汽车发展史上最颠覆性的技术创新是什么？

结论先行：汽车发展史上颠覆性的技术创新有固态锂电池、燃料电池、无线充电、自动驾驶、增强AR技术、自然交互、涡轮和机械增压、可变节气门等技术，虽然自动驾驶是一项当下热门且逐渐成熟的技术，但是从未来能源大趋势（高能量密度、安全性、长循环寿命）之下，固态锂电池才是最具有颠覆性的创新技术。

首先小伙伴随我一起了解这项颠覆性技术的背景

自从 1991 年起，日本索尼将锂离子电池进行商业化后，由于他的优势是长循环寿命、高能量密度、无记忆效应，广泛运用到到电动汽车、电子电脑电器、储能电站的领域。在新能源汽车的热点和5G 时代的推波助澜下，市场对锂离子电池的性能要求变高，传统的液态锂离子电池在能量密度和安全性的方面需要进一步突破。那么就开启深入开发具有高安全性和高能量密度的锂离子电池。

上图是索尼公司将锂离子电池商业化后，它的能量密度在各大研发机构推进下的下一代高比能量锂电池体系的发展规划。其中关于松下的18650电池的能量密度时间曲线，它在2010年前，其电芯的能量密度通常依照一年 10Wh/kg 的增加趋势进行发展，在2010年达到了250Wh/kg，但是在 2010 年后的电池能量密度增加趋势出现了显著的平缓化。但是针对市场新能源汽车对能力密度的需求来说，需要的是一个正向驱动；但是从技术驱动角度来看，第1代的锂离子电池是是将钴酸锂设置为正极，石油焦设为负极的液态电池体系，直到第3代的锂离子电池是以高电压钴酸锂、高镍三元、磷酸铁锂作为正极，而石墨和硅碳是负极，其中电解液体以 EC和DMC 复合 LiPF6为基础进行改性。

从1990年开始的第1代的锂离子电池到第3代锂离子电池，因为电池材料体系通常一致，那么他的优化空间是有限的，那么要深入提高锂离子电池的能量密度，必须要对正负极和电解质材料进行研发改善，这才是未来的路。

中国的“十三五”、美国 Battery 500、日本 Rising II 设立了更高能量密度的下一代锂离子电池的目标，其中包含了金属锂为负极的固态金属锂电池。固态金属锂电池使用不容易燃烧的固态电解质代替传统液态锂电池中使用的电解液，那它的安全性在一定程度上的提升非常大；与此同时的固态电解质的引入，让金属锂作为电池的负极的利用成为了可能性。那么固态金属锂电池的发展有希望兼顾高能量密度和高安全性的要求。但是固态电解质和金属锂的引入给固态电池的有效运行带来一些新挑战。

锂电池中的电解质能够分为含液体的电解质、全固态电解质，前者涵盖液态电解液，凝胶电解质和含液体塑化剂的接枝固体电解质，后者涵盖聚合物固体电解质、无机固体电解质、复合固体电解质（聚合物与填料为物理键合）、接枝聚合物固体电解质（聚合物与填料之间为化学键合），如下图所示。在复合固体电解质中的填料涵盖活性填料，这就是各无机固体电解质和惰性填料，通常涵盖 Al2O3, Ti O2,ZrO2 , ZnOx, SiO2 。但是除使用传统电解液的电池以外，别的含有固体电解质的电池被一起称为固态电池。

在固态电池中按照电池内部中有无液体成分能够分为混合固液电池与全固态电池。它的混合固液电池按照含液量的又能够分为准固态电池和半固态电池。在固态电池中最核心的材料为固体电解质，但是固体电解质的种类与性质决定固态电池的性能。但是固态电池因为它自身独特的特点可具备一些潜在的优势和瓶颈，其受固体电解质种类和性质的影响。从目前电池发展的趋势而言，液态电池内部的电解液含量是一个逐步减少，从液态电池到混合固液电池，最终再到全固态电池的过程。

那么总结起来就是，固态电池全固态锂电池也只是相对液态锂电池，因为结构中全部的材料都按照固态形式存在的储能器件，并不含有液体。那么它的组成是正极材料+负极材料与电解质，然而液态锂电池是由正极材料+负极材料+电解液和隔膜构成

聊了这么多固态锂电池的背景和概念，那么需要深入一下锂电池的工作原理，因为固态和液态锂电池的原理一致性，就以成熟的液态为例子来说明。

关于锂离子电池的原理，它由正极，负极，隔膜，电解液构成，其中正极材料以钴酸锂为例子，负极材料以石墨为例子。

如果电池充电时，在钴酸锂层间的锂离子在外电场的驱动下，从钴酸锂内部进行脱出，它会穿过表面的界面膜进入电解液中，在电解液中在浓度场梯度的驱动情况下，它会迁移至石墨负极界面，传过石墨表面界面膜，它会进入到石墨层间，与此同时，因为电中性原理，在钴酸锂中锂离子电池脱出层间的时候，钴酸锂中的电子经由外电路最终到达石墨负极。

如果电池放电时，因为正负极材料本征的电化学势的区别，石墨负极的锂离子自发地从石墨层间进行脱出，经由电解液最终重新嵌入钴酸锂正极的层间，与此同时，电子也通过外电路从石墨负极到达钴酸锂正极。因为锂离子在这个体系充放电过程中在正负极材料中都达到嵌入脱出的机制，那么电池具有非常高的循环稳定性，此往复嵌入脱出机制的锂离子电池模型称为 “摇椅式电池”，因为对这一体系的充分认识和了解，才出现锂离子电池真正商业化。

锂离子电池工作原理以LiCoO2（正极）/石墨（负极）电极反应为例：

当负极为金属锂时的负极和总反应式为：

关于固态锂电池的优势，它是和传统的锂离子电池进行相比，使用固体电解质的固态锂电池有以下的优势：

1）关于高能量密度的方面，固体电解质的杨氏模量比较高，那么能够抑制锂枝晶的生长最终匹配超高容量的金属锂负极来对能量密度进行提高；除此以外，固体电解质有较宽的电化学窗口，能够匹配更高电位、更高容量的正极材料实现更高的能量密度；固体电解质较宽的工作温度范围让固态电池能够不需要添加冷却系统等配件，增加成组效率，以此来对电池系统能量密度进行提高；另外，固态电池中因为不含可流动的电解液，能够实现内串，以此来减少非活性材料的含量，最终提升电池包的总体能量密度。

2）关于高安全性的方面，用固态电解质替代传统锂离子电池中的有机液态电解液，从本质上解决漏液和电解液挥发导致的安全问题；无机固体电解质不容易发生燃烧，而且热失控的起始温度非常高，那么最大程度提升电池的安全性。

3）关于循环稳定性的方面，因为固体电解质不具备流动性，那么不会有 SEI 膜反复生长与溶解脱落的现象，有助于达到稳定循环的效果；全固态电池体系中过渡金属不容易产生溶解，则能够避免因为过渡金属溶解导致的正极容量衰减和过渡金属在负极侧沉积进一步催化 SEI 膜分解的现象；除此以外，全固态体系中无法产生液态电解液中 HF等强酸性副产物，能够避免锂离子电池中铝箔的腐蚀问题，有助于达到更稳定的电化学循环效果。

4）关于高功率密度的方面，固态电池界面离子传输过程没有溶剂化和去溶剂化的过程，那么能够实现超快的离子传输，实现高功率密度固态锂电池。