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歐陽明高院士：固態電池發展的路徑
歐陽明高，新能源動力系統與交通電動化專家，中國科學院院士。1993年在丹麥技術大學能源工程系獲博士學位。現任清華大學車輛與運載學院教授、校學術委員會副主任。長期從事新能源汽車研究，從“十一五”起連續三個五年計劃擔任國家新能源汽車重點專項首席專家，深度參與了我國新能源汽車戰略規劃、科技研發、國際合作、示范考核和產業化推進全過程。
目前展現出或者有突破的，有性能優勢和產業化前景的，主要是固態鋰離子電池。固態鋰離子電池跟全固態鋰電池有什么區別？固態電池，不一定是全都是固態電解質，就是說還有一點液態，是液態跟固態混合的，看混合的比是多大。固態鋰離子電池，其電解質是固態，但在電芯中有少量的液態電解質；所謂半固態，就是固態電解質、液態電解質各占一半，或者說電芯的一半是固態的、一半是液態的，所以還有準固態的，就是主要為固態、少量是液態。
豐田做的不是全固態鋰金屬電池，做的是固態鋰離子電池，它的負極是石墨類，硫化物電解質，高電壓正極，單體電池容量15安時，電壓是十幾V的那種，2022年實現商品化，這個是靠譜的。
全固態鋰電池的研發產業化持續升溫，但受到固/固界面穩定性和金屬鋰負極可充性兩大問題的制約，真正的全固態鋰金屬負極電池還沒有成熟，但是以無機硫化物作為固態電解質的鋰離子電池應該說出現突破。
總體看固態電池發展的路徑，電解質可能是從液態、半固態、固液混合到固態，最后到全固態。
至于負極，會是從石墨負極，到硅碳負極，我們現在正在從石墨負極向硅碳負極轉型，最后有可能到金屬鋰負極，但是目前還存在技術不確定性。
到2030年，在電解質方面有希望取得突破，也就是2025~2030年最大的突破可能在電解質，就是全固態鋰電池會規模產業化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時/公斤。
南策文院士：最具應用前景的固體電解質材料
南策文，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，清華大學材料科學與工程研究院院長，兼任中國硅酸鹽學會副理事長等，曾任國際陶瓷聯盟（ICF）理事長、亞洲電子陶瓷協會主席。主要從事固態電池、多鐵材料、柔性功能復合材料的研究。
石榴石型氧化物（LLZO）、NASICON型氧化物、硫化物和聚合物固體電解質是目前受關注較多的四種典型固體電解質材料。它們各自具有自己的特點。例如聚合物電解質具有柔性易加工的優點，但是離子電導率較低；硫化物具有可與液體電解液相比擬的離子電導率，但是對空氣極為敏感；NASICON氧化物雖然離子電導率不高，對金屬鋰也不穩定，但是可以耐受水的侵蝕；石榴石型氧化物（LLZO）在空氣中相對穩定，離子電導率介于硫化物和聚合物之間，對金屬鋰化學穩定，但是具有剛性導致的界面不易處理。
在以上四種典型的固體電解質材料之中，LLZO的綜合性能最為優異，可以說最具應用前景。具體原因包括：LLZO具有的離子電導率以及可達到的面電阻可以滿足應用的需求；LLZO粉體材料可以在大氣環境下實現規模化生產；LLZO在化學上對鋰金屬穩定，為鋰金屬負極的使用提供了可能，LLZO的電化學窗口寬，可以和高電壓正極相匹配，這些都為高能量密度固態電池的實現提供了材料基礎；而且近幾年來，越來越多的研究人員關注LLZO的研發，澄清了很多制約LLZO應用的瓶頸問題的關鍵機理，并給出了切實可行的解決方案。
在投入實際應用之前，還需解決的瓶頸問題主要集中在以下方面：a)LLZO與鋰金屬之間的界面問題。研究表明，鋰金屬與LLZO界面之間存在不浸潤導致的接觸電阻大，以及鋰金屬不均勻沉積導致的鋰枝晶穿透的嚴重問題。這要求在兩者之間生長一層均勻的高離子導通并具有極低電子導通的中間層；b)LLZO電解質層內阻的不斷減小。電池的內阻足夠小才能保證電池實際能量密度和倍率性能的不斷提高，這就要求不斷提高固態電解質的離子電導率或不斷減小電解質層的厚度；c)LLZO與高電壓正極之間的界面問題。怎樣保證固態電解質和正極材料之間界面的良好電接觸，以及循環過程中界面電接觸的穩定是亟需解決的問題。
一般說來，LLZO固態鋰電池可以在未來的5-10年投入實際應用。在特殊的應用場合，例如醫用或軍用高溫電池，可能LLZO固態鋰電池會更早地進入應用。隨著科學技術不斷的進步，以及研究人員對固態電池認識的不斷加深，都會縮短LLZO固態鋰電池投入實際應用的時間。
陳立泉院士：我們爭取在五年內實現固態鋰電池的產業化
陳立泉，現任中科院物理所研究員，曾任亞洲固體離子學會副主席。在中國率先開展鋰電池及相關材料研究。中國工程院院士。
固態鋰電池仍然被看作是未來可再充電池技術的核心。抓住第一機會才能掌握主動權。之前我們很大程度地跟隨國外的發展，但是如果我們較早地開始固態鋰電池的研究，那么我們將會在這個領域處于領先地位。雖然鋰離子電池將繼續使用，但是提高能量密度至300W·h/kg的需求時，我們要考慮固態鋰電池了。另外，鋰離子電池采用有機電解液可能會引起起火，而固態鋰電池可以避免這一風險。金屬鋰的比容量高達3700mA·h/g，是石墨負極的10倍。因為金屬鋰本身就是鋰源，那么就可以采用不含鋰元素的材料作為正極，因此在選擇正極材料上就會相對容易一些。
固態鋰電池的關鍵問題是開發一種適用的電解質材料，必須滿足兩個標準：首先，要有較高的室溫離子電導率（≥10-3S/cm）；其次，與正、負極要形成穩定的界面。有兩類固體電解質材料：無機固體電解質和聚合物電解質。目前有4種或5種成熟的無基固體電解質和聚合物電解質，但是任何一種都不能完全滿足需要。通過開發聚合物/陶瓷復合材料，可能會滿足所有的需求條件。現有的鋰離子電池設備可能部分能用來生產固態鋰電池，意味著不需要額外增加成本就可以實現產業轉化。以這種方式，那么在鋰電池研發和生產領域，中國有可能成為一個強有力的競爭國家和主力國家。
電動汽車需求量逐年增加，中國已經成為生產和銷售電動汽車的主力，這里面電池是關鍵。我們需要考慮如何布局中國的鋰電池工業，以及鋰電池如何滿足中國電動汽車的需求。通過采用容量約500mA·h/g的納米結構硅/碳復合負極材料和高容量鎳基層狀氧化物或錳基富鋰正極材料，鋰電池的能量密度預計可以達到300~350W·h/kg的目標。
為了進一步提高能量密度，有可能高達500W·h/kg，我們就需要研發固態鋰電池了。我們需要通過“材料基因組計劃”，包括高通量、多尺度計算和篩選、數據挖掘技術和方法來鑒別合適的材料，從而加快這一進程。實驗和計算形成的大數據以及材料信息學有助于我們對離子擴散、儲鋰能力、電荷轉移、結構演化等基本科學問題的理解。更重要的是，在中國，我們必須為這個令人興奮的可持續發展的清潔能源領域吸引和培養有智慧的年輕人。我們爭取在五年內實現固態鋰電池的產業化。我們的目標一定要達到，我們的目標一定能夠達到！
李泓研究員：全固態鋰電池的“夢想”與“現實”
李泓，中國科學院物理研究所研究員。
事實上，相對于液態電解質電芯，尚未有報道顯示固態電解質全固態鋰電池電芯的綜合電化學性能超過液態，目前的研究重點還是解決循環性、倍率特性，各類全固態鋰電池的熱失控、熱擴散行為的測試數據還非常少。以（solid state batter*）和[（safety）或（thermal runaway）]為關鍵詞，在Webof Science下屬的核心合集進行檢索，2017年得到138篇文獻結果。經過篩選，只有9篇提到了固態電池的安全性，但其中多數的安全測試均為用火焰灼燒電解質或研究加熱條件下材料的微觀結構變化或強化金屬鋰與固態電解質的界面，并未對固態電池進行整體的安全性測試。
其中ZAGHIB等的文章分析了聚合物電解質與液態電解質的熱失控與自加熱速率對比，日本豐田公司中央研究院利用DSC研究了鈮摻雜鋰鑭鋯氧（LLZNO）全固態鋰離子電池的產熱行為，最后得出全固態鋰離子電池能夠提高安全性（產熱量降低到液態的30%）但并非絕對安全的結論。
顯然，全固態鋰離子電池是否真的解決了鋰離子電池的本質安全性還有待更廣泛、深入的研究和數據積累。目前下結論認為在全壽命周期中全固態鋰離子電池以及全固態金屬鋰電池安全性會顯著優于經過優化的液態電解質鋰離子電芯為時尚早，而且基于不同固態電解質的全固態鋰電池可能在安全性方面也會有顯著差異，需要系統研究。
在電化學性能和安全性優勢尚未研究和驗證清楚，且可以大規模量產的材料體系、電極和電解質膜材料、電芯的設計與智能制造裝備尚未成熟，相應的BMS，熱管理系統還沒有系統研制，電池成本尚未核算清楚的情況下，宣傳全固態鋰電池能夠在短期內實現商業化，特別是直接用在電動汽車上恐怕是夢想多于現實。即便是日本，對于硫化物電解質的全固態鋰電池能否最終獲得應用，何時能夠應用也有不同的看法，空氣敏感性、易氧化、高界面電阻、高成本帶來的挑戰并不容易在短期內徹底解決，依然需要持續努力。
許曉雄：關于全固態鋰電池的生產工藝及設備
許曉雄，博士，贛鋒鋰業股份有限公司董事、首席科學家；浙江鋒鋰新能源科技有限公司總經理。
大容量全固態鋰二次電池，由于應用面寬，市場很大，需要能快速、低成本的規模制備，在液態鋰離子電池中廣泛使用的高速擠壓涂布或噴涂技術可以借鑒。基于聚合物固體電解質的大容量全固態鋰二次電池制備與現有鋰離子電池的卷繞工藝接近。但是，考慮到目前無機固體電解質膜的柔韌性不佳，在制備全固態鋰二次電池時更多的采用疊片工藝，至于具體是分別制備電解質與正負極膜片后疊合，還是采用雙層或多層一次涂布制備電解質和正極的復合層，更適合規模化生產的技術路線還有待進一步的研究。
全固態鋰二次電池的生產設備雖然與傳統鋰離子電池電芯生產設備有較大差別，但從客觀上看也不存在革命性的創新，可能80%的設備可以延續鋰離子電池的生產設備，只是在生產環境上有了更高的要求，需要在更高級別的干燥間內進行生產，這對于具備超級電容器、鋰離子電容器、鎳鈷鋁、預鋰化、鈦酸鋰等空氣敏感儲能器件或材料的企業來說，制造環境可以兼容，但相應的生產環境成本顯著提高。
林建：固態電池有很長的路要走
林建，深圳比克電池首席技術官。
我們比克認為，材料方面氧化物、硫化物、聚合物電解質，也做了大量的探索，就電解質來說，最成熟的還是上世紀80年代推出的聚氧乙烯，缺點很多，高溫下電導率才可以達到，耐氧化性很差，能量密度就比高鎳的液態要低很多。硫化物如果一旦暴露在空氣中、水分中會產生硫化氫，如果用了硫化物，安全性能就硫化氫肯定是不安全的。氧化物電導率還是低，材料上來說，目前也沒有太好的選擇。界面，這個固固界面，我們是覺得沒有太好的手段來解決，各位專家提到的半固態到全固態，這個界面還是需要液體，或者離子液體，甚至是常規的電解液來潤濕。金屬鋰的問題缺點很明顯，長期循環之后，比表面積增大，電池發生碰撞、破裂的時候，這么大比表面暴露在空氣中也是劇烈的燃燒。如果你從這種階段來看就算金屬鋰固態電池是安全的，循環后期金屬鋰電池的安全性也是值得商榷。目前來看，各位專家提到的固態電池有很長的路要走，可能到2025年會有真正的準固態會量產，但是還需要更長的時間來達到全固態，這是比克電池的觀點。
參考資料：
南策文院士：固態鋰電池的未來之路│Cell Press對話科學家（2019）
中科院院士：中國300wh/kg動力電池已研發完成豐田的固態電池不稀奇（建約車評，2018）
長江講壇第38講：歐陽明高院士作新能源汽車科技前沿報告（2019）
NSR訪談｜陳立泉：固態金屬鋰電池研發四十周年（國家科學評論，2017）【SNEC2019】圓桌對話：固態電池產業化時間節點？（2019）
許曉雄等：為全固態鋰電池“正名”（儲能科學與技術，2018）
李 泓：全固態鋰電池：夢想照進現實（2018）
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