科普电动汽车终局之战固态电池

　　最近大众汽车集团召开了隆重的线上电池日Power Day，其中公布了包括固态电池在内的很多电动汽车电池技术细节。很多朋友关心什么是电动汽车固态电池，为什么固态电池被称为电动汽车的终局之战。那么今天让我们聊聊电动汽车固态电池的技术细节吧。
　　什么是固态电池
　　↑电动汽车动力电池组成
　　说到什么是固态电池，我们就要先来讲讲电动汽车动力电池组成。目前电动汽车使用的锂离子动力电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解质构成。其中正极材料主要决定电池的成本和续航里程。而负极材料主要决定电池的充电速度。与此同时，正负极和隔膜材料都浸泡在液态的电解质之中。
　　相应地顾名思义，固态电池就是使用固体电极和固体电解质的电池。
　　下面我们就从目前主流的动力电池化学材料来分析一下固态电池实现的难点。
　　正极材料
　　↑动力电池正极材料
　　前面提到正极材料主要决定电池的成本和续航里程。我们就基于大众集团电池日公布的细节来聊聊目前主流的正极材料。业绩普遍在长续航里程的电动汽车中使用的镍锰钴NMC三元锂电正极，它占到了锂电池电芯多达40%的成本，并且续航里程90%受制于正极材料的性能。相应的在中短续航里程的电动汽车中，磷酸铁锂LFP正极得以应用，它能够将锂电池电芯成本降至原来的80%，而续航里程则相应缩短至原来的80%左右。随着技术的演进，业界正在研究高镍低锰无钴正极材料，它能够将锂电池电芯成本降至原来的80%，而续航里程则保持基本不变。
　　负极材料
　　↑动力电池负极材料
　　对应正极材料主要决定电池的成本和续航里程，而负极材料主要决定电池的充电速度。业绩普遍在电动汽车中使用石墨烯碳材料正极，它几乎完全决定了充电速度。因为负极材料包容锂离子的能力决定了其充电速度，因此石墨烯是快充技术的关键。并且续航里程小幅大约10%受制于负极材料的性能。相应的随着技术的演进，业界正在研究石墨烯参杂硅负极材料，它能够将锂电池充电时间降至原来的70%，而续航里程则可增加10%。因为石墨烯参杂硅以后能够达到约20倍于原来的锂离子包容能力，可以大幅提升充电速度。
　　固态电池组成和工作原理
　　↑电动汽车固态电池组成
　　左侧的传统锂电池由于使用液态电解液因此隔膜采用多孔渗透结构Porous，石墨烯和铜板组成电池负极，镍锰钴NMC和铝板组成电池正极，正负极和隔膜均浸泡在液态电解液中。由右侧的固态锂电池组成可以看到，隔膜更新成了固态的锂离子导电陶瓷，锂金属和铜板组成新的电池负极，全新的固态电解质和铝板组成电池正极。
　　↑电动汽车固态电池优缺点
　　固态电池优势包括：
　　1. 能力密度高-电解质和电极均为固态构成紧凑的结构
　　2. 更长续航里程
　　3. 更快充电速度-400公里续航充电时间有望从25分钟缩减至12分钟
　　固态电池劣势包括：
　　1. 高温下离子导电率低
　　2. 化学界面稳定性欠缺
　　3. 大规模量产能力不足
　　4. 电芯厚度不均匀
　　总体来说，固态电池的优点使电动汽车性能趋向完美，但它的劣势明显受限于稳定性还未达到真正量产的标准。
　　固态电池的应用实例
　　↑电动汽车固态电池制造商
　　按照LUX研究机构报告，电动汽车固态电池制造商可谓为数众多，而且变化飞快。大众汽车投资的Quantumscape在此次大众电池日中被多次提及，而宝马和福特则投资SolidPower，通用汽车投资的Sakti3和SolidEnergy，博世收购美国加州初创公司SEEO。可以说电动汽车固态电池制造商各有技术路线，潜力还未明确有待挖掘。那么为什么电动汽车固态电池有这么多制造商呢？那么就要来看一下固态电池的类型了。
　　固态电池按固态电解质分类：
　　1. 硫化物-业界主流，又称锂硫电池，导电率高，制造条件苛刻
　　2. 氧化物-包括石榴石型和LiPON薄膜型等， 稳定性好，界面接触差
　　3. 聚合物-灵活性好，聚合物薄膜便于大规模生产，导电率低
　　很多制造商选择多重押宝，比如Quantumscape就同时手握硫化物和石榴石固态电解质专利。
　　↑博世投资固态电池制造商SEEO
　　比如博世收购美国加州电池公司SEEO，SEEO脱胎于美国加州伯克利实验室Berkeley Lab，专注于固态锂电池的开发。SEEO的固态锂电池采用聚合物Polymer材质，结构更加紧密。它的固态锂电池的具有体积小，能量密度大，碰撞后不会燃烧的优点。SEEO所采用的聚合物Polymer卷对卷生产概念。电池的正极，电解质和负极等材料都被一层层的卷进一个100微米厚的薄膜中，提高了生产效率。SEEO坚持使用的固态电解质则为干聚合物Dry Polymer薄膜。聚合物电解质的组成与有机电解液比较接近，它们均由电解质锂盐和＂溶剂＂组成。其实博世和SEEO的合作始于2015年，但至今仍未量产。可见固态电池技术何时能量产仍然是业界关心的重中之重。
　　↑锂空气固态电池
　　除了上述固态电池，业界还提出了锂空气电池让原来就鱼龙混杂的固态电池市场变得更加错综复杂。传统的锂电池正负极都是固体材料封闭在电池包中进行化学反应，通过锂离子的迁移放电。对应的锂空气电池却是靠锂离子在正极中与空气中的氧气进行氧化反应进行发电的。因此电池的结构更简单重量更轻，但是同时需要保证在正极中锂离子可以和氧气有充分稳定的接触。剑桥大学2015年发表于核心期刊《科学》中的论文《锂空气电池，更好的高能量密度电源》，创新地将化学反应产物从氧化锂变成了更易处理的氢氧化锂。其中一项关键调整就是使用了还原态氧化石墨烯作为渗透性极好的多孔蓬松电极。这样的电极保证了前文提到的正极中锂离子和氧气的充分稳定接触。锂空气电池的内部结构为了提高空气的接触面积而设计的和人体肺部结构非常类似。
　　↑蔚来汽车投资固态电池
　　而最近国内车企也陆续揭露了投资固态电池的动向。比如广汽新能源宣布投资清陶能源的固态电池，而蔚来汽车则在投资宁德时代和卫蓝新能源等多家潜在固态电池制造商。国内车企相对务实，着眼短期内更有希望短期量产的固液混合电解质固态电池，附加无机预锂化硅碳负极和纳米级包裹超高镍正极等材料技术增加汽车动力电池的性能。
　　综上，今天我们介绍了电动汽车固态电池的化学组成、工作原理和应用实例。固态电池包含硫化物、氧化物、聚合物和锂空气等多种技术路线。最终哪个方向能够成熟量产还未可知。国内车企则转向更有希望短期量产的固液混合电解质固态电池。让我们期待固态电池技术的逐渐完善，随着大量应用并走向量产从而完成电动汽车的终局之战。