固态电池技术：或是处理"爆炸"问题的最终方法

面对一群丧尸，与其拳打脚踢，不如扔个Note7。噢，还有iphone7。

为甚么这些手机的锂离子电池这么不安全?有没有什么处理办法?让锂离子电池不爆炸的最终处理办法固态电池有什么?这种电池离我们还有多远?

除此之外，笔者还梳理了固态电池的产业现状，盘点了四家固态电池公司。固态电池终将成为主流电池，这些公司正在路上。

三星不哭，苹果也爆炸了。

美国科技博客boyGeniusReport的一篇文章今天凌晨晒出，一部苹果新iphone7仿佛也发生了爆炸。昵称为@kroopthesnoop的网友在Reddit论坛贴出的一张照片，他的黑色iphone7破损严重，屏幕开裂，边框有分明烧焦的痕迹。

苹果的股价周四开盘应声下跌。

此前，三星Note7手机在全球已造成近40起爆炸事故。就在九月二十六日下午，又一部国行的Note7发生爆炸，这是在我国Note7的第四起爆炸事故了。

美国佛罗里达州用户那桑多纳切(NathanDornacher)使用的三星Note7爆炸，他之前在车内给Note7充电。车的方向盘、仪表盘等已经面目全非。

2016年九月二日下午，三星电子在韩国召开新闻公布会，移动部门总裁高东真对三星Note7电池爆炸事件进行了公开道歉，宣布因电池缺陷问题，三星将停售Note7手机，并召回250万部Note7。

三星公司可能就此继续爆炸门损失近50亿美金--作为贡献韩国GDp超过五分之一的三星，这一次可真是惊动了国本。

六天之后，美国联邦管理局(FAA)发表表明，强烈提议乘客在飞机内封闭Note7电源，不要使用或进行充电。接着，美国消费品安全委员会(CpSC)又正式呼吁请消费者停止使用Note7并封闭电源。多米诺骨牌效应开始，多国部门继续发出警示，提醒乘客停止使用Note7，这里面也包括我国民航。

网民把Note7装饰成恐怖分子，说Note7才是真正的炸弹。

据三星自己说，Note7是手机锂离子电池的电池芯出了问题。因为制造工艺失误，电池的阴极和阳极相接触，导致电池芯过热从而引发爆炸。

爆炸一次不可怕，继续爆炸才可怕。这不由得让人想起同样由于电池、继续起火的特斯拉。

2015年年末，特斯拉还忙着统计去年全球交付总量达到50，580辆的傲人成就的时候，一月一日挪威一辆ModelS充电时猛然起火--所幸车内无人。

由于特斯拉使用的动力锂离子电池是三元锂离子电池，而三元锂离子电池燃烧时不能笔直用水或者二氧化碳扑灭，专用的铜粉水造价太高又不常见，所以当时的挪威消防队员只能用泡沫控制周边火势，直到这辆ModelS完全烧毁。

ModelS被烧毁画面。

传统锂离子电池的安全性始终是一柄达摩克利斯之剑，悬在人们的心头。

为甚么锂离子电池容易爆炸?

我们先看一下锂离子电池的解剖图：

一般的锂离子电池由正极、负极、电解质、隔膜组成。锂离子在正负极之间来回奔跑，完成充放电的过程。有了电解质，锂离子才能奔跑。正负极之间用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔开，电池的正负极因此戒备了笔直接触。

安全隐患就在这个隔膜上。一旦高压、过热，隔膜很容易被穿破，导致正负极接触，造成内部短路。据报道，三星为了提升电池的能量密度、延长续航能力，采用了更薄的隔膜材料，所以才会事故频出。

想想看，一辆特斯拉要使用7000多节18650型号锂离子电池，只要其中一节出了问题

7000多节锂离子电池节电池在特斯拉底盘紧密排布。

惟有一个改变才可以彻底处理问题--把液体的电解质换成固体的

固态电解质能让电池正负极永不接触。即使发生过热情况，固态电解质只是熔化成绝缘体，温度下降后又能恢复成固体，不会分析出气体和多余的热量。

倘若一个锂离子电池，换成固态电解质，它就叫做固态电池。

人类在固态电池上探索的道路至今已经有六十多年。最先加工出来的固态电池，不是那种厚厚的、或者圆圆的，而是像一层薄膜相同。

第一个报道产出固态电池的是日本人。1982年，日本Hitachi公司首先表明自己产出了厚度小于10μm的固态电池，是一层薄膜。但这块电池的功率太低，无法驱动任何电子设备。

薄膜电池今朝有更成熟的产品了。2008年，美国的InfinitepowerSolutions(IpS)公司推出了一种全固态薄膜电池。它惟有一个指甲盖大小、两张纸厚，15分钟就能充到90%的电量，可充放电10万次，使用至少15年。由于是全固态，这种薄膜电池可以随意弯折，在-40℃到85℃温度范围、甚至水下一千多米都能安全使用。

2015年，InfinitepowerSolutions公司被苹果收购，开始研究用于可穿戴设备上的固态电池。可以想象，倘若苹果手表用上固态电池，就能处理续航时间以及体积问题了。

这种薄膜形状的固态电池，在微型电子器件市场上使用广泛。世界范围内，有十几家公司拥有薄膜电池的专利，除了上面提到的两家，还有法国bellcore、美国Cymbet、辉能科技、俄罗斯的GSNanotech等。

俄罗斯公司GSNanotech加工的柔性薄膜锂离子电池。

但薄膜电池加工成本确实太高。它要利用一种叫做气相沉积的技术，所用设备动辄上百万。倘若将薄膜电池用到手机上，一台苹果能卖到100多万。

另外，因为电极是薄膜，薄膜电池能储存的能量很少，别说电动汽车了，手机要的电力都供不上。

更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固态电池。但非薄膜型的电池，目前技术还不是很靠谱。

瓶颈紧要有两个：一是固态电解质离子电导率太低，也就是锂离子在固态中奔跑得慢，而电池是靠锂离子在正负极间奔跑来实现充放电的，所以这意味着电池充放电慢。二是固电解质和电极接触得没有液态和电极接触好，导致界面电阻太高，这会显著降低电池性能。

在非薄膜型的电池里面，有三种材料可作为电解质：聚合物、硫化物、氧化物。有不少公司说自己在做以聚合物为电解质的电池，但他们做的其实不是聚合物固态电池，而是凝胶电解质，如Sony和三星。凝胶的状态介于固态和液态之间，其实根本没有处理安全性的问题，凝胶电池的能量密度也难以提高。所以三星后来索性放弃了凝胶电解质。

其它绝大部分厂商，包括我国新能源科技(ATL)，只是在隔膜上涂一层聚合物将隔膜与正负极粘接在一起。话说，ATL是全球最大的聚合物电池供应商，为三星、苹果、华为、OppO等公司供货。

什么时候固态电池才能够进入大规模产业化?

大部分业界的人乐观的。业内认为，预计3年内能出现性能为现有锂离子电池2倍多的产品。2013年，美国能源存储联合研究中心(JCESR)则说，5年内(2018年)开发出(相比一般锂离子电池)能量密度达到5倍、价格降至1/5的蓄电池。

但科研范畴的学者们都偏保守--他们认为毕竟研究生产品跟能形成产业是两码事。2016年上半年，科学院物理研究所研究员李泓博士说：至少要到2020年，中科院物理研究所生产的固态电池可能试水到商业化的程度，而真正的全固态可能要更长时间。

虽然工业上不可能实现液态到固态的飞越，但这不代表产业界在固态电池范畴无计可施。峰瑞资本投资人朱祎舟对笔者说，我们可以寻找液态到固态的过渡办法。例如，从麻省理工孵化出来的锂离子电池公司SolidEnergySystems的电解质，就是既有固态又有液态：先在金属锂电极上倾覆一层固态电解质薄膜，然后加入一种准离子态阻燃液体。制成的电池跟传统电池比体积缩小一半，还能供应更多能量。

固态电池性能好，成本高，就先瞄准对安全性、稳定性需求高，又不计成本的行业。固态电池的制造过程跟传统电池的不相同，就要充足利用传统电池的加工设备，戒备重建整条加工线，从而降低加工成本。朱祎舟说。

在大容量固态电池做产业化的这条路上，日本远远走在全世界前列。丰田、日立造船都是固态电池界的领军公司。2009年，日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)启动了210亿日元计划，举国之力研究电池，希望能在2030年前开发出能量密度为现有水平5倍以上的可充电电池。从今朝看来，这个时间可能被大大提前。

韩国也不落后，三星在日本也有个固态电池研究所--早点研发出来三星就能换上固态电池了。

日韩之后，依次是欧洲、美国、我国。

法国已经有电动汽车投入使用固态电池，但他们用的固态电池中间还是有隔膜的，不是真正意义上的全固态，而且目前尚无大规模使用。美国人则惟有技术，没有可以量产的产品，这里有创业公司一大把，比如：Seeo、SolidEnergySystem、Solidpower、QuantumeScape等等。

我国人还处于研究阶段，相关标的有清陶能源、宁德时代新能源科技(CATL)、比亚迪、微宏动力等，研发进度有快有慢。其中，清陶能源位于江苏盱眙，由南策文院士团队组建。同时，南院士拥有我国第一个与全固态有关的专利。

笔者盘点了四家开发固态电池的公司，其中法国的batScap虽然有投入使用的产品，但不是真正意义上的全固态电池;其他公司目前还惟有技术。

batScap

batScap是法国博罗雷(bollore)的子公司，开发了可以在电动汽车上使用的固态电池。开发固态电池的batScap是博罗雷在能源范畴布局的一个关键。

batScap做的是要加热的聚合物固态电池。因为在常温下聚合物的离子电导率太低，意味着锂离子在电极间奔跑得慢，充放电也就慢。加热后，聚合物的离子电导率才能提高。

2011年底开始，博罗雷利用自主开发的EVbluecar，在法国巴黎及郊外供应汽车共享服务Autolib，即抵达目的地后交换车辆。这种汽车用的就是batScap的固态电池，规格是30kWh。目前这种bluecar已有近4000辆，有约900座服务站和4500台充电器，每天利用次数1.8万次。

法国的固态电池电动汽车正在充电。

然而，电池要加热才能使用是难以大规模推广的。电动汽车可以利用行驶中出现的热量来维持60~80℃的使用温度。但停车时，非得要利用电池包内部的加热器来维持温度，每秒会消耗约200W的电力，跟一个电冰箱差不多。在停车过程中要一直连接充电器。有人做过估算，均匀一年下来，停车时加热器消耗的电力比行驶时所需的电力还多。

不过，据一名固态电池的技术人员透露，batScap的聚合物固态电池其实中间也有一层隔膜，根本不是我们所说的全固态。

Solidpower

美国Solidpower成立于2012年，位于美国肯塔基州的路易斯维尔市，在科罗拉多科技中心拥有650多平方米的厂。创始团队有不少来自科罗拉多大学博尔德分校(UCb)的教授与副教授。这些教授背景都十分强，比如仅SeheeLee教授一人就有18项相关专利。

Solidpower拿政府的钱比较多，2013年获美国能源部资助的346万美元，科罗拉多州的经济发展与国际贸易部门(COEDIT)资助的25万美元。2014年底又获美国空军资助290万美元。

Solidpower固态电池的电池能量密度达到了600Wh/kg，是市面上电池容量的两倍多。

Sakti3

Sakti3是一位来自美国密歇根大学的教授在2007年设立的风险创业公司。Sakti在梵文中是力量的意思，3是锂的原子序数，连起来就是锂的力量。这家公司是用蒸镀的办法制备无机固态电解质，并且宣称已能实现高效率量产。

美国密歇根大学教授安玛莉赛斯特里(AnnMarieSastry)是公司的CEO。

值得一提的是，Sakti32015年获得家电巨擘戴森公司1500万美元融资，年底被戴森以9000万美元收购。2016年九月，戴森宣布投资14亿建立电池厂。

Sakti3宣布已制造出能量密度达550Wh/kg的电池，这一能量密度要比一般锂离子电池的高约莫50%，电池蓄电量是特斯拉今朝使用的锂离子电池的两倍。Sakti3对媒体说，他们在其位于密歇根的小型实验场已制造出这种固态电池的原型，预计在两三年内实现商业化。

然而，业内针对Sakti3的声音真不少。不少科研人士都认为：Sakti3没有产品，只是在炒作固态电池概念。

丰田

2013年时，丰田宣布，计划在2020年全面实现全固态电池商业化，其能量将是锂离子电池的三到四倍，并在接下来几年使用锂空气电池。

许多日企都非常重视离子导电率。离子导电率高，意味着锂离子在正负极间奔跑得快，充放电的速度就快。而硫化物电解质在常温下的离子导电率与液态电解质相似，所以有许多日本公司在研究硫化物。丰田就是个代表。

依据丰田2014年公布的专利，他们研发的全固态电池，改善固态电解质和电极接触差的问题，用湿涂工艺来制备中间的电解质，让电解质变得很薄，从而减小电池体积。同时丰田放大了电芯尺寸，将电池面积张大了50倍，容量提升了一千倍。

丰田在试验中将固态电池用在电动小车上。

据苹果一名技术人员向笔者透露，丰田固态电池产业化很可能不会使用上面说的材料，他们公布这项专利也许只是为了误导产业界。