經緯科創匯動力鋰電池專場又和大家見面了，我們和DeepTech戰略合作，邀請到了學界和業界的資深專家，以及行業投資人和創業者來進行交流。

本篇是我們動力鋰電池系列的第4篇文章，訪談對象是吳凡，他是中科院物理研究所博士生導師、中科院物理研究所長三角研究中心科學家工作室主任、天目湖先進儲能技術研究院首席科學家。吳教授對固態電池研究有很深的造詣，其中包括硫化物全固態/固態鋰（離子）電池材料、電芯研發；正負極材料和固態電解質界面處理；先進材料表征和分析；高能量密度鋰（離子）電池材料、電芯研發等等。

我們和吳教授重要探討固態電池，其中包括固態電池的難點和可能性、如何選擇固態電池技術路線、半固態是否會是折中路線、固態電池的安全性如何……假如你想更系統地了解動力鋰電池，請參考我們本期科創匯的其他文章（《動力鋰電池全面爆發時刻，誰將引領下一次產業革新？》），未來我們還會分享一系列分析研究。以下，Enjoy：

吳凡教授

經緯：大家對固態電池的量產時間預測，一直在往后延期，在您看來，當下全球范圍內，像日本、歐洲、美國、我國，在固態電池領域的研發方向是怎么樣的？大家正在嘗試解決什么問題？

吳凡：固態電池的研發，重要集中在中日韓美歐五個國家和地區。我國四大頭部固態電池公司（北京衛藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、輝能），都是以氧化物材料為基礎的固液混合技術路線為主。

日本舉全國之力做硫化物材料技術體系。在AlcaSpring,Rising2,SolidEV等國家項目中，日本聯合了38家研發機構，包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司，松下日立造船等電池公司，三井金屬等化學制品公司、研究所、大學一起做全固態電池研發。直到今天，豐田依然是全球范圍內，擁有硫化物全固態電池專利數量最多的公司，他們在這方面的積累比較深厚，已經有20多年的研發歷史。豐田最早宣稱在2018年實現硫化物全固態電池量產，目前宣稱推遲到2025年。

2021年十月，日本三井金屬宣布建成年產十噸級的硫化物固態電解質材料生產線，這是世界上第一條硫化物固態電解質材料的噸級生產線，從中可以看出日本不僅是布局，而且也有了實質性推動。豐田主推硫化物全固態電池在電動汽車上的應用，三井金屬供應配套的噸級硫化物材料。

韓國也是舉全國之力在推進硫化物全固態電池開發。代表性公司有LG化學、三星、浦項等。三星在2022年三月宣布開始建設前列條全固態電池生產線，浦項配套建設年產量24噸級的硫化物材料生產線。

歐洲是最早推進聚合物固態電池產業化的地區。當時法國的Bollole公司首次提出把聚合物固態電池用在電動巴士（Bluebus）、電動出租車（Bluecar）等公共交通領域，但是聚合物電池的缺點是要在60度的高溫環境下才可以正常充放電，并且聚合物本身也有化學穩定性差的問題，無法適用于高電壓的正極材料，像鈷酸鋰、高鎳三元等等，熱安全性也不強。所以最終聚合物固態電池也沒有形成趨勢。

最近歐洲轉為以投資為主。歐洲著名的整車廠投資國外的電池公司，像大眾、寶馬、奔馳都有投資相應的美國初創公司，以爭取在下一代全固態電池上的話語權。

在美國，固態電池重要是以初創公司為主。美國的體系比較復雜，不像日韓完全聚焦于硫化物，我國聚焦于氧化物固液混合。美國的公司以創新為主，風格以快速融資、快速上市為重要目的，所以他們提出的概念更加吸引眼球，比如鋰金屬、硫化物等等這些風潮，或是熱門詞匯，都會作為核心賣點進行宣傳。

美國主流的幾家創業公司，如ionicmaterials以聚合物固態體系為主，SolidPower展示了硫化物體系的全固態電池小規模生產線的照片和電芯數據。QuantumScape是以氧化物和鋰金屬為重要的技術路線。還有SolidEnergy，是以鋰金屬加上電解液的電池作為他的重要賣點。

隨著電動汽車的滲透率越來越高，安全性變成一個核心要素，無論是在產業界還是在學術界，固態電池是一個解決安全性和提升能量密度的重要方向和技術。

經緯：有關硫化物、氧化物、聚合物三種固態電池的重要技術路線，它們的導電性、能量密度等等核心指標也都各有優劣，您覺得應該如何全盤考慮優劣勢？

吳凡：主流的固態電解質材料，就是聚合物、氧化物和硫化物三種材料體系，這三種材料體系都是從1980年代就開始了研究，到現在接近半個世紀的時間。所以各條技術路線上的代表性材料，其實都已經篩選出來了。

聚合物的特點是易加工，和現有的液態電解液的生產設備、工藝都比較兼容，它的機械性能好比較柔軟。

但聚合物的缺點也挺多的。第一，它的室溫離子電導率是三個材料體系中最低的，這直接導致它要想應用比較難，要加熱到60度以上的高溫，才能有比較好的離子電導率。

第二，聚合物的高電壓、穩定性比較差，導致它沒有辦法適配于高電壓的正極材料，所以限定了它的能量密度。但固態電池的核心優勢，除了安全性之外就是能量密度，假如正極材料有限制的話，它的能量密度就沒有辦法提高，所以聚合物在這方面有缺陷。

第三，聚合物本身的安全性，也沒有硫化物和氧化物的熱穩定性好，因為聚合物在高溫下也會發生起火燃燒的現象，而我們有關固態電池就是希望它能徹底解決安全的問題，因為液態電池的電解液在60度就有放熱反應，再高溫到100度就有燃燒風險，導致安全事故。聚合物也類似，熱穩定性普遍在200度以下，但氧化物和硫化物的熱穩定性可較輕松達到400-600度以上。所以聚合物雖然是三條技術路線中最早開始推進商業化應用的，但到現在也沒有大面積鋪開，就是安全性原因導致的。

氧化物體系的離子電導率比聚合物更高，氧化物的優點是穩定最好，熱穩定性高達1000度，同時機械穩定性和電化學穩定性也都非常好。

氧化物也有一些缺點。第一，相有關硫化物，氧化物的室溫離子電導率還是偏低的，這使得在性能中會遇到容量、倍率性能受限等等一系列問題。

第二，氧化物非常堅硬的，這個問題更嚴重。氧化物的顆粒是以點接觸的形式存在，假如我們在簡單的室溫冷壓情況下，用氧化物做成的全固態電池是一個孔隙率非常高的電池。在液態電池中，所有的孔隙都有電解液浸潤，所以界面接觸沒有任何問題，但在固態電池中，這些孔隙就無法導鋰。

用氧化物做的全固態電池，要用1000度以上的高溫燒結后才能熱壓致密化，把孔隙率降低。所以氧化物體系本身離子電導率低，再加上它孔隙率高，機械性能比較堅硬造成點接觸的問題，這些核心問題都導致它不大可能是全固態電池。目前國內都在研發的，就是固液混合方向，既有氧化物的固態電解質層，又有電解液浸潤，這樣能夠填充孔隙，讓它有完好的導鋰通道。

最后一個是硫化物體系。硫化物是室溫離子電導率最高的，也是人類目前發現的所有固體材料中，鋰離子電導率唯一能超過液態電解液導鋰水平的固體材料，所以很多人覺得用它做全固態電池是最有價值的。

另外硫化物的機械性能比較柔軟，它在室溫冷壓的情況下，就可以高度致密化，孔隙率較低，這樣在大規模制備全固態電池的過程中，就不要100度的高溫燒結，只要正常的冷壓致密化就可以。從這些角度看，硫化物從科學原理上來說，的確是最有可能實現全固態電池的材料體系。

不過硫化物也有缺點。因為當離子電導率高了以后，會導致電化學穩定性比較差，反應活性高。而反應活性高了之后，就會跟幾乎所有介質出現反應，包括空氣。假如遇到空氣中的水分，就會反應生成硫化氫，這是致命的有毒氣體。

此外硫化物跟電池中使用的有機溶劑都不兼容，會出現劇烈反應導致硫化物失效。這些困難導致硫化物的發展沒有那么快，要很好的隔絕空氣，以及不和極性溶劑接觸等等，這些都新增了制備硫化物全固態電池的難度。

經緯：之前正好提到"固固接觸"的問題，比如在氧化物材料體系上，當下還是利用了固液混合來解決這個問題。假如仍然是全固態的話，要想解決固固接觸問題可能會怎么做？比如把電極材料的粒徑做小？當然目前肯定還沒有很好的解決方法，但是有什么可能的研究方向？

吳凡：首先聚合物和硫化物本身的機械性能比氧化物好，沒有那么堅硬，所以它們跟正負極極片之間，或者在極片內部的界面接觸問題，相對要好一些。

在電池的實際組裝過程中，像您剛才提到的粒徑匹配是一個非常重要的因素，用大顆粒，還是用大小顆粒按特殊分布方式去排列，很明顯最終的孔隙率是不相同的，這就是通過材料本身的機械性能和粒徑尺寸分布，來從物理層面提升界面的接觸性能。

而接觸性能會直接影響極片的壓實密度，壓實密度又直接決定了整個電池的能量密度，這些都是息息相關的。

經緯：您覺得在固態電池里，正負極材料跟現在的磷酸鐵鋰、三元體系，會有不相同嗎？會用新材料或新元素嗎？

吳凡：正負極的話，假如我們保持跟現在液態電池相同的材料體系，就會導致電池的能量密度沒有新增，甚至有可能是減少的。因為電池的能量密度重要取決于正負極材料，固態電池中間的固態電解質層，比隔膜電解液可能更厚、更重，這就導致能量密度反而會有所下降。所以我們一定要把正負極材料也做一定的升級，才能把固態電池的能量密度提上來。

但是從電池PACK的角度來講，單個固態電池即使跟液態電池有著相同的能量密度，在PACK層面的總能量密度還是會比液態電池要高。

當然，我們還是希望固態電池的單體電芯能量密度也有所新增，所以會把正負極材料做體系的升級。這不意味著升級以后的正負極材料，就只能用于固態電池，它們也可以應用于液態電池，只不過要解決的是正負極材料更新以后和液態電解液的兼容性和循環穩定性問題。

具體到材料體系，現在普遍應用于3C產品的液態電池用鈷酸鋰正極，石墨或者硅碳負極。有關用在電動汽車上的動力鋰電池，普遍使用三元、磷酸鐵鋰正極材料，和石墨或者硅碳負極。

到固態電池的話，會往更高能量密度的材料走，比如高鎳三元正極材料，往更高的鎳含量上沖刺，甚至未來可能用富鋰錳基這樣的正極材料，它的能量密度更高。

負極會從硅碳負極開始，甚至用上鋰金屬負極。可能不會過多的考慮石墨負極，因為石墨的能量密度不太夠。從硅碳負極為基礎，逐漸過渡到鋰金屬負極，負極材料的理論值基本就到頭了，因為鋰金屬是能量密度最高的負極材料。當然，能量密度高也會帶來很多問題，比如說安全性、循環效率/壽命等等，鋰金屬會帶來穿透短路的問題，這些都是在固態電池中要去解決的。

總的來說，正負極材料體系有關液態、固態沒有天然壁壘，不會是只能用在液態或是只能用在固態，而是兩者可以通用。但它們要解決的問題是不相同的，無論用哪種正負極材料，都首先要考慮這些材料和固態電解質或液態電解液的界面穩定性問題，是否有界面反應等等。

經緯：從循環壽命來看，固態電池和液態電池有什么優劣勢？

吳凡：有關這一點我們有比較深的感觸。液態電池中隨著循環時間的延長，負極界面會形成SEI且不斷重復破裂，導致電解液不斷消耗，導致最終效率降低、容量跳水等。在正極側也會有分解反應，放出氣體脹氣等等，到一定循環圈數以后，電解液會干涸，沒有辦法再完全浸潤所有孔隙，最終在某一個階段突然容量大跳水，這是在液態電池中非常普遍的現象，所以液態電池的循環壽命是有限的。

但是全固態電池假如組裝得當，界面接觸比較良好的話，實際上循環壽命非常非常長。我們甚至在實驗室里能做到5萬圈以上的循環壽命，相比于液態電池是10倍、20倍循環壽命的拓寬，這是固態電池給我們帶來的非常好的希望。

經緯：那假如從乘用車的使用體驗來說，您覺得固態電池可能會帶來怎么樣的變化？

吳凡：有關消費者來說，首先就沒有了安全焦慮。全固態電池在安全性上，可以根本解決這個問題，因為把有機電解液去掉了。有機電解液是起火爆炸的罪魁禍首，首先它的燃點非常低，其次在電池循環過程中，比較容易發生化學反應，或者出現漏氣，它的化學反應是放熱的，假如短時間內升溫到60度以上，就會加劇熱反應、熱失效，到100度就開始起火，再高溫度就爆炸了。

當換成固體材料后，它是一個晶體的無機陶瓷材料，本身不可流動，也沒有滲漏，熱穩定比較好，沒有起火燃燒爆炸的隱患，安全性大幅度提升。

另一方面，把電解液換成固態電解質以后，更加有可能實現鋰金屬這樣的負極材料，能大幅提升能量密度。因為鋰金屬特別容易長鋰枝晶，造成穿透。在電解液的情況下，假如形成鋰枝晶，就容易造成短路，短路會導致大電流起火放熱，也會燃燒爆炸。而固態電解質作為中間層，可以有希望抑制鋰枝晶穿透，所以鋰金屬就更加有可能成為全固態電池的負極材料。

假如用鋰金屬作為負極，電池的能量密度將大幅上升。再加上在PACK層級，用固態電池可以簡化大量的非必要器件，比如冷卻系統、外接電路系統等等，能進一步提高體積利用率。從而實現充一次電跑1000公里，解決用戶的里程焦慮問題，這些對消費者都會有很大影響。

還有一個優勢是低溫環境下的表現。目前液態電池在低溫下的性能不夠好，因為液態電解液會有凝固的問題，一旦凝固就徹底失效了。固態電池在低溫下性能也有所衰減，但因為固態電解質不會有低溫凝固的問題，整體影響要小很多。

經緯：剛剛聊到了很多固態電池的優勢，但它會不會有劣勢？比如硫化物體系下出現硫化氫的問題？

吳凡：劣勢肯定是有的。首先最核心的劣勢就是價格，現在的固態電池，都還在實驗室到產業化的孵化階段，或者是從中試到產業化的階段，離大規模量產還很早。

現在全球范圍內，唯一接近產業化的是固液混合電池。但它還是比液態電池價格高，因為目前液態電池產業鏈非常成熟。

硫化氫的問題倒不算太大，因為它重要是在生產過程中出現。我們在生產電芯的過程中，首先要生產硫化物材料，這個過程中就會有出現硫化氫的問題，這是廠生產環節中要控制的，確保硫化物材料不接觸空氣，要定制化加工設備、重新設計生產線。一旦生產封裝完畢以后，對電芯本身會有非常嚴密的外殼保護。在正常情況下，即使交通事故很大，也不會對電芯有很強的破壞，在PACK層級做一個完整的保護裝置就可以。

此外，全固態電池中正極極片在高能量密度的固態電池中，會達到100微米以上，硫化物固態電解質材料的膜，基本會達到20微米這個級別，所以是5比1的體積比。再加上還有負極，所以整個電芯體積比中，硫化物可能只有十分之一的體積，它占的量是很少的。所以一旦封裝完成，硫化氫就較難出現，重要是在生產過程中有可能碰到這個問題。

經緯：有關固液混合來說，您覺得它會是一個過渡性的狀態，還是有可能形成一種最終的技術路線，只不過不同類型適合不同場景？

吳凡：實際上最后所有產品都是看性價比，固液混合也有可能形成一種技術路徑。固液混合現在量變的比較成功，比如把原來15%以上的電解液含量降低到8%，那其實就降低一半了。

再配合著電芯結構的改造等一系列措施，比如比亞迪的刀片電芯，就有可能讓電池的安全性特別好，無論穿刺、擠壓、過沖、過放、高溫等都不會起火、燃燒、爆炸，這樣子對用戶來說，就不要關注這個東西到底是全固態還是半固態，只要它不會起火燃燒，就是一個好產品。

固液混合在價格上和生產工藝上，和液態電池相比也更加有可比性，所以它的確有可能真的比日本的全固態電池更加有市場。像日韓的硫化物全固態，各方面都要重新配置。

而從應用領域的角度來看，最大的三塊市場就是3C消費電子、動力鋰電池、儲能，除了這三塊其實還有一些市場，比如、航天、特種裝備等等，這些場景下對安全性有非常高的要求。比如航天在零重力的情況下，或者在從地表到高空的極端加速過程中，要的就是沒有液態電解液的全固態電池。所以當細分領域的需求不相同，不同技術路徑就也是有生存空間的。