2024年被行業看作是固態電池產業發展的重要節點，不少企業都先后對外公布了固態電池落地的時間表，這也讓行業對固態電池的熱情不斷提升。
固態電池的革新最重要體現在電解質層面。不過，電解質從液態到固態的改變不僅僅是形態的改變，更是化學材料的改變，以此來提升能量密度、改進安全性能。
而電解質的不同也使得固態電池形成了多樣的技術路徑。目前，全固態電池主要分為聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系四種技術路徑。
“說實話沒有一種是十全十美的。目前離子導電性最高的是硫化物體系，接近產業化的也是硫化物體系。但是也不大可能一種產品打天下，因為硫化物電解質也需要和聚合物進行復合。”近日，中國科學院院士歐陽明高在“中國汽車動力電池產業創新聯盟2024年度大會”上表示，全固態電池的技術路徑并沒有實現全球統一，關于電解質的研究、驗證等還有很多工作要做。
四大技術路線各有優劣
與液態電池相比，半固態電池、全固態電池最核心的改變在于電解質材料的改變，其主要分為四條技術路徑。
具體來看，聚合物體系主要使用的材料是PEO（聚環氧乙烷）等，其優勢為柔韌性好、質量輕、成本低、易于加工；劣勢為常溫下離子電導率低，電化學窗口窄。據了解，聚合物體系技術路線研發時間最早。目前，歐美企業多采用該體系路線。
氧化物體系主要使用的材料是石榴石（Garnet）、鈉離子導體（NASICON）等，其優勢為循環性能良好，電化學穩定性高；劣勢為離子電導率較低，界面接觸性差。目前，國內企業多采用該體系路線。
圖片來源：每經記者 孔澤思 攝（資料圖）
硫化物體系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS（均為一種硫化物電解質）等，其優勢為離子電導率較高，如LGPS、LSP-SC（均為一種硫化物電解質）室溫下的離子電導率已與傳統液態電解質媲美。劣勢為與空氣接觸形成有毒的硫化氫，材料生產對工藝的要求極高，成本較高。目前，日韓企業多選用該體系路線。
鹵化物體系主要使用的材料包括氟、氯、溴和碘等，其優勢在于高離子電導率、良好可變形性和寬電化學窗口，其劣勢則是鹵化物體系的還原電位不夠低，無法與金屬鋰負極匹配，而且原材料成本過高等。
目前來看，國內各個企業選擇的技術路徑不盡相同。比如，清陶能源采取了氧化物電解質路線，而國軒高科則選擇了硫化物的體系路線。“固態電池的研究已經很久，也積累了很長的基礎。但借助于硫化物超快離子導電性能的發現，我們又迎來了電池技術快速的發展期。”深藍汽車科技有限公司高級項目總監周安健認為，固態電池進入到創新的機遇期。
“全固態電池的固態電解質主要有四種材料體系，每一個的優點都很突出，缺點也很明顯。因此，材料復合是一個非常好的解決問題的思路，因為材料復合在科學上確實有協同效應在，所以要取長補短來解決整個問題。”南方科技大學教授許曉雄表示。
實現快充需進一步提升離子導電性
眼下，固態電池的高能量密度和高安全性已經成為共識，但其電解質改變的同時也帶來了另一個問題。
一般來說，電池中電解質的功能是為鋰離子在正負極之間傳輸搭建通道，而決定鋰離子運輸是否順暢的指標被稱為離子電導率。與液體電池不同，半固態及全電池的電解質與正負極之間以固-固界面接觸，其接觸更多是面積更小的點狀，因而離子電導率通常比液態電解質低，進而也導致固態電池的快充能力受限。
因此，如何提高“離子電導率”“如何去解決快充難題”都是半固態及全固態電池需要去突破的難題。
圖片來源：每經記者 張建 攝（資料圖）
值得一提的是，智己汽車推出的智己L6 Max光年版的半固態電池可以實現900V快充。一位智己汽車工作人員透露，智己汽車的第一代固態電池，是通過材料優化和一些專利的生產工藝，使得固體物質的致密程度提升，離子導電率會相對更好，簡單而言就是電芯整體內阻更低，快充性能會更優。
“在電池有任何液體的狀態下講快充，可能就會面臨非常多的問題。電解質從原來的固-液接觸變成了固-固接觸，接觸界面處會有空電荷區的存在，這也是界面高阻抗的重要原因。如果我們把固態電解質做成一個膜的時候，它的離子電導率并不是很理想。”廣州巨灣技研有限公司首席科學家毛文峰說。
據毛文峰透露，為了解決固態電池快充的問題，他們嘗試引入了介電質。“這種材料可以幫助提升固態電解質的離子電導率。我們之前的研究成果證明，介電質的高介電性可能有效提升了鋰的交換電流密度，提升正極和固態電解質之間鋰的濃度，從而減少界面電阻的存在。”毛文峰說。
目前，如何提升固態電池的離子導電性是行業的關鍵問題，其在技術上突破也影響著固態電池的規模量產。這一過程并不容易，中國工程院院士孫逢春在上述大會上表示：“從技術角度來看，固態電池要想實現產業化還是任重道遠。”
每日經濟新聞
最新評論