固態(tài)電池什么時候落地？

新能源產(chǎn)業(yè)心心念念多年的固態(tài)電池技術(shù)，終于走向現(xiàn)實(shí)。

近日，一輛搭載固態(tài)電池系統(tǒng)的純電動樣車在北汽新能源完成調(diào)試，順利下線。這是國內(nèi)首次公開的可行駛的固態(tài)電池樣車，它的下線也意味著固態(tài)電池技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化的路上邁出了關(guān)鍵一步。

搭載固態(tài)電池系統(tǒng)的純電動樣車在北汽新能源完成調(diào)試，順利下線 / 北汽集團(tuán)相較于當(dāng)前主流電池正負(fù)極、隔膜、電解液的結(jié)構(gòu)，固態(tài)電池其實(shí)沒有任何變化，只是用固態(tài)或半固態(tài)電解質(zhì)，替代了液態(tài)的電解液。電池使用固態(tài)電解質(zhì)后，既能提升電壓平臺從而拔高能量密度上限；又因不易燃燒、不產(chǎn)氣等特點(diǎn)，極大程度上提高了電池安全性。

固態(tài)電池的優(yōu)勢基于以上優(yōu)勢，固態(tài)電池一直是下一代鋰電技術(shù)的焦點(diǎn)。目前固態(tài)電池所面臨的主要瓶頸是固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率、內(nèi)阻、界面阻抗及相容性等。因此，現(xiàn)階段各大企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)是固態(tài)聚合物電解質(zhì)、無機(jī)固體電解質(zhì)的設(shè)計及制備技術(shù)，固 / 固界面構(gòu)筑及穩(wěn)定化技術(shù)；并在此基礎(chǔ)上完善電池生產(chǎn)工藝及專用設(shè)備的研究，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的量產(chǎn)。

近年來，豐田、日產(chǎn)雷諾、通用、北汽、上汽等國內(nèi)外主流車企，開始加緊固態(tài)電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化布局；另一方面，清陶能源、萬向一二三、LG 化學(xué)、麻省固能等電池企業(yè)也開始籌備建設(shè)固態(tài)電池產(chǎn)工廠，其中不乏已經(jīng)投產(chǎn)的固態(tài)電池產(chǎn)線。

除北汽固態(tài)電池量產(chǎn)車下線外，今年 3 月，哪吒汽車已發(fā)布了一款搭載固態(tài)電池的新車型—哪吒 U。據(jù)合眾汽車方面透露，哪吒 U 計劃于 10 月份申報工信部公告，年底前量產(chǎn) 500 臺。

顯然，在新能源領(lǐng)域，一場基于固態(tài)電池的卡位戰(zhàn)悄然拉開。按照國內(nèi)領(lǐng)先的全固態(tài)電池開發(fā)商清陶能源總經(jīng)理李崢博士的預(yù)計，三年內(nèi)固態(tài)電池將在乘用車領(lǐng)域替代性使用，即一款車以采用液態(tài)電池方案正向開發(fā)，固態(tài)電池版本對其中部分功能進(jìn)行替換；三年后，基于固態(tài)電池的正向開發(fā)車型將真正走向市場，發(fā)揮固態(tài)電池高安全、高能量密度的特點(diǎn)。

為什么是固態(tài)電池？

根據(jù)《中國制造 2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020 年，電池能量密度達(dá)到 300Wh/kg（瓦時每千克）；2025 年，電池能量密度達(dá)到 400Wh/kg；2030 年，電池能量密度達(dá)到 500Wh/kg。

按照現(xiàn)有的三元和石墨作為正負(fù)極活性材料所組成的液態(tài)鋰離子動力電池，重量能量密度極限約為 280Wh/kg 左右。即便引入硅基合金替代純石墨作為負(fù)極材料后，能量密度的上限也只能達(dá)到 300-350Wh/kg。這也意味著想要達(dá)到 400Wh/kg，甚至突破更高的能量密度壁壘，鋰電技術(shù)革新勢在必行。

事實(shí)上，近年來聲勢浩大的新型電池技術(shù)不在少數(shù)，富鋰錳基、高電壓尖晶石、無鈷電池、四元電池等概念層出不窮，但始終雷聲大雨點(diǎn)小，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池并駕齊驅(qū)的電池技術(shù)格局，始終沒有改變。

對此，李崢的解釋是，“ 受限于當(dāng)前電解液的電壓平臺以及安全性，很多諸如富鋰錳基、高電壓尖晶石等性能突出的鋰電新材料，無法發(fā)揮高比能優(yōu)勢，使得鋰電技術(shù)革新進(jìn)入了一個瓶頸期?！?同時，李崢還指出，高電壓平臺的固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用，或許能打開新材料的 “ 枷鎖 ”。

因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)其實(shí)只是電池電解質(zhì)部分由液態(tài)變成了固態(tài)，對其正負(fù)極材料則沒有限制，因此理論上，固態(tài)電池有千萬種類型，它既可以是三元鋰電池，也可以是磷酸鐵鋰電池。

此外，由于固態(tài)電解質(zhì)高安全、高電壓的特點(diǎn)，使得諸多新型電池材料更容易得到有效應(yīng)用。一旦固態(tài)電池真正具備商業(yè)化條件，基于固態(tài)電池的諸多鋰電新材料應(yīng)用將接踵而至，屆時，鋰電技術(shù)革新或?qū)⒂瓉碣|(zhì)變。

中國科學(xué)院物理研究所李泓博士也指出，固態(tài)電解質(zhì)是一種通用型策略，一旦開發(fā)成功，再搭配不同的正負(fù)極材料，能滿足消費(fèi)類電子、無人機(jī)、動力儲能、航空航天、軌道交通等諸多領(lǐng)域的需求。

因此，與其將固態(tài)電池看成一種新型電池產(chǎn)品，不如將其當(dāng)作某種解鎖電池材料性能上限的技術(shù)手段，這正是業(yè)內(nèi)對固態(tài)電池技術(shù)寄予厚望的原因所在。與此同時，固態(tài)電解質(zhì)帶來的安全性質(zhì)變，是當(dāng)前新能源產(chǎn)業(yè)迫切需要的。

自新能源汽車問世以來，安全焦慮就始終縈繞在每個新能源車企心頭，其中最大的痛點(diǎn)來自于電動汽車自燃。電動車自燃的原因不外乎鋰電池發(fā)生內(nèi)部發(fā)生短路后熱管理失控，其中易燃性的電解液發(fā)揮著 “ 重要作用 ”，固態(tài)電解質(zhì)最大的特點(diǎn)就是不易燃燒，很大程度上避免了電池?zé)崾Э亍?/p>

不過，需要指出的是，形成固態(tài)電解質(zhì)的途徑有很多種，但并非所有的固態(tài)電解質(zhì)都不易燃燒。李泓就明確表示，“ 我們最近發(fā)表了一些文章，論證了氧化物固態(tài)電解質(zhì)（固態(tài)電池的一種）優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，但是否每一種固態(tài)電解質(zhì)都意味著熱穩(wěn)定，還有待具體的研究數(shù)據(jù)。”

總體來看，固態(tài)電池被寄予厚望的原因主要是其可作為電池技術(shù)革新的基礎(chǔ)策略，同時具備高安全性。但具體到每一款固態(tài)電池，需要大量細(xì)致的研發(fā)，確保其性能和熱穩(wěn)定性。

固態(tài)電池什么時候落地？

盡管固態(tài)電池有著種種優(yōu)勢，但其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展并不順利。2017 年，以菲斯克、豐田等車企為主，大肆吹鼓自身固態(tài)電池技術(shù)，但其量產(chǎn)車型落地時間卻一推再推，由此可見固態(tài)電池極高的開發(fā)難度。

近日，豐田汽車公司動力總成部門執(zhí)行副總裁兼電池部門總經(jīng)理凱塔 · 凱塔（Keiji Kaita）在接受《汽車新聞》采訪時表示，原計劃在 2020 年東京奧運(yùn)會上推出其固態(tài)電池供電的原型車，被推遲至 2021 年。不過，豐田仍有望在 2025 年前完成電動汽車固態(tài)電池的生產(chǎn)。

2025 年，或許是一個固態(tài)電池在汽車領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的分水嶺。根據(jù)寶馬、豐田、奔馳、通用及各初創(chuàng)企業(yè)最新的宣傳，固態(tài)電池落地時間基本鎖定在 2025 年前后。

中國科學(xué)院物理研究所李泓博士表示， 車企敢于開發(fā)固態(tài)電池汽車的前提是，固態(tài)電池產(chǎn)能至少達(dá)到 1Gwh，在此基礎(chǔ)上，考慮到完整的供應(yīng)鏈成型、工藝體系成熟、產(chǎn)能建設(shè)足夠，以及足夠的路試時間， 2024 年會是一個相對樂觀的半固態(tài)電池大規(guī)模應(yīng)用時間節(jié)點(diǎn)，至于全固態(tài)，可能要到 2030 年。

相對而言，清陶能源總經(jīng)理李崢的預(yù)測，則更為激進(jìn)些，“ 目前，固態(tài)電池已經(jīng)在消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了量產(chǎn)應(yīng)用，三年內(nèi)固態(tài)電池將在乘用車領(lǐng)域替代性使用，三年后（新車開發(fā)時間大概 3 年），將會有真正基于固態(tài)電池正向研發(fā)的車輛面向消費(fèi)者?！?/p>

按照李崢的描述，去年開始，清陶能源已經(jīng)開始和幾家主流的主機(jī)廠做測試樣車。同時，據(jù)一位知情人士透露，“ 今年內(nèi)肯定有搭載固態(tài)電池的量產(chǎn)電動汽車面世。”

值得一提的是，今年 7 月，剛剛完成 E+ 輪融資的清陶能源，其位于宜春的固態(tài)電池量產(chǎn)線已經(jīng)正式投產(chǎn)，產(chǎn)能 1Gwh，已滿足李泓博士判斷的車型研發(fā)前提。宜春固態(tài)電池工廠將面向乘用車動力市場，并留下了足夠的擴(kuò)產(chǎn)空間。

除清陶能源能源外，輝能科技 1GWh 固態(tài)電池產(chǎn)線預(yù)計明年開始量產(chǎn)，星盈科技 2GWh 的全固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線預(yù)計 2024 年投產(chǎn)。隨著電池企業(yè)固態(tài)電池產(chǎn)線逐漸投產(chǎn)，其在汽車領(lǐng)域商業(yè)化的腳步將越來越快。
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