Moli公司被賤賣(mài)給一家臺(tái)灣企業(yè)，至今只混在消費(fèi)級(jí)電池領(lǐng)域（戴森的產(chǎn)品用的就是這家的電池）。
最后，金屬鋰作為負(fù)極材料的極大難度還表現(xiàn)在，到目前為止還都沒(méi)突破400次循環(huán)，離車(chē)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)還差得很遠(yuǎn)。
第二座大山是固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率難題。
電解質(zhì)的功能就是在電池充放電過(guò)程中為鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)搭建通道，決定鋰離子傳輸順暢與否的指標(biāo)就是離子電導(dǎo)率，離子電導(dǎo)率的高低直接影響了電池的整體阻抗和倍率性能。而不幸的是，無(wú)論是哪種材質(zhì)的固態(tài)電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率都普遍偏低，其中硫化物電解質(zhì)的電導(dǎo)率相對(duì)較高，也只是限于和最差的聚合物電解質(zhì)的對(duì)比。
聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電率差到哪種地步呢？在室溫25度下，聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率要低于常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)5個(gè)數(shù)量級(jí)，到60度時(shí)，依然差著2個(gè)數(shù)量級(jí)，到120度的時(shí)候依舊有1個(gè)量級(jí)的差距。
舉個(gè)例子，假設(shè)用這樣的一塊聚合物固態(tài)電池裝在你的手機(jī)里，你能想象你的手機(jī)內(nèi)部溫度高達(dá)近100度嗎？
再以法國(guó)Bollore公司為例，為了保證他們家采用聚合物固態(tài)電池的電動(dòng)汽車(chē)能夠正常運(yùn)行，法國(guó)人甚至還專(zhuān)門(mén)為每輛汽車(chē)上搭配了一個(gè)加熱元器件，每次啟動(dòng)車(chē)輛之前都要將電池加熱到80度，因?yàn)橹挥袦囟壬吆螅姵氐膶?dǎo)電性才能變好。
升高電池溫度這一過(guò)程不僅麻煩，而且會(huì)消耗能量，導(dǎo)致電池Pack的有效能量密度顯著下降，同時(shí)由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實(shí)際使用時(shí)，還需要和大功率的超級(jí)電容器配合使用。
更要命的是，通常這種聚合物固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口都比較窄（一般在4V以下），對(duì)應(yīng)的正極材料選擇只能是磷酸鐵鋰、鈷酸鋰或者三元NCM111，使其總體能量密度很難達(dá)到300Wh/kg。例如法國(guó)Bollore公司的聚合物電池，雖然號(hào)稱(chēng)是固態(tài)電池，但其比能量卻只有100Wh/kg。
由于固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體低于液態(tài)電解質(zhì)，這就導(dǎo)致了目前固態(tài)電池的內(nèi)阻過(guò)大，倍率性能整體偏低，所以固態(tài)電池暫時(shí)也就告別快充了（聚合物固態(tài)電池充滿(mǎn)電需要5個(gè)多小時(shí)）。業(yè)界人士表示，固態(tài)電池導(dǎo)電率要維持在在適當(dāng)?shù)乃剑荒苓^(guò)高，也不能過(guò)低，“這樣的材料非常難開(kāi)發(fā)”。
所以，電導(dǎo)率的問(wèn)題成為另一大阻礙固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一。
第三座大山是固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極的界面匹配問(wèn)題。
雖然固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極材料界面基本不存在像液態(tài)電解質(zhì)分解那樣的副反應(yīng)，但電解質(zhì)由液態(tài)換成固體之后的弊端也是顯而易見(jiàn)的。鋰電池體系由電極材料-電解液的固液界面向電極材料-固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉(zhuǎn)化過(guò)程中，就必然存在著由于固固之間無(wú)潤(rùn)濕性（傳統(tǒng)鋰電池的電解液和正負(fù)極有很好的浸潤(rùn)性，可以達(dá)到你中有我我中有你的和諧境界），“硬碰硬”的直接結(jié)果就是電解質(zhì)和正負(fù)極界面相容性不佳，界面接觸電阻變大，從而嚴(yán)重影響了鋰離子在界面之間的傳輸。
電解質(zhì)和正負(fù)極之間的界面相容性，直接決定了界面反應(yīng)電阻和電池循環(huán)穩(wěn)定性等諸多性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，目前固體電解質(zhì)與正負(fù)極之間的界面接觸阻抗值是電解質(zhì)本體阻抗的10倍以上，這直接導(dǎo)致一系列惡果：固態(tài)電池的內(nèi)阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、循環(huán)壽命變短、倍率性能變差。
固體電解質(zhì)和正負(fù)極直接的界面匹配問(wèn)題，界面阻抗大是制約固態(tài)電池循環(huán)性能的最重要瓶頸之一。
四第四座大山，就是固態(tài)電池及其材料的生產(chǎn)工藝和設(shè)備難題。
前面提到了，鋰金屬用作負(fù)極材料的制備，堪比芯片制造的難度。金屬鋰是個(gè)十足活潑的活躍分子，極容易與空氣中的氧氣和水分發(fā)生反應(yīng)，并且還不耐高溫，這就給固態(tài)電池的生產(chǎn)組裝和實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)極大的困難。
還有，如果要改善電解質(zhì)和正負(fù)極的界面阻抗，就要通過(guò)在1000度以上的高溫下燒結(jié)電極材料來(lái)增加界面的接觸面積，這對(duì)工藝要求也比較苛刻。
在薄膜型氧化物電解質(zhì)的制造中，由于傳統(tǒng)的涂布法無(wú)法控制粒子的粒徑與膜厚，成膜的均勻性比較低，只有真空鍍膜法才能夠較好保持電解質(zhì)的均勻性。所以薄膜型固態(tài)電池產(chǎn)品多采用真空鍍膜、磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等方法生產(chǎn)，對(duì)設(shè)備要求極高，制備工藝也很復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，成本高昂。
例如，2015年被戴森收購(gòu)的Sakti3就是生產(chǎn)薄膜型固態(tài)電池的，但其產(chǎn)品由于制備成本高以及規(guī)模化生產(chǎn)難度大導(dǎo)致成本極其高昂，有人測(cè)算如果一輛電動(dòng)汽車(chē)采用Sakti3的固態(tài)電池的話(huà)，那么僅電池成本就高達(dá)9000萬(wàn)美元。
然而，戴森老爺子居然說(shuō)要在將來(lái)的戴森牌電動(dòng)車(chē)上使用Sakti3的固態(tài)電池，也真的是……壕。
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