理论创新，材料性能好，厚电极性能有亮点但是似乎还难言工业化前景，期待未来突破

　　首先要说一下：该研究成果来自东京工业大学的菅野（Kanno）教授团队，发表在了国际顶尖期刊SCIENCE上：

　　总之是在硫系电解质固态电池领域的技术突破。不过比较有意思的是看了一眼知乎的回答，可能是听到类似的新闻太多了，很多人都已经有点应激性地选择了不相信，因此嘲讽居多，详细分析比较少。

　　笔者认为在这里不论是单纯的讽刺该类技术没办法量产，还是像日经新闻一样用一些模棱两可的”xx倍，顶配水平”的这种在中国都有点涉嫌违反广告法的说法来介绍/评论都有些极端。菅野教授其实是锂离子电池业内硫系电解质/固态电池技术方面的大佬，做了很多有意义的工作， 本文能上SCIENCE肯定也有其深刻的原因。因此本着一个工程师视角，基于实事求是的态度，结合笔者对于固态电电解质技术和电池行业工业化的基本认知，想在这里做一个简单剖析，让大家能理解这个工作大概水平怎么样，学术价值如何，距离实用化还有多远。

　　在各种固态电解质中，硫系固态电解质具有电导率高，合成和使用温度相比来说较低等一系列优点，基于该类固态电解质制备的固态电池有望在电池工艺和设计方面相比于现有的锂离子电池体系产生变革性进化，达到最终结构的极大简化，以期望实现电池成本的降低和单位体积内的包含的能量的提升，因此被广泛寄以厚望被视作固态电池的未来终极方向。

　　但是总体来说，硫系固态电解质目前仍然成本比较高，电导率还希望可以逐步提升，而且其毕竟是固态物质，与活性材料的界面结合就是老大难问题。不仅如此，真-全固态电池中如果想要完全摆脱传统液态电解质，不仅要在正负极之间的界面处用固态电解质对传统隔膜+电解液进行替换，在正极和负极电极材料中也需要让电解质（Electrolyte）颗粒弥散在正极（Cathode）和负极（Anode）材料中，以形成复合电极（即Catholyte和Anolyte）。

　　如果主要以科研角度视角考虑，我们主要更关心硫系电解质的电导率、稳定性等指标。而如果更多考虑到电池实用——工业化的要求，因为固态电解质本身其实不是活性材料（Active material），是不能贡献充放电容量/能量的，正极和负极材料才能贡献。因此固态电池想要实用化，就需要让其中的活性物质占比尽量高，固态电解质占比尽量少。更具体来说，就要让单位面积活性物质装载量尽量高，涂布尽量厚，电解质用量尽量少，这样做出来的电池才能距离实际使用更为接近。

　　所以在这里我们就看一下该工作的亮点以及基于文章已有信息推断出的该技术距离实用化的距离。

　　本文开创性地基于理论模型构建，提出了“混合聚阴离子-高熵”（“mixed (poly)-anion” /“high-entropy”）材料的理论，认为这样的材料能够更好的降低锂离子迁移的势垒，带来超离子传导的通路。当然问题就在于，传统上的硫系电解质的成分和结构都没这么复杂，而这样的材料之前也没有被制备出来过。菅野组基于两种经典结构的硫系固态电解质：LGPS以及Argyrodite，根据高熵合金的理论，经过一系列计算得到了该种成分/结构的材料，并通过固相反应法成功制备了该硫系固态电解质材料：Li9.54[Si1−δMδ]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6，其具有比传统LGPS电解质更优的电导率性能，这也为基于此电解质制备的正极-电解质复合体（Catholyte）并实现厚电极打下了基础。

　　然后基于质量比7（正极活性材料）：3（该电解质）的制备的厚电极，本文工作中做到了0.8mm厚（非常厚了真的），然后单位面积的装载量达到了245 mg/cm2以及23.5 mAh/cm2。必须得说，传统锂离子电池一般也就是做100um左右的涂布厚度，这里的这个极片厚度是很厉害的，能够说是朝着实用化迈出的重要一步，很值得关注。

　　介绍完了优点，但是如果各位关心的是该技术的工业化前景，那有问题咱也不应该回避，在这里也介绍一下。

　　刚才也说了，0.8mm厚的电极涂布是很厉害的，但是如果更细的看一下实验条件，就能看出一些问题：

　　工业用的锂离子电池中，正极中的活性物质占比常常要达到95%以上——还是本文开始时强调的一点：要尽量保证活性物质占比尽可能的高。而在这里的正极——新型电解质复合体（Catholyte）中，这两者比例可是7：3。30%的电解质使用对于学术研究成果应该可能是不错的数字，但对于工业化来说则还远远达不到满意的目标，毕竟固态电解质不能贡献容量，而且成本还几乎一定会很高，这离工业化方面任何一点极限都要追求的目标可以说差距还有点大。

　　上面图中（论文图4）也给出了基于该材料的厚电极制备的实验电池在不一样的温度下的放电曲线度，单位面积容量发挥也只是从23左右降到了17mAh/cm2附近，性能保持还是很好的。

　　注意了，C是一个充放电倍率的归一化单位，0.025C就从另一方面代表着该电流的大小对应着1/0.025个小时充满/放光，即40个小时。然后以我们的动力电池为例，常常我们关注它的0.33C、1C这样的数据（对应3/1小时充满/放光）。

　　这里是0.025C，那电流得多小……你就可以想像如果把测试条件往正常电池的倍率下调一下，此时这个材料/电池还能发挥出多少性能呢？估计不会太乐观，否则为何需要用这么低的倍率来测试呢？

　　注意，也许菅野教授组目前已经在这些材料体系工业化上取得了更多的进展，但是在本文中并没有披露，所以笔者也只是基于自己对于硫系固态电池技术的了解，加上基于本文的实验细节的推测，来大概分析一下目前硫系固态电池要工业化——实用化可能还存在的问题和挑战，如果有不足之处，还请业内同仁多多指正。

　　还是基于工业化的视角：材料能简易地处理，能用便宜的，就不用贵的麻烦的，那但凡你是要用，一定是因为不得己——一直听闻硫化物电解质材料在与正极/负极的界面结合/稳定性方面有些问题，所以总要使用材料包覆活性物质（比如LiCoO2）。而本文的工作中，还在使用LiNbO3来包覆LiCoO2——要知道铌可不是一种便宜的金属。用个钴你们都天天喊贵，大量用铌就比较靠谱吗？

　　当然了，也有一定的可能业内已经有其它工作已能摆脱该材料（LiNbO3）的使用了，也请各位指出。我在这里就是基于朴素的逻辑推演：LiCoO2正极材料买来/得到时一定是纯的，如果在这里使用还得再处理变成铌包覆的材料，那肯定是因为不得己非要用，那这个技术问题十有八九还是有待解决的，毕竟正负极材料与电解质的界面兼容性/稳定性问题一直都存在啊。

　　如上所述，电池要工业化实用化，肯定要降低非活性物质占比，提高活性物质正负极材料的用量。在本文中一开始看到了厚电极（提高了正极活性物质占比），让人很激动，虽然其中电解质复合量有点多（30%）但也还是可以。然后移步到电池组装，赫然发现这里的电解质用量还是500um，0.5mm厚……

　　怎么说呢，0.5和0.8一比基本就是用量差不多的节奏，要知道锂离子电池涂布厚度接近100um，而隔膜厚度才10um左右。所以你看看这里活性物质与（隔膜）电解质的相对用量……

　　当然有人可能在这里会说：你咋知道人家就没有做薄，不能做薄？还是强调一下，我在这里仍然是一个朴素的推论逻辑——如果你能做薄，你为啥不做的薄一些呢？而且做薄固态电解质并不是一个仅仅来自笔者的质疑，已经有不少文章讨论学术与工业界研究开发电池区别时，对这一点发出了疑问了：比如不能做薄是不是因为有可能枝晶会透过，或者是因为薄了以后成型/工艺处理方面有困难呢，还是有什么其它的技术问题呢？

　　还是那句话：如果你的文章/研究是向着工业实用化方向前进的，那你就应该把这样一些问题直面面对，而不是模糊化处理。比如下图来自北京理工大学黄佳琦教授团队，就明确说明了实验室做电池和工业中做电池很多材料用量的区别。

　　此外还包覆铟使用的问题、多种固态电解质使用的问题、锂金属过量的问题等等……如果你对于该技术的关注点在于实用化，这些点同样都不可以忽视。因为本文其实特别聚焦于材料本身，篇幅不太长，对于工程化相关的全电池制备/测试的介绍也不太多，笔者在此也就不再针对每一个点详细展开讨论了。

　　或者说，也许人家Kanno先生的这篇文章的工作就是偏向于学术研发的导向，并没太多关注这些工业化的方向。只是这些媒体解读的太跑偏，大家的期望太高太一厢情愿了。包括日系媒体对于日本技术的报道有时让人的确很矛盾，一方面日本是有一些独门的技术能做的很领先，但另外一些方面有些跑偏的略有点魔怔的报道有时反而可能会激起更多的反感，所以看了知乎的一大片批评，笔者也是有感而发啦。

　　本文基于对于材料结构方面的理论设计了该Li9.54[Si1−δMδ]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6材料，其具有较高的电导率，复合正极后得到的复合电极能做出0.8mm的超厚电极，并且具有不错的性能，在学术研究方面很有价值，所以这应该也是该文能发SCIENCE的原因。

　　但是该性能只能在很低的倍率（0.025C）下测出，而且从本文使用的其它材料体系、电池测试的细节方面来看，似乎并不能看出该系列的工作已经转向了以工业化量产为导向，如果要实用化要解决的问题估计还非常多。

　　实际上，基于笔者目前对硫系固态电解质固态电池技术的了解，即使在企业界目前能制备大容量电芯的企业都并不多，因此学校做的工作还是以研发导向也不奇怪，不应该过度苛求。不过最两年来，国内外对于硫系电解质的固态电池的开发也已经取得了很多进展，也开始有不少初创公司出现，看来已经初步解决了把电芯容量做大，准备中试生产方面存在的一些问题。

　　笔者其实还是很看好硫系电解质固态电池技术的，毕竟它有希望带来锂离子电池技术的质变，从根本上变革材料体系和电池结构和制备工艺，所以还是希望这个方向能不断发展，早日给我们大家带来惊喜。

　　就固态电池这个事情都能鸽了几年又几年，我不管你容量能达到宇宙第一也好，电导率提升3.8倍还是3.8万倍也好，你倒是快点给我带来影响啊。

　　比如小日子之前一阵忽悠，韩国就是信了邪，推出了一款量产的氢能车NEXO，6.33公斤克容量，能续航600公里，加满需要6.2万韩元（约合348.80元），最近国际能源价格大涨，目前已经涨至约8.3万韩元（约合人民币466.94元），比之前上涨33%。

　　与之对比，韩国的的内燃机汽车途胜2.0柴油版，54L油箱加满需要74574韩元（约合419.54元）续航为783公里。

　　日、韩押宝硫化物体系，硫化物电解质空气稳定性差，当其暴露于空气中就会产生有毒气体，同时伴随着电解质结构的破坏和电化学性能的衰减，硫化物电解质的合成、储存、运输和后处理过程需要严重依赖惰性气体或干燥室。

　　欧洲主要为聚合物路线，聚合物电解质在室温条件下，离子电导率较低，使得聚合物固态电池充电需要在高温环境下完成，极大地限制了其商业化；

　　中国则以氧化物为主。大多数氧化物电解质具有较宽的电化学稳定“窗口”和更好的氧化稳定性，但为了能够更好的保证刚性氧化物电解质与阴极材料的界面良好接触，往往需要高温烧结，否则会导致严重的界面化学副反应。此外，有些氧化物电解质还存在锂枝晶生长问题。

　　所以目前谁也没有很好的方法完全商业化，同时，成本也是企业一道难以跨越的坎。别说固态了，半固态电池成本已远高于商用化的液态电池成本。根据产业调研和测算，以NCM811液态电芯和NCM811半固态电芯为例，半固态电芯成本相比液态电芯成本增加约80%。其中，固态电解质成本是主要新增成本，也是半固态电池中的主要成本，占比约50%。由于电解质材料变化、生产的基本工艺改变、产品质量控制经验不足导致的工程验证周期长等因素，都会使得全固态电池比半固态电池成本更高。

　　衡量一款动力电池最终能否量产，主要有5项指标，即单位体积内的包含的能量、充放电倍率性能、成本、安全性和循环寿命。动力电池的实验室研究成果一般在某个阶段取得一个或几个指标上的重大突破，同时满足5项指标要求才有可能量产，这是标准的木桶效应。

　　固态电池看似“风口”将至，实则“道阻且长”，量产还早着呢，而且就算量产了，也建议等个几年让第一波韭菜和小白鼠先尝试好了。

　　一个很有意义的工作。在全固态电池领域，日本绝对是领跑者，他们是世界上最早做这个的，比我们早十年。很多经典的硫化物固态电解质材料（LGPS，LSPS等）都是Kanno教授发明的（也就是这篇Science的通讯作者）。这篇文章确实振奋人心，他们合成的高熵硫化物电解质电导率太高了，amazing，用在正极能发挥非常大作用，把正极厚度能做很厚，从而更好提升电池单位体积内的包含的能量。问题是成本（其中有贵金属元素Ge），合成工艺（元素种类非常多）能不能很好控制，性能能否稳定复现。

　　这两年固态电池领域的nature science发了好几篇了，这样的领域是真的火

　　大家能够理解发展全固态电池的初衷就为了把目前锂离子电池中的液态电解液替换掉，因为有机液态电解液易燃烧，而固态电解质热稳定，更安全！但是全是固态物质的电池各部分的接触肯定没有液态锂离子电池好，所以目前全固态电池仍然没有商业化。

　　But，随着这两年固态电池的火爆和相关资本的投入，固态电池产业化进程大大加快。（虽然问题还是很多）

　　首先是全固态电池在循环过程中需要大的外部压力保持内部组分间的良好接触，这样就需要额外的设备和装置，牺牲一部分单位体积内的包含的能量。另外目前固态电池的循环寿命还远不及液态锂离子电池，这主要是正负极界面问题导致的。另外就是设备工艺问题，全固态电芯生产所需要的设备和液态锂离子电池相比差别很大，很多工艺比如干法电解质膜大批量生产的基本工艺目前都还在探索。最后就是成本问题，设备成本初期很高，另外材料成本目前也是很高的，如果后面大批量生产可以逐步降低。

　　目前固态电池技术，国内半固态技术（也就是固态得并不是跟彻底，还有少量液体）路线走在世界前列（卫蓝新能源，赣锋，清陶，台湾辉能），且已经装车和产业化生产了。全固态技术目前日本（丰田）和美国（solidpower，quantum公司）技术积累多。国内去年开始也有很多公司释放了全固态电池突破性进展。目前的全固态绝大多数都是基于硫化物固态电解质体系，国内蜂巢能源，恩力固态，中汽创智，远景动力，马车动力，高能时代在这个方向上都有布局，蜂巢能源在去年更是报道做了20Ah的全固态电芯，单位体积内的包含的能量高达350Wh/kg，但是循环寿命没有展示。总的来说，国内全固态电池技术还是相对薄弱。

　　新的技术在没有成功前总是备受质疑，目前全固态电池和钠离子电池作为液态锂离子电池的“后浪”，未来可期。