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导读
2019年9月24-25日，第四届新型电池电解质/隔膜材料技术国际论坛(ABES-4)在常州希尔顿酒店顺利成功召开。本届论坛首次在常州召开，从而加入了“常州元素”，中国化学与物理电源行业协会主办、北京中联毅晖国际会展有限公司承办，由于各方努力，有来自中国（含台湾地区）、美国、加拿大、英国、德国、法国、日本、韩国等国家与地区的电池领域的300家企业、大专院校和科研院所的代表，500多位同仁出席了此次国际论坛。论坛期间还同时举办了第四届新型电解质/隔膜极材料及相关设备/测试仪器小型展览会，有20多家家国内外企业参展，会议共安排了38个报告。
会议现场照片
在Session3“固态电解质等新技术研究与应用进展专题”上，来自辉能科技股份有限公司许容祯女士做了“固态电池在电动车市场商业化可行性与产业化时程”的主题发言。
辉能科技股份有限公司许容祯女士
各位前辈大家好，我是辉能科技许容祯，非常感谢会务组的邀请。我今天的报告是“固态电池在电动车市场商业化可行性以及产业化的时程”。
大家都知道液态电池现在面临了能量密度和安全性的问题，但是新的技术，像锂硫电池或者是锂空气电池又还没有出来，那依照我们对电池技术的理解，我们认为锂硫或者是锂空气电池的基础技术成熟，大概要等到2040年左右，但是到了2040年左右的时候，这些新技术又面临工艺链和产业链不成熟，和成本过高的问题，导致在电动车发展的黄金期2021年到2040年这中间可能会缺乏一个主要的动力电池方案，这也让固态电池似乎有这个可能性，也许可以成为这段时期一个主要的解决方案之一。
固态电解质有很多种，在早上演讲里面，不管是杨老师这边也好，或者是其他的下午的刘所长这边也好，其实都有提到相关的固态电解质的部分，那我就很快的带过，我们如果把固态电解质的十个面向把它简化成这三个，导电性、稳定性以及量产性来看的话，可以发现几乎每一种固态电解质都各有优缺点，薄膜的部分，它优点最多，但是存在一个非常严重的短板，就是成本太高，所以这也是为什么后来戴森就放弃了Sakti3。
另外一种是固体聚合物的部分，它的好处是可以直接沿用液态锂聚合物电池的生产线，在最短最快的时间里面把固态电池的样品制作出来，但是它存在一些瓶颈，比方说能量密度部分，因为操作温度在60到80度之间，所以它需要在pack端放高温以及高压的模组，导致它的pack能量密度只有100-140Wh/L的范围，这个数字大概只有Tesla model 3的一半而已，所以后来Bosch投了Seeo大概18个月左右也放弃了。接下来就是硫化物和氧化物这两个主要的体系，大家都知道硫化物的优点，是它的导电性非常好，但是它其实存在了一个短板，就是硫化物非常容易跟空气中的水汽做结合，形成硫化氢这样子一个剧毒和易燃的物质，所以在量产性部分，如果它要用湿制程来进行大量量产，就会面临硫化氢的问题。那另外就是在它用的solvent和binder里面，可以和硫化物批配的其实很少，可是偏偏又每一种都有副反应发生，所以我们公司会选择氧化物就是因为氧化物的稳定性，不管是氧化稳定性、还原稳定性或者是高温稳定性，都是四种电解质路线里面最稳的，但是氧化物的缺点就是导电度和量产性部分不好，极层容易在弯曲的时候碎裂，所以我们就导入了一个Ceramion®独家核心技术来克服导电度的问题，以及Microcell®独家核心技术来克服量产性的问题。
从数量上面来看，2018年以前，大部分都是集中在固态聚合物或者是硫化物这两个体系，但是随着固态电解质的发展，到2018年以后，反而是研究氧化物(厚膜)的厂商变多了，包括丰田它也是开始思考氧化物的使用。
如果从时间点上面来看，现在有宣称量产时间点的，大部分都落在2025年或者是2026年，包括QuantumScape、Solid Power，或者是松下的2025到2030年，比较快的是丰田2022年，甚至它有说希望可以提前到2020年。辉能是在2013年的时候先量产了我们的锂陶瓷固态电池，应用在IT产业上面，接着在2017年的时候，有一条中试线，那现在正在盖的是第一代固态动力电池的量产线，规划产能是1-2GWh。预计在2023年的时候，我们会进行第二代全固态的锂金属电池中试线，2024年就会是全固态的锂金属电池量产线。
回到用户对新能源车的需求上面，大概可以总结为三大刚性需求、及三大弹性需求这六个面向，这六个面向呢，都受到动力电池的性能影响，首先是三大刚性需求，包含高安全性、高能量密度以及低成本，但其实对固态电池来说，它是电动车的三大刚性需求，也是固态电池三大迷思，怎么说呢，固态电池，大家都觉得它是非常安全的，其实是有一点点可以讨论的空间，比如说硫化物的部分，它其实有硫化氢的问题存在，所以做成电池芯以后，当电池芯遭遇到穿刺、剪切、破坏或者是有撞击的时候，一旦外封装被破坏，水气进去，就很有可能产生硫化氢，这个安全性就可能难以控制。那我们的氧化物固态电解质的部分，它的电化学和热稳定性是固态电解质里面算最好的，在摄氏一千度都还没有问题。放热峰实验部分，NMC811正极的放热峰大概会落在220度左右，但NMC811在加了固态氧化物电解质之后，这个氧化物电解质形成的钝性膜，可以提升正极材料的热稳定性，所以整个放热峰峰值延后到240到250度左右，而且它整个Peak值是比单纯NMC811没有加氧化物时的Peak小的。
另外，在300度高温之下，随着温度的提升，辉能的氧化物电解质尺寸没有变化，不会收缩，它的高压电阻值，也是维持在24到26个mΩ，换句话说即使到了高温300度的时候，氧化物所形成的隔离功能还是具有电子绝缘效果。整个来说，辉能电解质在1000度OK，然后300度下仍具有很好的阻隔效果，再加上氧化物电解质形成的钝性膜，可以提升正极活性材料的热稳定的这三个因素，使得辉能固态电池没有thermalrunaway的问题。我门对比液态电池的thermal runaway进程图来看，紫色的二号圈是140度的时候，液态电池的隔离膜会溶解，开始产热。紫色的四号圈，是180度的时候，液态电池的正极分解，并与电解液反应，产生大量气体和氧，这两个阶段，对我们来说是没有的，因为辉能电解质到了300度都还有阻隔的效果，而且可以让整个正极分解的温度延后，产热降低。液态电池Thermal runaway的最后一个阶段，就是240度负极反应大量产热的时候，但因为氧化物的存在，所以辉能也没有SEI电解液与负极反应的这个问题，换句话说，我们到了240度也不会起火爆炸。右方那一张图，是用我们的电池芯来做的测试，可以看到充电曲线到了最后大概280度的时候，电池芯还是有电压在，不会猝死，只是有自放电的状况发生而已，所以辉能固态锂陶瓷电池的安全性在本质上非常优异。
(图：液态电池thermal runaway进程图与辉能固态电池的对照)
几个欧洲车厂对我们电池的测试，也可以证实辉能固态电池的安全性，包含高温60度的针刺测试，高温60度的5C、10V的过充测试，及两百度高温稳定性测试。高温300度的储存测试，则是国铁拿我们的电池芯去做的，也都有通过，没有起火，没有爆炸。
回到三大刚性需求，第二个刚性需求就是高能量密度的问题，那这个问题其实在下午或者早上的演讲里面，都有老师提到，其实固态电解质的密度是高的，液态电解质密度约1.2-1.3，但是硫化物是2-3，换句话说硫化物电解质的密度是液态电解质的两倍左右。氧化物的部分又更大了，是液态电解质的好几倍，所以在固态电解质的密度比液态电解质高的情况之下，如果正极负极这些活性材料使用的跟液态电池一样的时候，那理论上固态电池的能量密度，应该是不太可能超过液态电池的。换句话说，如果固态电池的能量密度要超过液态电池，就我们现在的理解，唯一比较可行的方法是正极或负极材料用的跟液态电池是不一样的，才有可能达到比较高的能量密度。举例说明，国内首屈一指的知名液态电池厂正极用NMC811，负极用石墨的时候，可以做到比能量245Wh/kg，但是如果固态电池厂商用的也是一样NMC811 石墨，宣称可以达到260 Wh/kg，这个时候可能就是在我们的理解里面是有它的困难度在的，也许我们还要进一步地去了解这一个部分，那如果固态电池厂商，用的是不一样的负极，比如含锂负极或锂金属…等的时候，这时宣称可以到300Wh/kg以上的比能量，这是合理的。目前辉能科技的做法是，正极我们同样也是用NMC811，但在负极的部分导入硅氧，比例从14%逐步提高到100%，能量密度就可以从240Wh/kg提高到330Wh/kg。另外，目前在我们实验室里面，其实还有一个是锂金属负极的研究，现在实验室做出来的数字是383Wh/kg。
电解质部分，为了要降低电池芯成本，以切入市场，所以我们在2019年到2023年用的是第一代的固态电解质，正极材料与液态电池一样是NMC811，负极则是刚提到的硅氧，让整个电池芯成本较低。到了2024年的时候，就会进入第二代全固态电解质系统，搭配锂金属负极和高镍正极，但是这个部分就会面临材料成本较高的问题。
那在2019年到2023年这几年，能量密度还在提升阶段时，该怎么办呢? 我们的解法是用固态锂陶瓷电解质的安全性、宽广的操作温度跟散热快的特性，搭配上多轴向双极电池技术，让整个pack端的能量密度提高，换句话说，现在的做法不是只有单纯从提高电池芯的能量密度，而是希望能够从整个模组或pack的角度，让整个成组效率提高，让消费者真正使用到的pack端的能量密度是大的。辉能Multi-Axis BiPolar 技术，其实就是在电池芯里面直接做串联跟并联，而且是垂直水平多方向进行，由于是整片极层直接做串联的关系，所以它的内阻是小的，产热是少的，一整个pack里面可能只需要大概4-16颗电池芯就可以完成一整个约75度电的电池包，成组效率就可以提高到30-56%左右。
同时在提BiPolar这个概念的不只我们公司，丰田也是，丰田在去年2018年9月提出来，他们希望利用固态电池的安全性，搭配BiPolar的技术，让成组效率可以达到75%，所以从丰田的roadmap 2022年450Wh/L来算，乘75%后Pack端是338Wh/L，如果跟特斯拉相比，特斯拉现在的电池芯高达715Wh/L，但也因为能量密度高，所以它的安全性相对比较低，需要放非常多且设计复杂的保护机制，BMS系统，还有cooling system在里面，因此成组效率现在只有33%，715Wh/L×33%下来之后，只剩下236Wh/L，甚至还低于丰田，这是固液的比较，下面就回到固固的比较。如果同样都是固态电池，同样都用BiPolar技术体系，同样成组效率都达到75%的状况下，接下来是看电池芯的能量密度了。丰田预计2022年的时候做到450Wh/L，我们预计2022年的时候做到816Wh/L，如果按整数800Wh/L去算的话，800Wh/L×75%是600Wh/L，比丰田的338Wh/L，足足多了260几Wh/L，将近两倍，但是BiPolar只有固态电池能做，因为液态电池不可能让电压超过4.6V，否则电解液没有办法承受而崩解。
下面这张表可以看到，跟液态电池做比较，同样是NMC811 石墨部分，我们的电芯比能量215Wh/kg输给液态电池的245Wh/kg，但是成组效率可以从73%提升到85%，所以到了pack端的时候，乘出来我们的比能量反而是跟液态电池电池相同，甚至高一点点。体积能量密度的部分，差别更明显，我们在电池芯的能量密度540Wh/L，液态电芯是580Wh/L，可是成组效率有75跟53个百分点这样的差异，所以pack端液态电池是307Wh/L，我们是405Wh/L，差距将近100Wh/L左右，这就是固态电池 MAB技术一个很大的差异点。
那为什么我们要这样做呢，主要是为了成本考良，这也是固态电池的第三个迷思，大家都想说固态电池可以很便宜，可是其实如果固态电池的能量密度要提升，正负极材料一定要更换，不能跟液态电池用的是一样的，但目前高电压正极、高克电容量负极、以及固态电解质这三个材料都是新材料，供应链尚未成熟，供货量少，价格昂贵，若要等到供应链成熟，它需要时间和市场需要量，在这样的状况之下，固态电池 MAB技术就成为一个可以在不增加正负极材的成本下，有效提升电池包能量密度，并大量供货的方式。从成本的角度来看，当固态电池芯产能到了20GWh的时候，就算电芯成本还是液态电池的1.1倍左右，但是加上MAB技术之后，整个pack的成本，固态电池还是比液态电池稍微低2个百分点。而当电芯成本与液态电芯相当时，MAB pack的成本大概只有竞争对手7成。
回到刚提到三个弹性需求部分，包括快充，长使用寿命以及操作温度。经过对固态氧化物电解质的离子导电测试，证明我们降低了界面电阻，辉能在2017年的时候，阻值是红色这条线，2019年降到橘色这条线，如果我们用快充可以充到90%当做一个基准点的话，辉能在2017年大概只能做到1C，可是到了2019年的时候，因为界面电阻降低了，所以我们做到5C、12分钟，还能充到91个百分点。那如果跟18650做比较，同样是5C、12分钟快充，18650可以充到71.9%，我们可以充到91.7%。
再来长使用寿命部分，长使用寿命其实除了跟循环寿命有关之外，跟使用寿命也有很大关系，而这两个寿命又都跟界面阻抗有很大的关联，一般在氧化物部分，如果要维持一定程度的导电性，就得高温烧结方式制作，但是高温烧结这个制程是不利于大量量产的，所以辉能就导入了Ceramion®的独家核心技术，不但可以降低界面电阻，而且不需要用到高温烧结的工艺，在这样的情况之下，我们也可以做到0.5C/0.5C，一千八百次循环寿命。甚至可以在60度C的时候去做深度循环充放。另外日系车厂也对我们电池跟18650做比较，他用60度60天的加速老化测试，来模拟两年之后电池的使用寿命，模拟结果可以发现，使用两年之后，辉能固态电池的残余电量比18650还多了15%。在内阻值部分，辉能固态电池几乎没有改变，代表两年之后液态电池会有充不饱放不完的问题，但是固态电池不会有这样的问题产生。这个测试，实验室还有继续在做，我们不只做60天，现在还做120天的加速老化测试，模拟4年使用寿命，结果出来，recover的部分可以到90个百分点，内阻值大概只上升了5个百分点左右。那在操作温度部分，一般液态电池充电的时候只能在0-45度C进行，我们可以负20-85度C。放电的时候，液态电池是负20-60度C，我们是负40-115度C。储存温度部分，我们低温可以到负65度，也就是平流层的应用，储存高温可以到115度C。
接下来分享固态电池发展时程，我们认为可以分成这三个阶段，基础技术研发，产品商业化以及产品产业化的阶段。基础技术研发部分大概4-6年左右，这阶段一定会有一个单点性能大突破，搭配实验线和样品线。商业化的阶段大概是5-8年左右，必须从单点性能突破进到所有的性能都要满足市场的需求，才能够确定工艺进展，并做到MWh等级的中试线，最后才是到了产业化，和GWh等级的量产线。
工艺进展部份，第一阶段的实验线和样品线包含材料选取，首制样品的部分。接下来商业化阶段的中试线，主要目的是要确定材料、制备、和工艺，这个部分时程为什么比基础技术开发还要久呢？因为产品进展和工艺进展是一个不断循环的过程，随意举一个例子，改善快充的过程中，可能需要调材料，所以材料不能确定下来，可能需要调制备，制备就无法定下来，制备、材料没法确定，工艺就不能定下来，所以在商业化过程，产品性能和工艺必须互相搭配调整，调到最后所有的电性表现都满足市场需求的时候，才可以确定材料，制备，工艺，这三个都确立了才有底气说，良率可以达到多少百分点，有良率才能说产品有一致性，有了一致性才算是商业化完成。最后就是产业化，这个时候因为所有电池性能表现都满足市场需求了，所以重点会落在量产线部分，如何提升单机产能，如何降低单位生产面积的成本，如何高度自动化, 规模化, 让整个制备工艺成本下降，产业链成熟…等，就会是这个时候的关注焦点。
辉能固态电池在2010年时开始送样， 2013-2018年进行商业化，我们不断地努力改善内阻值及电池性能，以满足所有市场需求，也获得第三方认证之后，确定了我们的材料，制备，和工艺。到今天，我们产线有2907个控制点在质量管理上面，我们的良率可以到达92%，所以产品一致性部分也受到客户肯定。
最后是我们的全球产能规划的部分，毕竟单靠一间公司没办法在很短时间做到经济规模化程度，所以我们希望借由JV和MAB技术的授权，让大家一起进到固态电池产业里头，目标希望2025年，包含中国、中国以外的亚洲、欧洲、美洲这四大区域，产能达到60个GWh。在执行的过程里面感谢有很多朋友支持我们，目前最新的进度，已经签署战略合作协议MOU的有四家: 南都(中国第一大储能企业)，天际汽车，蔚来汽车，以及上个礼拜才跟我们签署的爱驰汽车。
于2019年1月的电动汽车论坛上面，国内首台公开展示的固态电池样车，天际ME7，采用的就是辉能固态电池。我们现在也正积极跟央企和新造车势力、以及欧洲车厂、还有日本知名电动二轮车厂，洽谈固态电池样车的测试和制作，希望未来固态电池的销售，在四轮车、二轮车、以及轨道车的部分都有所进展。我的分享就到这里，谢谢!
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