“三明治式”固态锂电池三分钟充满电，商业化还要多久？

固态电池技术迎来了突破。
近日，美国哈佛大学研究团队开发了一种新的固态电池，该电池能够循环10000次，有望实现3分钟内完全充电，并且可持续使用20年。
这款固态电池使用的是纯金属形式的锂，使用固体电极和固体电解质，而不是锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质。在实验室中，电池原型能够成功完成 5000至10000次充电循环。哈佛大学研究团队对于固态锂金属电池的研究可追溯至去年5月，但彼时的技术停留在“10~20分钟内完全充电，10~15年的电池使用寿命”层面上。
这款电池的设计灵感来自于英式经典三明治。如果将电池想象成三明治，首先一层是面包（锂金属阳极），然后是生菜（石墨涂层），接下来是一层西红柿（第一种电解质）和一层培根（第二种电解质），最后是另一层西红柿和最后一块面包（阴极）。
研究团队认为，通常其他固态设计中的锂金属阳极会发展出树突状的生长，可以逐渐通过电解质渗透到阴极，进而导致锂离子电池短路。也就是说，锂离子电池在使用过程中产生的树突或枝晶是电池着火的根本原因。而三明治的多层结构可防止枝晶结构生成，在这种设计中，树突在“生菜”和“番茄”中生长，但在“培根”处停止。“培根”屏障阻止枝晶穿过使电池短路，从而防止了故障产生。
“我们着手将这项技术商业化，我们的技术与其他固态电池相比是独一无二的。在实验室中，我们已经在电池的使用寿命内实现了5000到10000次充电循环，而现在即使是同类产品中最好的电池也需要2000到3000次充电循环，而且我们认为扩大电池技术没有任何基本限制，这可能会改变游戏规则。”哈佛大学约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院材料科学副教授Xin Li表示。


目前，研究团队成立的初创公司 Adden Energy宣布已获得哈佛大学技术发展办公室授予的独家技术许可，用于推进该技术的商业化，其目标是将电池缩小为手掌大小的“软包电池”，其组件封装在铝涂层薄膜中。不过，Xin Li去年在接受媒体采访时表示，这项技术的商业化还需要数年时间，同时还面临着许多挑战。
固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池，其具备更高的安全性和能量密度，被认为是下一代电动车动力电池的技术方向。现阶段，固态电池在技术指标上领先于三元锂电池。从当前产业布局来看，丰田、宝马、大众、现代等多家国际车企均在固态电池领域进行布局，并加大在固态电池领域的投资。此外，车企和电池制造商纷纷携手攻坚克难，丰田正与松下公司合作，大众则投资了美国电池初创企业QuantumScape，福特、宝马投资了Solid Power。Solid Power的全固态电池理论上可使续航距离最高达到锂电池的2倍，宝马计划于2025年之前开始对配备全固态电池的车辆进行路测，2030年之前上市。奔驰继与Hydro Quebec合作之后，现在还与Factorial Energy共同研发固态电池。
不过，目前还未看到量产固态电池搭载在汽车上。早在2011年，丰田就表示将在2015年至2020年推出固态电池，其认为固态电池将完全弥补新能源汽车的续航里程难题，同时还能大力推动新能源汽车普及速度。然而，时至今日，固态电池依旧未能得以正式应用，丰田预计2025年才将实现大规模量产应用，LG新能源则预计2026年实现全固态电池量产。
“对于全固态电池，目前仍存在一些技术难点。”高能时代CEO董思晓在接受第一财经记者采访时表示，一是电解质的批量化、低成本化、稳定化合成问题一直未能有效解决，二是固固界面问题导致的内阻大的问题未得到解决，三是相应的设备、工艺尚未定型。
其中，固固界面的问题分为物理层面和化学层面，在物理层面，粉体颗粒在电池充放电循环中会发生体积变大或变小，由于不含有液体，因此颗粒与颗粒之间、层与层之间容易产生缝隙，带来接触不良，影响离子和电子的传输，电池内阻就会增加，在充放电过程中就会发生极化问题，导致倍率性能下降。在化学层面，如果硫化物电解质材料选型不好，硫化物电解质容易与正负极材料、导电剂、粘接剂材料发生化学反应，因此在电化学环境下，就会在界面上产生锂离子电导率比较低的反应产物，导致电池内阻增大，电池倍率性能降低。
业内有一种说法是全固态电池的成本比当前的锂电池高4倍以上。伊维经济研究院研究部总经理、中国电池产业研究院院长吴辉认为，因为没有量产，所以没法去比较成本，但是现在这些半固态电池的成本都在1元/WH以上，而液态锂电池电芯的成本大约现在0.7~0.8元/WH（以三元为主）。全固态电池量产时间可能在2030年左右。
中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高此前谈到，材料这种事，要厚积薄发，固态电池真正投入大规模商业应用大概的时间是在2025~2030年之间。