编者按：2019年5月11日下午，辉能科技创始人、CEO杨思枏出席主题为“勇气”的第十一届中国汽车蓝皮书论坛，发表了题为《固态电池在电动车市场商业化可行性与产业化时程》的主题演讲。

 

       他认为，如果液态电池做不到的固态电池也做不到，那么商业化、甚至取代液态电池就将变成遥不可及的目标了。同时，他对固态电池的未来充满信心，“固态电池的使用寿命要更长、更稳定。”

 

       在技术层面，氧化物是他最为看好的固态电解质，其在安全性方面要更有优势。“从氧化物安全性上来讲，要优于液态电解质和其他固态电解质，这一点基本上是毋庸置疑的。”

 

       以下为杨思枏演讲录音整理，未经本人审定，有删减，题目为编者所加。

 

       各位前辈，大家好！今天我们辉能科技很荣幸有机会受主办方的邀请参与国内这么盛大的一个论坛会议。

 

       我想大家都了解，现在在电动车上来讲最重要的零部件就是电池、模组、电池包部分，最近几起安全性方面的问题，也凸显出液态电池可能在安全性上会有一些限制，所以我们会针对固态电池来说明一下。

 

       大家都认为固态电池是下一个最主要的主流模式，像锂铁，后来变成三元，三元可能再变成固态电池。当然，我们辉能走的比较早一点，所以今天我来跟大家讨论一下固态电池在电动车层面商业化、产品化的可行性，其有没有机会成为下一个主流的电池模式。同时，还有几个主要竞争者在产业化方面的情况，

 

       固态电池优劣势明显，首选氧化物

 

       先说六大需求，在电动车方面，对于电池的需求我们把它分为三个必要条件和三个充要条件。必要条件方面，主要是安全性、能量密度以及低成本。至于说充要条件，客户肯定都希望有快充、长使用寿命以及比较宽广的使用温度等。这些在液态电池上，原则上并不能完完全全符合现在汽车市场的需求，于是就变成固态电池的机会，让其能够进入到这个市场。

 

       但是有一个问题，液态电池做不到的固态电池能做到吗？固态电池如果做不到，商业化、甚至取代液态电池就变成遥不可及的目标了，所以我们今天来好好讨论一下。

 

       讨论它的商业化之前，我们先把几个主要的固态电池系统分析一下：

 

       第一个，薄膜电池。薄膜电池从1997年问世到现在，最大的问题点就是它的成本过高，无法成为主流。它采用的是半导体的制程方式，成本过高，所以造成一个必要条件做不到，戴森在2018年放弃了这个技术，他们对于这个专利基本上也不再做维护了。

 

       接下来，如果从量产的状况来看，较好的是固态聚合物，它的量产形式是相对比较好的状况，成本和制造模式相近于现在的液态电池，但是最大的问题在于它的导电度。它的导电度，基本上需要加温才能够做到60度—80度，而60度—80度代表了一个方面的问题，就是电池包的能量密度，其需要加温系统和加压系统，这使得电池包能量密度会降到110Wh/L—140Wh/L。这个部分和现在的液态电池相比，后者动辄在200Wh/L—250Wh/L以上。因为这样的关系，去年博世基本上也放弃了。

 

       如果要说导电性最好的，就要说硫化物。硫化物现在是所有电池、尤其是电解质这个系统上，较液态电池导电性要更高。硫化物导电性高的特点，促成了固态电池可以实现的一个比较好状况。但很可惜它的稳定性并不太好，自身和自身之间没有太大问题，但是自身和其它硬物质，包括溶剂、助粘剂，活性材料水气等之间会产生不良的反应。

 

       尤其是从全线制造上面来讲，如果有水，要去水才能够恢复到好的离子导通状况，这样却会产生硫化氢。硫化氢有产毒的可能性，且会燃烧。按照这样来看，硫化物会比较麻烦。也因为这样的关系，如果有水分的状况下，它就必须要全线都在干燥室内，干燥室的条件非常高，这就是一个很大的成本问题。丰田在2019年日本电池展上也提到了，主要的问题就是这个。

 

       再来看氧化物。氧化物的稳定性应该是所有电解质里面最好的，但是有很大的问题，就是它的导电性，它的导电性大概只有硫化物的1/10到1/20。另外一个问题，就是它的界面接触状况也不太好，因为氧化物的颗粒比较硬，同时它的物理接触面积较小，比较容易堆积形成不连续面，容易破裂，这就会产生短路问题，短路会造成在量产方面良率的大幅度下降。

 

       简单来看我们比较确定的是，硫化物和氧化物有成为主流的可能性。当然问题相对也比较多，我们简单的介绍一下。

       氧化物固态电解质的优势，包括电解质稳定，电解质的界面也很稳定，极化问题基本上是非常好的一个状况，浓差极化不存在，等一下会提到快充下的优势。电解质和隔膜的散热系数较高，会使得整车厂在产品散热系统方面能更有优势。

 

       谈完优势要谈一下它的瓶颈，氧化物电解质的导电率是较大的问题。液态电池会在高温时有挥发和分解问题，在低温的时候会有分离的问题，在固态电解质上是看不到这个问题的。氧化物比液态电解质导电率低一点，还是有它的好处的。但是在界面的阻抗方面，不管是硫化物还是氧化物都会有问题，电解质跟电解质本身之间是存在一些比较大的问题，尤其氧化物，如果说以高温烧结，成本太高，如果是低温压合又没有办法得到较好的离子导通。

 

       从电解质和活性材料方面来讲，我们会把它分为化学性和物理性，化学性基本上硫化物相对较差，尤其它形成正极的时候，会使得它的离子导通会下降百分之一到千分之一，同时会有污染的问题出现。氧化物化学性较好，但是它的物理性接触面积就变得较差了，这部分也是它的一个大问题。

 

       极层成膜性，也是固态电池上面非常大的缺点，尤其是氧化物。刚刚也提到容易产生破裂的问题。还有就是隔层的厚度，隔层是由固态电解质形成的，颗粒越多或者孔洞越多的时候，就会造成它需要更厚的状况，避免贯通形成。这时候它的隔膜越厚代表能量密度越低，厚膜极化的问题更严重。

 

       最后一项，就是隔层和极层本身的阻抗，这部分也是固态电池不OK的地方。因为隔层和极层的介面并不是一个连续介面的状况，所以会造成整个界面阻抗较高。当然大家可以看到，已经进行了一些改善，这些改善我们等一下会提到，包括如何进行商业化。

 

       基于我们之前所改善的状况，我们来讨论固态电解质商业化的可行性。

 

       第一个问题，刚刚提到了三个必要条件，其中一个是安全性。从氧化物安全性上来讲，优于液态和固态电解质，这一点基本上是毋庸置疑的，可以看到不管是电解质稳定性、界面稳定性等均是如此。

 

       第二个问题，硫化物的安全性。很抱歉，我认为我们现在还是没有办法确定它是否是安全的。因为硫化氢本身含有毒性、同时可燃，一旦电解质的封装产生问题，不管是穿刺还是其它封装的状况下，都可能会使安全性无法保证。

 

       我们来讲个基本的证明，您可以看到，下面属于液态电池电阻反应的重点，原则上会有一、二、三、四，这个是用NCM811做出来的一个测试，你可以发现基本上对标于现在的NCM811，这个期间就有很大的差距。因为我们的测试基本上做到280摄氏度的烘烤测试，280摄氏度的烘烤测试可以把它分成一、二、三、四的状况，这些东西都是发生反应或者产热的一些过程。

       我们举几个例子，隔膜基本上来讲，液态电池高温状况下会有熔融的问题，这个时候会产生更多的能量外泄，促使温度能够提升到正极分解的温度状况，这是非常重要的一环。但是我们的固态电池，即便达到280℃—300摄氏度的状况，隔层基本上还是有隔层的效果，就使得负极和正极不会直接接触。那个蓝色线就是电压，所以这样的状况下代表它还是能够维持很好的隔离效果，使得正极和负极不接触。

 

       另外一个问题，就是正极分解状况。NCM811和一般的液态电解液反应，大概180摄氏度的时候就会分解。如果是固态电池，大概在220摄氏度—230摄氏度。通常来讲180摄氏度下，正极和液态电解液反应分解产生大量气体和氧，这个部分trigger point温度就会形成了，但是固态电池到220摄氏度—230摄氏度才发生。

 

       第二个问题，产热也相对比较小，这使得固态电池在安全性上相对大很多。可能大家对于液态电解质和固态电解质安规检测不太了解。一般来讲，国内现行的标准，烘烤高温测试状况是130摄氏度为主，固态电池基本上能通过200摄氏度或者280摄氏度，这个过程安全性上来看，固态电池的确比现在液态电池好很多。

 

       这就是由10安培小时到18安培小时在车厂测试的结论。当然高温测试不仅仅是高温，还包含了在60度状况下做5C、10V穿刺。现在国内基本上已经不做穿刺测试了，液态电池现在的标准是，过充的测试大概是1C、1.5倍的最高电压，就是大概6V左右。现在高压要求有更高镍的材料，现在可能会降到1.1倍、4.5V左右的状况，可是在固态电池上可以过5C、10V。

 

       因为一会有能量密度的问题，这是一个最重要的商业化的依据，所以我们等下再来谈一下这个，我们简单把其他部分进行下讨论。

 

       第一个，固态电解质可以快充吗？基本上是可行的，等下我们介绍。

 

       我们的架构技术利用的是氧化物，但是我们是用这个方式做的，混成固态的时候将近有10个百分点的液态电解质和固态电解质，体积、重量更低了点。这个部分有一个非常关键性的改善，使得我们的阻值大幅度下降，从原来的250mΩ降到只剩下15mΩ，这个在2.4安培、2.3安培小时的状况，比较液态电池18650，这个是松下的一个电池，在2.8安培左右的时候是在这样的状况，基本上完全相同了。

 

       无区域极化的问题，使得我们的快充是有机会做到和液态电池相同，甚至是比液态电池更有优势。不过这里必须提到定电流变成定电压，这是一个电池上面的专用术语。如果用这样的方式充电的话，我们的电池基本上在12分钟以内可以充到77%。比起现在一般液态电池更快。

 

       但是要说明的是，我们(测试对标)主要采用的是3C的产品，所以它并不是为快充准备的，可能这方面稍微低一点。不过这个至少和现在的液态电池接近、甚至稍好一点点。好的地方在哪里？主要在温度，一般来讲快充过程当中，电压温度上升幅度很高。对于我们的固态电池，差了将近10度到20度左右的差距，这也一样会使得电池包的散热系统能够做得更简单。

 

       长使用寿命，基本上分成循环寿命和日历寿命两种。使用寿命最主要的是物理界面和化学界面的稳定，长使用寿命、循环寿命这两项都包含在内。

 

       我们公司，因为改善物理界面，本身就是固态电解质的优势。所以可到看到，我们大概在千次的放电，1C充放大概可以超过80%，可以到1000次—1200次。如果0.5C充放大概2000次—2500次，基本上满足了我们现在电动车的需求。同时，我们还有比较特别的地方，比如高温循环，高温循环的寿命测试我们可以做到0.5C充放、500次，83%，这是一般液态电池绝对不可能做到的。

 

       另外就是日历寿命，日历寿命最重要的一点，如果它的DCIR增加幅度不太一样的情况下，高串并会使这个电池包充不饱、放不完，这个就会使实际行驶距离大幅度减少。固态电池的确有这方面的优势，所以你可以看到，我们从60摄氏度、60天的测试状况来看，DCIR几乎不增加，这部分代表了后续固态电池使用的状况。使用寿命、日历寿命会非常稳定，而且非常适合高串并的状况。

 

       高低温操作和刚才的状况比较相同，就是界面本身的稳定，包括固态电解质的本质稳定。可以看到，我们大概在85摄氏度的状况下可以充放，甚至100摄氏度—150摄氏度把电压降下来，一样可以做充放电。

 

       另外，因为低温状况下，固态电解质本身没有向分离、析出的问题，所以它可以储存在负65摄氏度状况下，在3个月、5个月之后还可以恢复正常使用。同时，在负20摄氏度到负25摄氏度状况下，和现在的液态电池差不了多少，最重要的是在负30摄氏度到负40摄氏度的时候，一样可以在这样的状况下进行放电，同时不会产生太严重的问题。这部分也帮助了现在我们的电池包能够进行在低温状况正常的放电，这在固态电池上都得到了比较好的解决。

 

       我们刚才看到，充要的条件基本上我们都能够有一定的恢复状况，但是有一个重点，能量密度部分，基本上来讲都觉得固态电解质的能量密度比现在液态电解质高，其实是对的、也是不对的。

 

       固态电池成本有望下降

       固态电解质本身的密度比液态电池高，所以理论上，如果你采用的是相同于正极跟负极材料的话，它的能量密度是不可能和现在的液态电池一样高的。但是为什么大家觉得它的能量密度还是会更高呢？是因为它采用了更高利用率和更高能量密度的正极、负极材料，但是更危险，因为固态电池本身能够提供非常稳定的平台，所以这部分就有办法改善。

 

       问题来了，会讨论到一个所谓的新技术导入规模化市场上的悖论问题。大家也提到，它可以采用更高利用率的正极材料和负极材料，但是相对而言这个材料是比较少的，而且单价比较昂贵，这就造成了市场上非常困难的地方，造成所谓的悖论问题。

 

       我们现在有很重要的一环，其实固态电池从来都不是单纯的电芯材料技术或者电芯技术而已，它还包含了双极电池的电池包的技术，而这个技术的成组效率非常高。这个是C公司今年度发布的新闻，成组效率是73%，比能量是245Wh/kg，假设它用NCM811，我们也用NCM811，我们得出的是200多瓦时/公斤，但是成组效率大概80%—85%的时候，我们就能达到176Wh/kg—183Wh/kg，接近于现在的液态电池。当然安全性还要好很多。

 

       但是第二个问题，在体积能量密度状况上，他的成组效率是53%，我们成组效率是70%—75%，这个时候我们就超过它了。得出的结论就是说，如果用双极电池技术的状况下，我们的能量密度，就算是采用相同的活性材料也能够达到和现在(液态电池包)一样的水平，唯一的问题点就是只有固态电解质本身的价格。

 

       固态电池就比液态电池贵吗？这是我们的成本分析。假设我们的产能1GWh时电芯成本1.6倍、电池包成本1.3倍，这个10GWh时电芯成本大概1.3倍，电池包的成本大概是1.05倍。到20GWh的时候，就有机会在电池包的状况得到98%。

 

       我刚刚少提了一个状况，双极电池包它的成本较一般的电池包低，只有7成，因为简化了串联方式，我们的安全性双极电池就是直接在电芯里面做一个所谓的内部串联接触，它会使得这个系统基本上简化了电池芯数量，BMS也简化了，它的冷却系统也简化了，所以它的成本基本上会变得更低。因为这样的关系，所以在20GWh的状况下面，固态电池就有机会做好。按照这样的概念来看，固态电池的商业化基本上是可行的。

 

       这是我们的两个核心技术，如果有兴趣，我们可以看一下，这个我们刚刚得了美国的爱迪生发明创新奖的金奖。

 

       最后一部分，是量产时间表的状况。这里面有提到TOYOTA和日立，原则上大家的基本技术开发都需要时间，我们因为比较早做，所以比较快点。根据TOYOTA的状况来讲，我们觉得有几项工艺他们还需要做克服，我们已经差不多了。

 

       我们现在已经有40个百万瓦时的中试线，在2017年完成卷式生产，接下来我们大概在2020年的时候会开始完成我们1GWh产线的试车，大概在2021年的年初会进行大量量产。我们所推出来的产品都会比TOYOTA稍微快一点，它达到450瓦时/公升，我们能够达到680瓦时/公升。那刚才说的成组效率基本上大家都相同的时候，我们就会有一定程度的领先。

       最后是改善方向，这个就是我们的长项。可以再加强的部分，就是把我们隔层厚度再降低，降低我们的隔层厚度和增加我们的能量密度，同时增加我们的放电能力和充电能力，当然这个就是我们现在能量密度的表现。

 

       到2023年的时候会达到100% SiOx，其实我们现在实验室基本上已经做到了400次，我们希望能够做到800次，这个TOYOTA 2022年能够做到Target 450瓦时/公升，我们已经做到了，这个就是我们的发展状况。

 

       最后还是要提到，电池包和电池的目标，国标目标我们电池芯没有办法达到，因为我们的能量密度之后比较高的，但是如果加上双极电池包这个架构技术，我们就能够达到国标的目标，在2020年能够达到220Wh/kg，2025年能够达到300Wh/kg左右。谢谢大家！