宁德时代公布两项固态电池专利的简单介绍

安全范围发挥更大充电能力 宁德时代电池快速充电新专利发布

易车讯  日前，我们从相关渠道获悉，宁德时代“电池快速充电 *** 及计算机设备”专利已经发布，其公开号为CN112615075A。

从专利摘要可以看出，该申请提供了一种电池快速充电 *** 及计算机设备。包括建立负极电位估算模型并设置负极电位安全阈值；以之一预设充电电流对电池恒流充电预设时间后，将之一预设充电电流调整至第二预设充电电流；以第二预设充电电流对电池恒流充电，在充电过程中，利用负极电位估算模型实时获取电池的负极电位估计值；当负极电位估计值下降至负极电位安全阈值时，实时调整第二预设充电电流，以确保负极电位估计值与负极电位安全阈值的差值在预设范围内，并以调整后的电流对电池充电，至充电截止电压。

据了解，该 *** 利用负极电位安全阈值与负极电位估计值的大小关系，实时调整充电电流，使电池在无析锂副反应的安全范围内发挥更大的充电能力，实现了电池的安全快速充电。

最近，宁德时代在动力电池技术领域集中发力，不久前公开多项涉及储能装置技术、储能材料技术、电池技术的“二次电池”相关专利，3月末，宁德时代还公开了一项名为“电池加热系统”的专利，通过外接充电对电池模组 *** 进行间隔性加热，以求提高电池续航表现，更多消息持续关注。

正准备“杀死”传统燃油车的固态电池

截至目前，全国新能源汽车保有量达891万辆，增速逼近20%。新能源车已是毫无疑义的大势所趋，但自燃事故频发、充电1小时排队4小时、续航坑爹等问题的发生，总是让新能源车在自我打脸。

到底什么时候才能让人毫无顾虑地买一台新能源车？这可能得看固态电池何时上市应用。

相较于目前主流的锂电池，固态电池续航里程更远、更安全、使用寿命更长，因而被许多人视为动力电池的天花板。

有不少声音就指出"一旦固态电池得以普及，就是传统燃油车淘汰之时”，但固态电池真有这么神吗？

固态电池与目前主流的车载锂电池不同之处在于，前者使用固体材料作为电解质，封存简易，化学结构稳定，热分解温度更高超过500℃，能减少锂离子电池起火风险。

同时，由于固态电池能量密度更高，使得续航能力更强，同时还能缩短充电时间，降低车辆成本。

相反，后者在反复充电时会导致锂离子反复沉积和析出，在负极表面产生锂枝晶，不断缩短电池寿命，严重时甚至穿透隔膜，引发漏液和短路，最终导致车辆自燃。

锂枝晶

在低温环境下，液态锂电池的电解液还会变得黏稠，使得锂离子迁移速率变慢，导致电池活性降低，这就解释了目前的新能源车为何出现如此“坑爹”的现象。

固态电池有多优秀，全靠液态锂电池这个同行衬托。当下，大众、宝马、丰田、日产等车企，以及宁德时代也在全力建立固态电池的技术壁垒。

而在中国这片新能源车的热土，半固态电池已开始逐渐走向汽车的商用化。犹记得一年前，蔚来发布搭载半固态电池的ET7，能量密度达到360kWh/kg，并且宣称一次充电后续航里程就能达到1000公里以上。

蔚来ET7

即使蔚来ET7上的这块电池并不是真正意义上的固态电池，但却还是令固态电池一夜爆红，锂电池概念股票却几乎全线暴跌。

与疯狂的投资热潮形成落差的是，世界上并没有任何一块全固态电池在汽车上量产应用。它还是实验室产物，车企对于固态电池的发展，也只是处在画饼阶段。

在2021年4月时，宁德时代董事长曾毓群就公开表示，“3-5年内能做到车里的，都不是全固态电池”。

早在2011年，丰田就扬言将在2015年到2020年推出固态电池，但至今依然未见踪影，最后又改口到2025年前，才能实现小规模的量产；宝马大致相当，2025年前推出应用固态电池的原型车。

为什么固态电池能把全球之一的车企丰田都难倒？主要是它在材料、制备、成本等方面，都存在着诸多高难度瓶颈。

首先是材料，固态电池的电解质一般分为氧化物、硫化物、聚合物三种，代表三种不同的技术路线，在电导率、能量密度、成本、安全性能方面各有千秋。

该选择哪种材料，目前还没有统一答案，更没有成熟的材料体系。

再者是制备工艺复杂。一是固态电解质中离子扩散速度仅为电解液的十分之一，如果提高能量密度，则要将固态颗粒纳米化，这就形成了工艺制备的难题。二是，固态电池的体系和界面有别于液态锂电池，架构和系统都需要重新设计。

最后是制造成本太高。根据较早前的 *** 息显示，全固态电池的制造成本达到 1.5万美元/千瓦时（约97万人民币），而目前普通液态锂电池成本不过200-300美元/千瓦时，论成本，这两者还很难同台竞争。

但不管瓶颈再多，集众多优点于一身的固态电池已成为动力电池行业一个重要分水岭。谁能抢先一步落地，谁就能技术制高点。

作为固态电池这场“军事备赛”上，日本算得上是先锋派。除了丰田外，日产也在积极推进固态电池的落地，且计划在2024年试点生产，2028年推出搭载固态电池的首款车型。

不同于丰田目前只公布了一些零星半点消息，日产最近针对固态电池低调举办了一场发布会，直接剧透了不少技术突破的消息。

一是材料的使用。比如采用纤维状粘合剂取代传统粘合剂，使得正极活性物锂离子的移动不设障碍，进而降低电芯阻抗。

正如前文所言，固态电池材料体系尚未成熟，这意味着研发验证过程漫长且复杂。日产利用大数据和人工智能验证材料，提高材料的选择效率，研发时间从传统的5-20年减少至2-3年。

比如防止性能衰减的正极涂层材料、抑制锂枝晶形成的材料等。

二是生产 *** 工艺，日本通过正极活性物与固态电解质的均匀、高密度混合，结合纤维状粘合剂，进一步降低电池阻抗。他们还发明了一种设计，使得电解质和电极层重复扩张和收缩而不分离。

三是到2028年有望将电池组的成本降至75美元/千瓦时，充电时间缩短至的三分之一，在25℃下能在15分钟时间内从15%充电到80%。

简单来说，电池阻抗低，充电效率高，成本低。这短短十几个字却是车企未来几年甚至十几年不断探索固态电池发展的终极目标，也是在新能源时代立足的根基。

在全球实现碳中和这场新能源革命中，电池就像核心武器，决定着续航里程，决定着电动车使用的方便程度、安全性，决定是否能真正“革掉”燃油车的命。

而这当中，拥有更高安全性、更高能量密度、更长寿命的固态电池更是极为美好的理想形态。

据工信部公布的《中国制造2025》中对电池技术的指导意见显示，到2025年、2030年两个时间节点，动力电池单体能量密度需达到400Wh/kg、500 Wh/kg。

但从目前行业现状来看，液态锂电池的主流水平为160wh/kg，特斯拉4680电池的300kWh/kg已是行业天花板。反之，固态电池则是分分钟能达到400Wh/kg能量密度。

因此，我们也不难理解为什么全球各家大型车企都在自研或者投资固态电池，毕竟谁也不愿意在不久的将来被卡脖子。

随着技术的进步，未来的固态电池将按照“液态—半固态—准固态—全固态”的技术演化路径，液态电解质含量逐步下降，全固态电池很可能成为最终形态。

但不管是哪种电池，最关键的是要在能量、安全和成本三大方面取得趋于完美的平衡。如果其他技术路线在与固态电池的推进过程中，能更快取得三方面的平衡，也同样可以站在C位。

正如几年前的磷酸铁锂因为能量密度低被抛弃，正当大家都认定三元锂电池是主角时，比亚迪却鼓捣出了刀片电池，再次让磷酸铁锂电池回到主流视线。

比亚迪3月新能源车销量

所以说，杀死燃油车不一定是固态电池，但一定是适合市场发展，兼具低成本与高能量的电池。

如何应对新能源车价格持续上涨？

受疫情及国际局势等因素影响，锂、镍等动力电池原材料价格持续上涨，以及供应链中断等情况，导致国内新能源汽车价格自去年年底至今上涨2-3轮，直接拉高了消费者购车成本。这对于供需双方来说，都不是好消息。如果涨幅较小，可能一些消费者还能接受，但涨幅过大，消费者承担不了，可能就会直接影响购买新能源车的决策，进而影响新能源市场整体发展。

要解决新能源车价格飙升的问题，首先就要解决动力电池原材料价格浮动，但是从目前来看，这种市场供需很难在短时间内改变，长期来看，解决这一问题更好的方式或是坚持电池技术和材料多元化发展，摆脱当前锂等原材料的束缚。

近日，国家发改委副主任林念修在中国电动汽车百人会论坛中就提出，巩固锂离子电池技术和产业优势，加快发展钠离子、无钴、固态电池、燃料电池等新型电池技术，促进电池技术和材料多元化，并且，鼓励中外企业创新合作模式，有效缓解稀有金属、稀缺金属资源供给矛盾。

宁德时代董事长曾毓群也认为，“碳中和”催生了万亿瓦时级的电池需求，推动了新能源产业蓬勃发展，新的应用场景不断产生，给了不同技术施展的舞台。多元化的技术路线，也将助力产业长期稳定发展。

事实上，当前市场中的新能源车型采用的动力电池基本上由磷酸铁锂以及三元电池组成。今年前2个月，我国动力电池装车量累计29.9GWh，同比累计增长109.7%。其中，三元电池装车量累计13.1GWh，占总装车量43.8%，同比累计增长50.6%；磷酸铁锂电池装车量累计16.7GWh,占总装车量55.9%，同比累计增长203.1%，呈现快速增长发展势头。值得注意的是，磷酸铁锂电池装车量在2月份首次超过了三元电池。

除上述两种主流电池之外，钠离子电池、无钴电池、固态电池以及燃料电池也有所发展。

去年7月29日，宁德时代发布旗下之一代钠离子电池，同时，锂钠混搭电池包也在发布会上首次亮相。这是基于“双碳”经济以及新能源产业进入到多层次、多类型、多元化发展阶段，新能源汽车市场对电池提出的差异化需求。

钠离子电池有着与锂离子电池相似的工作原理，主要通过钠离子在正负极之间的嵌入、脱出实现电荷转移，但钠离子体积较大，在材料结构稳定性和动力学性能方面要求更严苛，这也成为钠离子电池迟迟难以商用的瓶颈。

基于材料体系突破，宁德时代研发的之一代钠离子电池具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等优势。其电芯单体能量密度高达160Wh/kg（根究宁德时代的规划，下一代钠离子电池能量密度研发目标是200Wh/kg以上）；常温下充电15分钟，电量可达80%以上；在-20°C低温环境中，也拥有90%以上的放电保持率；系统集成效率可达80%以上；热稳定性也远超国家安全标准。

在制造工艺方面，钠离子电池可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的完美兼容，产线可进行快速切换，完成产能快速布局。目前，宁德时代已启动钠离子电池产业化布局，2023年将形成基本产业链。

目前行业内使用的磷酸铁锂电池成本较低，但另一方面能量密度通常在170-180Wh/kg；而三元体系的能量密度更高可达250wh/kg以上，但三元材料中使用了钴元素，受制于蕴藏量与开采量，钴元素的国际市场价格极其不稳定，并长期保持在高位。

无钴的技术路线，主要是为了平衡用户对长续航、高安全、高快充、低成本的特性的均衡追求，基于三元体系上衍生出来的NMX的无钴路线，无钴材料可实现高能量密度电芯的产品设计。

据了解，蜂巢能源的无钴材料实现了钴元素的零化，从而完全不受钴市场的影响，并实现低成本化，同时其能量密度可与三元材料持平。故从长远看，无钴电池相比磷酸铁锂技术方向和三元电池技术相比，具有巨大的竞争优势，是行业发展的不可替代趋势。

由蜂巢能源H平台的无钴正极材料所打造的电池产品，常温下无钴电池的循环寿命可达到2500次以上。能量密度方面，无钴电池目前可以做到240~245Wh/kg，远高于主流磷酸铁锂电池的170~180Wh/kg水平，也十分接近811体系三元锂电的240~250Wh/kg水平。

值得一提的是，搭载蜂巢能源无钴锂离子电池的欧拉樱桃猫，在去年成都车展上已经亮相，采用的是82.5kWh无钴电池组，NEDC续航为600km，这也是全球首款搭载无钴电池的新能源车，预计在今年年内上市。

需要注意的是，松下电器总裁楠见雄规近期表示，松下将力争在三年内实现无钴电池的量产。这就以为着无钴电池存在一定的市场需求，但是否会大批量装车还需要时间来检验。

固态电池则是以固体作为电解质和导电介质的电池，这种电池在原料和生产路径上都和目前普遍采用的液体电解质电池存在着巨大的差异。固态电池根据固化程度的不同可以分为半固态、准固态和全固态电池。

中国电动汽车百人会副理事长、中国科学院院士欧阳明高表示，2025年是液态电池向固态电池过渡的关键期，我国动力电池产业化的目标为，到2025年，液态体系电池单体能量密度将达到350Wh/kg；2030年，液态电池向固态电池过渡的固液混合体系电池单体能量密度为400Wh/kg；2035年，准/全固态体系电池单体能量密度将达500Wh/kg。在2030年，预计国内全固态电池占比不会超过1%。

从目前来看，固态电池仅发展在半固态电池阶段，最早装车的是蔚来ET7。根据近期曝光的消息显示，蔚来ET7采用的是卫蓝新能源提供的单次充电续航1000km的混合固液电解质电池。该电池预计于今年年底或明年上半年开始量产。

在能量密度方面，固态电池通过化学成分，可以减少40%的体积和25%的重量。以宁德时代的固态电池专利技术为例，最终有望突破500Wh/kg的能量密度。

在安全性上，固态电池相较于目前的液态电解质电池有着不可燃、不挥发、不腐蚀以及不漏液等优点，即便是在高温环境下也不会发生副反应。另外，固态电池在结构上有着更强的温度适应性，使用寿命相较于液态电池也更长。

从理论上来看，固态电池可以解决绝大多数目前液体电解质电池令人头疼的问题，在量产、商业化等方面还有一定难度。

3月23日，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，其中就提出支持氢燃料电池技术发展，并计划到2025年，燃料电池车辆保有量约 5 万辆。此外，该规划还首次明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，再生能源制氢是主要发展方向。

日韩车企在该氢燃料电池领域布局时间长，产品也相对更为成熟。国内则是上汽集团在FCEV领域投入较早，投资专门研发氢燃料电池系统的氢捷科技，上汽大通还发布了燃料电池MPV—EUNIQ 7。

写在最后：从现阶段来看，解决新能源车价上涨问题更好的 *** 是保证供应量以及稳价格，加强锂、镍、钴等资源保障体系建设，加快构建开发采购并举，国内国际互济的多元化保供体系，维持市场供需。长期来看，需要电池技术的不断突破，寻找更加符合市场需求的原材料。

电池厂商争先研发固态电池，不仅是趋势，也因为宁德时代？

目前的纯电动汽车主要使用的是三元锂电池，部分车型使用的是磷酸铁锂电池。从能量密度上来看，三元锂电池更高，所以对于纯电动汽车来说可以提供更长的续航里程。但是三元锂电池在后期使用过程中依然存在稳定性较低等状况，制约着消费者的使用，而目前很多电池厂商也开始着手研发固态电池。

除了为了更好的发展纯电动汽车，提高自身竞争力之外，部分厂商着手研发固态电池还和宁德时代有一定的关系。因为在过去的2019年，我国动力电池装机总量为63.1GWh，其中宁德时代就占据了约52%。再加上特斯拉与宁德时代签署了相关的合作协议，这更是给其他动力电池生产厂商带来了压力。所以电池厂商争先研发固态电池，也有一种欲打破“围城”的感觉。

不过从性能上来看，固态电池相比目前使用的液态电池确实具有一定的优势。因为固态电池采用了固体电解质，所以有效的避免了液态锂离子电池在后期使用过程中发生的锂枝晶现象。再加上固态电池工作温度范围更广，所以稳定性相对更强。而且在能量密度方面，固态电池也比液态电池具有一定的优势，在一定程度上可以提供更长的续航里程。

但固态电池虽然优势较为明显，但是缺点依然不容忽视。正是由于采用了固体电解质，所以固态电池倍率性能较低，这样就导致了这种电池在充电的时候所用的时间较长。再加上目前固态电池生产成本较高，制约了行业的发展。所以电池厂商通过研发固态电池打破“围城”是有效的方式之一，但仍然需要技术的不断提升。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

三星固态电池技术取得重大突破！解决三大行业难题，离量产不远了

车东西（公众号：chedongxi）文 | Bear

三星在全固态电池的量产之路上取得了突破性的进展！

日前，三星高等研究院与三星日本研究中心在《自然-能源》（Nature Energy）杂志上发布了一篇名为《通过银碳负极实现高能量密度长续航全固态锂电池》的论文，展示了三星对于困扰全固态电池量产的锂枝晶与充放电效率问题的解决方案。

▲三星在《自然-能源》杂志上发表论文

据了解，这一解决方案将帮助三星的全固态电池实现900Wh/L（区别于Wh/kg的计量单位，因不同材料密度不同，二者不可换算）的能量密度，1000次以上的充放电循环以及99.8%的库伦效率（也可称为充放电效率）。我国目前较为先进的固态电池技术虽然同样也能够实现1000次以上的充放电循环，但在库伦效率方面目前还达不到接近100%的程度。

据论文介绍，三星通过引入银碳复合负极、不锈钢（SUS）集电器、辉石型硫化物电解质以及特殊材料涂层，对固态电池的负极、电解质与正极进行了处理，有效解决了锂枝晶生长、低库伦效率与界面副反应，这三大固态电池量产所面临的核心问题，推动固态电池技术离产业化更进一步。

关键技术的突破，意味着固态电池市场卡位赛的开启，包括松下、宁德时代、丰田、宝马在内的一众玩家磨刀霍霍。可以预见，未来五年，固态电池技术将会成为这些公司技术交锋、产业布局的关键所在。

而三星，则会因为率先实现了技术上的突破，在这场竞赛中拥有相当大的领先优势。

一、全球争夺固态电池新风口 三星率先取得技术突破

固态电池一度被视为最适合电动汽车的电池技术，但这究竟是一种什么样的技术呢？

单从字面上理解，全固态电池意味着将现有电池体系中的液态电解质，完全替换为固态电解质。但在电池产业的定义中，固态电池有着三大技术特征——固态电解质、兼容高能量的正负极以及轻量化的电池系统。

固态电解质很好理解，区别于传统锂电池中所使用的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯等液态电解质，固态电解质是一种新型的，作为电池正负极之间离子移动通道的材料，目前主要分为三类——聚合物材料、无机氧化物材料、无机硫化物材料。

与液态电解质对比，固态电解质具有高温下稳定、不易燃的理化特性，同时其机械结构也能抑制锂枝晶生长，避免其刺穿隔膜造成电池短路。

同时，常规液态电解质高压之下易氧化的特点对于固态电解质而言也不复存在，因此固态电池可采用能量密度更高、放电窗口更高、电势差更大的正负极解决方案。

而由于固态电池电芯内部不含液体，可以实现先串联后并联组装的方式，减轻了电池PACK的重量；固态电池性质稳定的特点，也可以省去动力电池内部的温控元件，进一步实现动力电池的减重。

上述三大特征所对应的，正是固态电池对比传统锂电池所具有的技术优势。简单来说，就是更高的能量密度、更大的放电倍率、更长的循环寿命以及更加轻量化的电池系统设计。

这些技术优势决定，固态电池将会是未来十年内最适合电动汽车的动力电池，以动力电池产业内部对固态电池量产进度的研判，到2025年之后，固态电池将逐渐成为动力电池领域的主流产品。

可以说，谁抢下了固态电池，谁就抢下了未来十年内，新能源产业发展的先机。

在这一思想的主导下，丰田、宝马、大众等国际一线车企，松下、三星、宁德时代等动力电池企业，甚至是戴森、NGK|NTK等跨界而来的巨头玩家，纷纷涌入固态电池领域，试图通过投资并购、技术合作、独立研发等手段，在固态电池尚未实现产业化之前完成卡位。

▲大众推出了搭载固态电池的奥迪PB18 e-tron

但当这些玩家真正下场布局的时候，固态电池的技术难度远超他们的想象。当下固态电池技术距离量产还需要解决诸多难点，有研究显示，锂枝晶的形成、界面阻抗导致的库伦效率低、固态电解质与正负极产生副反应等问题在固态电池的实验中尤为明显。

三星日前在《自然-能源》杂志上发表的论文，正式针对这些问题提出了解决方案。

▲三星在《自然-能源》杂志上发表论文

首先，三星通过银碳复合材料与不锈钢（SUS）集电器减少了负极锂离子过量不均匀沉积，并采用锂离子迁移数更高的硫化物固态电解质（一般液态电解质锂离子迁移数为0.5，硫化物固态电解质锂离子迁移数为1），减少了电解质中锂离子的沉积，在负极与电解质两个区域内减少了锂枝晶形成的可能性。

其次，三星对NCM正极层进行了LZO涂层的涂覆处理，使用0.5nm的LZO涂层将正极材料与硫化物固态电解质分隔开，并通过LZO涂层自身良好的电导率实现阻抗的减小，用以提升电池系统的库伦效率。

与此同时，LZO涂层与银碳复合材料层的存在也阻断了硫化物固态电解质与正负极产生副反应的可能，更大限度地保证了固态电池在工作过程中的正常表现与可循环性。

通过这套解决方案，三星的全固态电池实现了900Wh/L的能量密度、1000次以上的充放电循环以及99.8%的库伦效率。

而同样在研究固态电池的丰田、松下团队，目前的固态电池技术虽然能做到更高水平的循环次数，但其能量密度仅为700Wh/L，库伦效率也在90%左右。宁德时代的固态锂电池理论上能够做到1000Wh/L以上的能量密度，但在库伦效率方面，同样要弱三星一筹。

三星的这套解决方案有效地克服了固态电池产业化的技术难点，如果以卡位赛的思路来评价三星在众多对手中间的地位，那么三星在固态电池关键技术上的突破，无疑为其赢下了起跑阶段的优势。

二、三星解决锂枝晶生长问题的三大法门

三星在全固态电池研究过程中遇到的之一个难题就是锂枝晶问题，锂枝晶的形成对于所有的锂电池而言，都是不得不面对的问题。

其生成原理是锂离子在负极与电解液中的不均匀沉积，所形成的树杈状的锂离子结晶体，这些结晶体在放电倍率超过电池设计上限以及长期的充放电循环中均有可能出现。

而锂枝晶一旦出现，则意味着电池内部的锂离子出现了不可逆的减少，同时锂枝晶会不断吸附游离的锂离子实现生长，最终可能会刺破隔膜，导致电池正负极直接产生接触引发短路。

曾有观点认为，固态电解质的力学特性能够抑制锂枝晶的生长，阻止其对隔膜的破坏，但实际上，这样的设想并未实现。

有研究显示，通过固态电解质离子通道的锂离子抵达负极时的位置更不均匀，固态电解质与负极界面之间也存在间隙，因此容易造成锂离子的不规则沉积，从而形成锂枝晶。并且在这种情况下，导致锂枝晶出现的电压甚至低于传统的锂电池。

面对这一难题，三星提出了一种三合一的解决方案：

1、银碳复合材料层

三星在硫化物固态电解质与负极材料之间，添加了一层银碳复合材料层。

其充电过程中的工作原理，是在锂离子通过电解质抵达负极最终沉积的过程中，使锂离子与银碳材料层中间的银离子实现结合，降低锂离子的成核能（可简单理解为聚集在一起的能力），从而使锂离子均匀地沉积在负极材料上。

▲银碳复合层（红线部分）在电池结构中的示意图

而放电过程中，原本沉积在负极材料上的银-锂金属镀层中，锂离子完全消失，返回正极，银离子则会分布在负极材料与银碳复合材料层之间，等待下一次充电过程中锂离子的到来。

针对银碳复合材料层是否在锂离子沉积过程中产生了效果，三星团队进行了对照实验。

首先，该团队研究了无银碳复合材料层，负极直接与硫化物固态电解质接触的情况。

当充电率（SOC）50%，且充电速率为0.05C（0.34mAh/cm2）时，尽管锂离子在负极的沉积并不致密，但其沉积物较厚且形状随机，具备生成锂枝晶的可能性。

▲无银碳层时锂离子在负极的沉积情况

并且，在10次完整充放电循环之后，该电池容量与初始容量对比出现了大幅下滑，大约在经历了25次充放电循环之后，电池的容量已经下降至初始容量的20%左右。

▲无银碳层电池电量衰减情况

据三星研究团队分析，这种情况很可能是电池内部产生了锂枝晶，导致活动的锂离子数量大幅减少，从而减少了电池的放电容量。

而在存在银碳复合层的情况下，首次充电过程（0.1C，0.68mAh/cm2）中，锂离子通过银碳层后，在负极形成了致密且均匀的沉积物。

据三星研究团队推测，银碳层中的银在锂离子经过时，与锂离子进行结合，形成银锂合金，降低了锂离子的成核能，并在抵达负极的过程中形成了固溶体，使锂离子均匀地沉积在负极材料上。

▲银离子在多次循环后的分布情况

而在随后的放电过程中，电子显微镜下的图像显示，锂离子100%返回了正极材料，并未在负极材料中存在残留，这意味着本次充放电的过程中，锂离子几乎没有发生损失，也没有存留沉积，避免锂枝晶的形成。

2、SUS集电器负极

银碳复合材料层很大程度上解决了锂离子不均匀沉积的问题，但为了尽可能减少锂枝晶的形成，还需要对电池中“过量”的锂进行削减。

提出这一说法的原因，是因为三星发现被盛传适合作为高能量密度（3,860 mAh g?1）负极材料的金属锂，在固态电池中并不适用。

过量的锂在高电压的作用下很可能会自发聚集，形成锂枝晶。

因此，三星在其全固态电池解决方案中使用了不含锂的不锈钢（SUS）集电器作为负极，作为锂离子的沉积载体和电池的结构体而言，SUS材料的机械强度十分可靠。

并且由于负极材料不含锂，也能够抑制锂枝晶的形成。

3、辉石型硫化物固态电解质

锂枝晶形成的另一处位置是电解质，由于传统电解质锂离子迁移数通常为0.5，过量放电造成的大量锂离子迁移会使锂离子沉积在离子通道内，在长期的循环中有可能形成锂枝晶。

而三星在全固态电池解决方案中使用的电解质是锂离子迁移数为1的辉石型硫化物固态电解质，其锂离子迁移数较一般电解质更大，不容易使锂离子沉积其中，因此也能够抑制锂枝晶的形成。

通过上述三种 *** ，三星的全固态电池解决方案有效避免了锂枝晶的形成，在其数千次的循环试验中，采用这一方案的固态电池没有形成锂枝晶。

三、特殊涂料解决阻抗问题 充放电效率高达99.8%

针对全固态电池研发的另外两个难点——界面阻抗高引起的库伦效率问题、固态电解质与正负极产生副反应的问题，三星也给出了解决方案。

在固态电池中，固态电极与固体电解质之间会形成固-固界面，与传统电池的固-液界面拥有良好的接触性不同，固体与固体之间的直接接触难以做到无缝。即是说，固-固界面的接触面积要比相同规格的固-液界面接触面积小。

根据接触面积影响离子电导率的原理，接触面积越小，界面之间的离子电导率就越低，阻抗也就越大。

而在相同电压下，阻抗越大，电流也就越小，电池的库伦效率就越低。

不仅如此，固态电解质在与活性正极材料接触的过程中，也会产生界面副反应。

根据加州大学圣地亚哥分校的研究成果，正极锂离子脱嵌过程中产生的氧将会与硫化物固态电解质中的锂产生强烈的静电作用，电解质与正极材料之间阳离子的互扩散会形成SEI膜（一种覆盖在电极表面的钝化层），并在反复的循环中出现增厚、阻碍离子运输的现象。

这一现象也会导致电池的库伦效率降低。

为应对上述两个问题，三星在正负电极方面均进行了处理。

在正极方面，三星通过对正极NCM材料涂覆一层5nm厚的LZO（Li2O–ZrO2）涂层，用来改善正极与电解质固-固界面的阻抗性能。

▲NCM正极材料外涂覆的LZO涂层

与此同时，涂覆的LZO涂层阻断了正极材料与硫化物固态电解质之间的副反应，这使得二者间不会出现SEI膜，库伦效率得到了提升，放电容量的衰减也同时被大幅减缓。

在负极方面，硫化物固态电解质通过银碳层与负极间接接触，界面阻抗同样得到了改善，银离子还能够帮助锂离子完成在负极的均匀沉积，阻抗进一步减小。

而三星使用SUS集电器作为负极材料的另一个原因也是因为SUS集电器与硫化物几乎不产生反应，也就是说负极与硫化物固态电解质的副反应的可能性也被断绝。

除此之外，三星所选用的辉石型硫化物固态电解质拥有与一般液态电解质相同的离子传导率（1-25ms/cm），因此，该电解质本身的导电能力就很强，对于提升库伦效率也有帮助。

在三星研究团队1000次的充放电循环中，该套电池解决方案的平均库伦效率大于99.8%。而在去年7月，我国中科院物理所发表的固态电池解决方案中，其电池的库伦效率大约为93.8%。

四、三星领先一步 其他玩家仍有五年窗口期

三星的全固态电池解决方案，在一定程度上解决了当下固态电池产业化的三大技术难点。关键技术被攻克，意味着固态电池离产业化更进一步，电动汽车能用上固态电池的日子，也变得更近了。

三星研究团队在论文中直言：“我们研发的全固态电池拥有900Wh/L以上的能量密度与1000次以上的充放电循环寿命，出色的性能使得这套解决方案成为固态电池领域的关键性突破，很可能助推全固态电池成为未来电动汽车高能量密度与高安全性电池的选择。”

但需要注意的是，当一家企业宣布完成前瞻性技术关键难点突破的同时，也意味着该企业的技术壁垒正在建立，其他企业的机会则相应缩小。尤其是在电池这类技术优势大过天的产业中，技术壁垒的突破难度不言而喻。

此前，日本锂电材料商日立化成完成碳基负极技术研发，对我国材料企业的封锁时长达到30年之久。

而三星、LG化学、SKI等企业更是早早布局电池上游的隔膜、电解液、电极等领域，培养了自己的供应商体系的同时，将大量专利收入手中，形成了对其他电池企业的封锁之势。

此次三星率先突破固态电池技术难点，势必也会对其他电池企业进行专利封锁，中日韩等动力电池企业突破固态电池难点的技术路径又少了一条。

这就是三星在固态电池卡位赛中，取得先发优势的结果。

但对于三星而言，先发优势并不意味着胜券在握。固态电池的量产对于三星来说，仍有许多难点。

首先，硫化物固态电解质对生产过程的要求极高，暴露在空气中容易发生氧化，遇水易产生 H2S 等有害气体，生产过程需隔绝水分和氧气。

其次，银碳层的规模化投产需要规模不小的贵金属银的采购，成本颇高。

对于近年来盈利状况不佳的三星电池业务而言，新建产线采购贵金属的成本与固态电池量产后的市场之间形成的投入产出比，值得衡量。

因此，在固态电池的风口还未到来之前（业内认为会在2025年小规模量产），其他动力电池企业仍然拥有一段市场与技术的窗口期，固态电池的之一把交椅目前仍然虚位以待。

在日本，松下已经与丰田结盟，在两年之前拿出了700Wh/L能量密度的固态电池解决方案。

国内宁德时代近日公布的专利则显示，其全固态锂金属电池的能量密度理论上能够超过1000Wh/L，中科院物理所也完成了能将固态电池库伦效率提升至93%以上的材料研发。

美国动力电池初创公司Solid Power得到了现代、宝马、福特等车企的投资，宣布将在2026年量产能够用于电动汽车的固态电池。

可以预见的是，未来五年内，动力电池产业将围绕固态电池这一关键技术打响一场暗战。中、日、美、韩的动力电池企业均已入场布局，准备在固态电池风口到来之时，争抢该领域的龙头位置。

结语：固态电池难点被三星攻克

在此前的固态电池研发中，锂枝晶问题、库伦效率问题与界面副反应问题难倒了众多电池领域的研发团队。

但此次三星通过银碳复合材料与SUS集电器负极，有效解决了锂枝晶形成的问题，LZO涂层对正极的包覆也使得电池系统的库伦效率达到了99.8%。

可以认为，固态电池技术的关键难点已被三星攻克，固态电池产品距离量产又近了一步。

这一现象意味着在未来五年的时间里，布局固态电池领域的车企、动力电池供应商以及跨界玩家都将顺着这一思路进行研究，推动固态电池领域实现从研发到量产的突破。

综合入局玩家体量、资本助推以及电动汽车产业的需求三点来看，固态动力电池产业的风口或许很快就会到来。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

什么是固态电池概念股？

“固态电池”更多的仍然处于一个概念化的阶段，固态电池概念股指的是一项在计划中还没有实施的技术股票。

1、宁德时代（300750），宁德时代在固态电池上的布局和技术储备本身就很充足，2016年，宁德时代正式宣布在硫化物固态电池上的研发路径。容量为325 mAh的聚合物锂金属固态电池能量密度达300Wh/kg，可实现300周循环以容量保持率82%。全固态电池还在开发中，预计2030年后实现商品化。

2、长城汽车（601633），长城汽车旗下的欧拉品牌所使用的电池能量密度在160Wh/kg,正在开发的全新固态电池能量密度将超越300Wh/kg。

3、赣锋锂业（002460），公司正在开展对固态锂电池的广泛研究，预期将大幅减少***锂电池的安全问题及提高能量密度，试产阶段的固态锂电池已通过多项第三方安全测试。

4、天齐锂业（002466），天齐锂业在互动平台上向投资者透露，公司参股公司美国SolidEnergy主要开发和生产具有超高能量密度、超薄锂金属电池，开发电解液和负极材料，与固态电池研发和应用密切相关。

5、先导智能（300450），与欧州固态电池产品研发与生产制造企业BlueWorldTe。

6、天赐材料（002709），公司对固态电池技术进行了紧密跟踪，现阶段已开展全固态电池用固态电解质的初步研究，已有专利布局。

7、国轩高科（002074），国轩高科与QS属同一控股股东，预计2022年开始生产高安全固态电池，2025年后生产出能量密度超过800Wh/L、超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。

8、中天科技（600522），中天科技与中科院等机构进行固态电池技术合作，根据双方签署协议，相关指标符合发展预期。

9、江苏国信（002608），公司参股清陶能源，其建成的全国首条固态锂电池产线已于2018年11月正式投产，已经批量生产出了之一批固态电池产

10、当升科技（300073），公司固态电池研发各项工作稳步推进中，在与下游车企对接。