固態(tài)鋰金屬電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化有望更早實(shí)現(xiàn)。

3分鐘內(nèi)完全充電，生命周期內(nèi)可循環(huán)超過1萬(wàn)次，可持續(xù)使用20年——美國(guó)哈佛大學(xué)對(duì)于固態(tài)鋰金屬電池的研究有了新的技術(shù)突破。

與目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車電池所用的傳統(tǒng)鋰離子電池不同的是，固態(tài)鋰金屬電池使用的是純金屬形式的鋰，同時(shí)，使用固體電極和固體電解質(zhì)取代鋰離子電池中的液體或聚合物凝膠電解質(zhì)。

相比市場(chǎng)上的傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)鋰金屬電池充電更快，能量密度更大，電池壽命更長(zhǎng)。

美國(guó)哈佛大學(xué)對(duì)于固態(tài)鋰金屬電池的研究可追溯至去年5月，但彼時(shí)的技術(shù)停留在“10-20分鐘內(nèi)完全充電，10-15年的電池使用壽命”層面上。

此次固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)新的突破，可以說，直接拉高了電池技術(shù)水平的平均線，若真正大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化或?qū)⒊蔀榻鉀Q制約電動(dòng)汽車發(fā)展動(dòng)力問題的關(guān)鍵，進(jìn)一步賦能電動(dòng)汽車行業(yè)。

目前，初創(chuàng)公司Adden Energy宣布已獲得哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室授予的獨(dú)家技術(shù)許可，用于推進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化，其目標(biāo)是將電池縮小為手掌大小的“軟包電池”。

由來已久

固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)并非現(xiàn)在提出的全新概念，此前除了哈佛大學(xué)，還有很多公司對(duì)此項(xiàng)技術(shù)有過學(xué)術(shù)研究。

2020年12月，Quantum Scape對(duì)外宣布固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)的進(jìn)展，聲稱公司的固態(tài)電池相比市場(chǎng)上的傳統(tǒng)鋰電池續(xù)航高出80%，用15分鐘即可充滿80%的電量，且能夠提供約16萬(wàn)公里的續(xù)航能力。

由于固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)，QuantumScape曾在短短1個(gè)多月股價(jià)飆漲13倍，并獲得大眾集團(tuán)的兩次投資。

在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所曾通過采用電子-離子混合導(dǎo)電活性物質(zhì)作為正極實(shí)現(xiàn)100%全活性物質(zhì)全固態(tài)電極，與金屬鋰負(fù)極搭配，構(gòu)建出高能量密度全活性物質(zhì)全固態(tài)電池，在電極層面上實(shí)現(xiàn)了770Wh/kg和1900Wh/L的能量密度。

2021年8月，Sakuú Corporation公司宣布，已開發(fā)出3Ah固態(tài)鋰金屬電池，將電池的能量容量提高了100倍，體積能效提高了12倍以上。并計(jì)劃于2022年初開始量產(chǎn)這種電池。

學(xué)術(shù)的研究推動(dòng)技術(shù)進(jìn)展，固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)在行業(yè)內(nèi)“聲名鵲起”，被譽(yù)為電池行業(yè)的顛覆性技術(shù)，甚至被冠以“動(dòng)力電池的未來”的名號(hào)。

除了學(xué)術(shù)方面的研究，資本也早早布局固態(tài)電池領(lǐng)域，固態(tài)鋰金屬電池成為繼三元鋰電池后，各家角逐的新方向，固態(tài)鋰金屬電池的賽道持續(xù)升溫。

固態(tài)鋰金屬電池被認(rèn)為是未來5~10年的主流方向，在市場(chǎng)掀起一股研發(fā)和投資熱潮。

近幾年，包括日本、德國(guó)和美國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家加大對(duì)于全固態(tài)電池（固態(tài)鋰金屬電池）的研發(fā)，現(xiàn)代汽車等企業(yè)也早于在2018年組建團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行相關(guān)研發(fā)工作。

我國(guó)對(duì)于固態(tài)鋰金屬電池的布局也不晚，早在2017年，贛鋒鋰業(yè)就布局固態(tài)鋰金屬電池的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，當(dāng)年就對(duì)外宣布，計(jì)劃以不超過2．5億元投資建設(shè)第一代固態(tài)鋰金屬電池研發(fā)中試生產(chǎn)線。并且與固態(tài)電池專家、原中科院材料所研究員許曉雄博士達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，目標(biāo)在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化。此外，像寧德時(shí)代、比亞迪等巨頭公司均有固態(tài)鋰電池領(lǐng)域的布局。

“對(duì)癥下藥”

不管是學(xué)術(shù)界還是資本界，對(duì)于固態(tài)鋰金屬電池的追捧都可以說是漸趨瘋狂，究其原因在于，其能極大緩解新能源汽車發(fā)展過程中的“安全焦慮”和“里程焦慮”。

而安全性和能量密度是目前傳統(tǒng)鋰離子電池存在的兩大短板。

對(duì)于汽車市場(chǎng)而言，如何保障安全無疑是頭等大事，但近年來，新能源汽車發(fā)生的安全事故并不在少數(shù)。

據(jù)《動(dòng)力電池安全研究報(bào)告》不完全統(tǒng)計(jì)，2021年共發(fā)生了50多起新能源汽車著火事故，大部分由電池?zé)崾Э匾穑瑒?dòng)力電池安全問題儼然成為新能源汽車行業(yè)發(fā)展的攔路虎。

據(jù)了解，鋰離子電池在使用過程中產(chǎn)生的樹突或枝晶是電池著火的根本原因。

樹突或枝晶像根一樣長(zhǎng)入電解質(zhì)并刺穿分隔陽(yáng)極和陰極的屏障，進(jìn)而導(dǎo)致鋰離子電池短路，而固態(tài)鋰電池采用類似三明治的多層結(jié)構(gòu)可防止枝晶結(jié)構(gòu)生成。

所謂三明治的多層結(jié)構(gòu)是指，將電池想象成三明治，首先一層是面包（鋰金屬陽(yáng)極），然后是生菜（石墨涂層），接下來是一層西紅柿（第一種電解質(zhì)）和一層培根（第二種電解質(zhì)），最后是另一層西紅柿和最后一塊面包（陰極）。在這種設(shè)計(jì)中，樹突在“生菜”和“番茄”中生長(zhǎng)，但在“培根”處停止?！芭喔逼琳献柚怪Т┻^使電池短路，從而防止了故障產(chǎn)生。

簡(jiǎn)單點(diǎn)來說，相比傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)鋰金屬電池的安全性更高。

近幾年來，新能源汽車的車輪駛向了更廣的區(qū)域，新能源汽車不僅作為通勤的工具，更是家庭出游的首選。

消費(fèi)者對(duì)于新能源汽車的需求催生了新能源汽車更高的續(xù)航要求，而動(dòng)力電池?zé)o疑是是滿足這一需求的重要載體，具體而言，即如何提高電池的充電速度和續(xù)航里程，這要求電池有更大的能量密度。

目前市面上的動(dòng)力電池主要以磷酸鐵鋰和三元鋰電池為主，磷酸鐵鋰電池在安全性能層面優(yōu)于三元鋰電池，但能量密度遠(yuǎn)不及三元鋰電池，目前市場(chǎng)上三元鋰電池的能量密度大致在300Wh/kg。

據(jù)我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，到2030年，電動(dòng)汽車對(duì)于動(dòng)力電池能量密度的需求將超過500Wh/kg，目前市場(chǎng)上不管是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池都無法滿足該需求。

而固態(tài)鋰金屬電池或?qū)⒊善凭值年P(guān)鍵。

未來已來？

市場(chǎng)上傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料的能量密度表現(xiàn)已經(jīng)逼近其理論值，近幾年來，如何進(jìn)一步提升能量密度成為了討論的焦點(diǎn)。固態(tài)鋰金屬電池的提出，使得這一話題有了新的討論載體，行業(yè)內(nèi)對(duì)于固態(tài)電池的研究的熱度也持續(xù)不減。

正如上面所言，相比傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)鋰金屬電池有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被市場(chǎng)寄予厚望，然而事實(shí)上，固態(tài)鋰金屬電池的進(jìn)展卻遠(yuǎn)不如預(yù)期。

目前，固態(tài)鋰金屬電池也迎來一定程度的量產(chǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，相對(duì)于傳統(tǒng)鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

一方面，固態(tài)鋰金屬電池仍面臨著技術(shù)難關(guān)， 目前固態(tài)電池距離預(yù)設(shè)的高性能固態(tài)電池系統(tǒng)仍有差距，保留部分的電解液，并不是理想上的全固態(tài)。在文章前半部分我們提到，固態(tài)鋰金屬電池采用類似三明治的多層結(jié)構(gòu)可防止枝晶結(jié)構(gòu)生成，從而減少著火事故，但在實(shí)際量產(chǎn)中，仍然有鋰離子的外漏。

另一方面，固態(tài)鋰金屬電池的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展并未完善，現(xiàn)階段固態(tài)鋰金屬負(fù)極電池的實(shí)際成本高于液態(tài)鋰離子電池。

固態(tài)鋰金屬電池?zé)o疑是發(fā)展的一大風(fēng)口，“固態(tài)鋰金屬電池是動(dòng)力電池的未來”說法也似乎有理可據(jù)，但未來多久才來？還得看技術(shù)的完善和商業(yè)化進(jìn)展。

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