固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化時(shí)間表：十年內(nèi)商業(yè)化量產(chǎn)沒有問題

固態(tài)電池被稱為“壓垮燃油車時(shí)代的最后一根稻草”。而如今，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化時(shí)間表似乎可以確定下來：全固態(tài)鋰電池很可能在2030年左右就能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

近日，在2023中國（新余）鋰電新能源材料科技大會(huì)上，加拿大國家工程院院士、加拿大皇家科學(xué)院院士張久俊表示，“未來五年內(nèi)全球全固態(tài)電池的商業(yè)化可能會(huì)有些難度，但十年內(nèi)商業(yè)化量產(chǎn)沒有問題?！?/p>

今年2月，日產(chǎn)對(duì)外表示固態(tài)電池研發(fā)成功。根據(jù)日產(chǎn)計(jì)劃，有望在2025年前實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的限量試點(diǎn)生產(chǎn)，在2026年前完成初始技術(shù)的工程設(shè)計(jì)，并在2028年前推出第一款搭載固態(tài)電池的量產(chǎn)版電動(dòng)汽車。這一時(shí)間表似乎比此前預(yù)計(jì)2030年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化的時(shí)間表提前了許多。

5月13日，據(jù)法媒《回聲報(bào)》報(bào)道，輝能科技計(jì)劃投資52億歐元（約393.64億元人民幣）在法國北部的敦刻爾克新建一座電池工廠。

5月16日消息，三星電機(jī)正在研究開發(fā)和制造針對(duì)IT設(shè)備的氧化物固態(tài)電池。同時(shí)，關(guān)聯(lián)公司三星SDI計(jì)劃專注于陶瓷硫化物固態(tài)電池。該公司計(jì)劃在今年第二季度內(nèi)開始運(yùn)營一條電池試驗(yàn)線……

由此可見，業(yè)界對(duì)固態(tài)電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用越來越多。如果固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，電動(dòng)汽車的安全性問題、續(xù)航里程、充電效率等問題將迎刃而解，勢(shì)必將帶來一場(chǎng)真正的電池技術(shù)革命。除了動(dòng)力電池，汽車技術(shù)變革正呈現(xiàn)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的特征，特別是5G、人工智能等一系列新技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，正掀起智能網(wǎng)聯(lián)的革命。

受捧的固態(tài)電池

固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，其內(nèi)部完全沒有液體的存在，由無機(jī)物或有機(jī)高分子固體作為電池的電解質(zhì)，是電動(dòng)汽車非常理想的電池。

整體來看，固態(tài)電池具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一是能量密度高，理論值接近當(dāng)前液態(tài)電解質(zhì)鋰電池理論值的10倍。例如衛(wèi)藍(lán)新能源推出的半固態(tài)電池，能量密度360Wh/kg，或可實(shí)現(xiàn)單次充電續(xù)航1000公里。而全固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，打破現(xiàn)有鋰電池能量密度受限的格局。

二是安全性能好，沒有了液態(tài)電解質(zhì)，不會(huì)造成電解液遺漏，出現(xiàn)內(nèi)部短路，固態(tài)電解質(zhì)也能更好的抑制鋰枝晶，對(duì)鋰金屬具有化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。如果要求倍率性能高、電化學(xué)體系激進(jìn)，一定條件下固體電解質(zhì)中也會(huì)生長鋰枝晶，存在內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)。

三是循環(huán)壽命強(qiáng)。鋰離子電池使用固態(tài)電解質(zhì)后，解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的SEI膜（固體電解質(zhì)界面膜）的問題，以及抑制了鋰枝晶的出現(xiàn)，從而大大提升了鋰離子電池的循環(huán)性和使用壽命。

四是能超快速充放電，自放電大幅降低。

五是更易設(shè)計(jì)電池的大小和形狀，更能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的定制化。

然而，固態(tài)電池也并非絕對(duì)完美，主要挑戰(zhàn)在于：一是制造的成本高，在傳統(tǒng)鋰電池的設(shè)備和工藝上需要有大幅革新，技術(shù)研發(fā)投入大。減少稀有元素，降低制造成本，成為了行業(yè)努力的方向。目前，采用氧化物路徑制備的半固態(tài)電池，與傳統(tǒng)鋰電設(shè)備及工藝兼容性可達(dá)70%以上，這可以幫助電池企業(yè)更好的向固態(tài)電池過度。

二是界面阻抗過大，固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面是固-固狀態(tài)，因此電解質(zhì)、電極兩者之間的有效接觸能力較弱，從而導(dǎo)致離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低，由此產(chǎn)生影響電池性能的界面阻抗。

盡管這種電池仍然面臨著成本和技術(shù)雙重挑戰(zhàn)，但似乎業(yè)界對(duì)其產(chǎn)業(yè)化抱有很大的期待。

目前，寧德時(shí)代、中創(chuàng)新航、贛鋒鋰業(yè)、孚能科技等頭部動(dòng)力電池企業(yè)，都已公開表明在固態(tài)電池技術(shù)方面有所布局。

根據(jù)輝能科技在法國的投資計(jì)劃，新工廠預(yù)計(jì)在2024年開始建設(shè)，在未來10年內(nèi)分三期建成。輝能科技計(jì)劃項(xiàng)目總投資額75億歐元（當(dāng)前約567.75億元人民幣），最大的一期工程將耗費(fèi)52億歐元（當(dāng)前約393.64億元人民幣），最終產(chǎn)能將達(dá)到120GWh。

Bloomberg數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，2028-2035年，采用固態(tài)電池的電動(dòng)車將增長37倍，而固態(tài)電池的成本將下降至40美元/KWh，甚至低于液態(tài)電池。

又難又貴的固態(tài)電池

從各大電池企業(yè)以及相關(guān)機(jī)構(gòu)的研發(fā)計(jì)劃與進(jìn)展來看，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化似乎不再遙遠(yuǎn)，但仍然是一個(gè)比較難商業(yè)化的技術(shù)。特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克就曾公開表示：“固態(tài)電池距離技術(shù)成熟還需要時(shí)間，不足以改變特斯拉的戰(zhàn)略?！?/p>

實(shí)際上，目前全固態(tài)鋰金屬電池在實(shí)驗(yàn)室里可以實(shí)現(xiàn)能量密度400Wh/kg以上，甚至500Wh/kg、600Wh/kg更高。同時(shí)，全固態(tài)鋰金屬電池可保證日常使用中絕無任何自燃的可能性，2000次甚至上萬次的完整循環(huán)壽命 、高速快充（5分鐘之內(nèi)將電量從0充到100%） 、可直接打碎分類環(huán)?；厥赵倮?。

特斯拉官方數(shù)據(jù)顯示，4680電池的能量密度將達(dá)到300kWh/kg，相對(duì)固態(tài)電池仍然有不小的差距。然而，對(duì)于整車商而言，管控成本是其重點(diǎn)考量的因素。

在新能源汽車領(lǐng)域，電池是新能源汽車核心部件，在其進(jìn)化與升級(jí)中，電池技術(shù)的瓶頸突破是關(guān)鍵一環(huán)。無論目前主流的三元鋰或磷酸鐵鋰等液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，還是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代二次動(dòng)力電池即全固態(tài)鋰金屬電池，都將面臨一個(gè)特別現(xiàn)實(shí)的問題——電池最終造價(jià)里占比最高的“工藝成本“問題。

目前，全固態(tài)電池成本被認(rèn)為比鋰電池高4倍以上。據(jù)美國福特汽車估算，目前純電動(dòng)汽車用鋰電池的成本為每千瓦時(shí)約合1000元，2030年將降低到511元以下。如果固態(tài)電池要批量生產(chǎn)、應(yīng)用普及，到2030年固態(tài)電池的制造成本，要達(dá)到五六百元，是現(xiàn)在成本的1/6左右。

盡管固態(tài)電池前景被看好，但寧德時(shí)代、LG新能源、松下等廠商都未考慮立即量產(chǎn)，主要在于兩點(diǎn)：一是目前的磷酸鐵鋰/三元鋰的投資付出的沉沒成本太高，必須優(yōu)先考慮回本、盈利;二是固態(tài)電池短期內(nèi)成本高昂，終端應(yīng)用必然不多，短期內(nèi)投資收益平衡很難實(shí)現(xiàn)，何況盈利的可能性。

寧德時(shí)代董事長曾毓群也曾經(jīng)表示：“固態(tài)電池有很多科學(xué)及技術(shù)的基礎(chǔ)問題尚未解決，我們公司深耕10多年，仍然認(rèn)為難以形成有技術(shù)可行性和市場(chǎng)競(jìng)爭力的產(chǎn)品?！?/p>

寧德時(shí)代發(fā)布凝聚態(tài)電池 圖源：寧德時(shí)代

在實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化過程中，寧德時(shí)代也試水了半固態(tài)電池過渡方案——凝聚態(tài)電池。4月19日，寧德時(shí)代在上海車展上舉行了凝聚態(tài)電池的發(fā)布會(huì)，首次宣布了將在今年內(nèi)量產(chǎn)的第一代凝聚態(tài)電池（Condensed Battery）。

這款電池是一種半固態(tài)化的膠質(zhì)狀態(tài)，既能完成鋰離子在正負(fù)極的傳導(dǎo)工作，也因?yàn)殡娊庖罕旧淼恼承允沟昧鲃?dòng)性降低，能提高動(dòng)力電池整體的安全性能，避免了傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的熱失控的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

除了安全性能之外，凝聚態(tài)電池的能量密度高達(dá)500Wh/kg，比目前液態(tài)鋰離子電池的理論能量密度上限（350Wh/kg）還高出了30%。

而另一大電池企業(yè)贛鋒鋰業(yè)的使用鋰金屬負(fù)極固態(tài)電池樣品能量密度可達(dá)到400Wh/Kg，且通過了針刺等嚴(yán)苛安全測(cè)試。該公司正在重慶建設(shè)20GWh的全國最大的固態(tài)電池基地，生產(chǎn)半固態(tài)電池產(chǎn)品。

另外，蔚來汽車、孚能科技、清陶能源、國軒高科、天齊鋰業(yè)、輝能科技等也是國內(nèi)固態(tài)電池的積極參與者，但產(chǎn)品基本上是含有部分液態(tài)電解質(zhì)的半固態(tài)電池。

固態(tài)電池話語權(quán)至關(guān)重要

當(dāng)前，固態(tài)電池以安全性高、容量大被行業(yè)看好，成為全球動(dòng)力電池爭奪的制高點(diǎn)之一。該電池安全性、容量大兩大特性決定了其能夠解決目前動(dòng)力電池面臨的兩大核心難題：續(xù)航里程不夠長、電池不夠安全。

全固態(tài)電池將取代傳統(tǒng)鋰電池已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)，也得到了各國政策支持，而且上升到國家戰(zhàn)略層面。

從國家和區(qū)域政策來看，美國、日本和德國已經(jīng)對(duì)未來電池技術(shù)作了比較完善的規(guī)劃，不僅探索新概念電池技術(shù)，也在大力推進(jìn)固態(tài)電池成本的降低。

我國則在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》中，提出了加強(qiáng)固態(tài)電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的要求，首次將固態(tài)電池上升到了國家層面，提出到2030年，我國液態(tài)電解質(zhì)將演變?yōu)楣虘B(tài)電解質(zhì)的目標(biāo)。

4月20日，韓國更是宣布，計(jì)劃到2030年投入20萬億韓元（約合151億美元）來開發(fā)固態(tài)電池等先進(jìn)電池技術(shù)，以使韓國率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化固態(tài)電池生產(chǎn)，成為世界上固態(tài)電池商業(yè)化的第一個(gè)國家。

從技術(shù)實(shí)力來看，日本在固態(tài)電池領(lǐng)域走在全球前列。調(diào)查機(jī)構(gòu)Patent Result數(shù)據(jù)顯示，專利數(shù)前五的企業(yè)分別為豐田、松下控股（HD）、出光興產(chǎn)、三星電子、村田制作所，除了三星電子，其余4家均為日本企業(yè)。其中，豐田專利數(shù)居第一，專利數(shù)達(dá)1331件，是第二名的三倍。而全固態(tài)電池專利數(shù)前十名中，日本企業(yè)6家、韓國企業(yè)4家，沒有一家中國企業(yè)上榜。

另據(jù)日經(jīng)新聞3月19日?qǐng)?bào)導(dǎo)，Maxell將成為全球第一家量產(chǎn)產(chǎn)業(yè)機(jī)械用大容量全固態(tài)電池的廠商，將在今年夏天開始生產(chǎn)使用于工廠機(jī)器人的大容量全固態(tài)電池。

數(shù)年之前，在鋰電池關(guān)鍵材料方面，中國廠商需要向日企繳專利費(fèi)才能獲得想要的技術(shù)。盡管目前中國已經(jīng)在鋰電池技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)（可供應(yīng)全球60-90%的鋰電池材料，其中負(fù)極材料中的石墨則100%由中國生產(chǎn)），但未來又將面臨固態(tài)電池這一技術(shù)專利賽道的壟斷和競(jìng)爭。

從技術(shù)挑戰(zhàn)來看，電池行業(yè)是一個(gè)高度重資產(chǎn)的行業(yè)，對(duì)資本、人才儲(chǔ)備、產(chǎn)業(yè)鏈都有非常高的要求，其技術(shù)難度和重要性近似先進(jìn)芯片工藝。

張久俊指出，固態(tài)電池的挑戰(zhàn)是離子電導(dǎo)率一般較低，電極/電解質(zhì)界面接觸，部分材料成本相對(duì)較高，其大規(guī)模發(fā)展要求電解質(zhì)材料具有高離子導(dǎo)電性、高離子遷移數(shù)、寬電化學(xué)窗口、機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，以及與電極接觸良好等性能。

固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì)，其主流技術(shù)路線分別為聚合物、氧化物、硫化物固態(tài)電解質(zhì)。三者技術(shù)路線各有優(yōu)劣，比如聚合物固態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)是離子電導(dǎo)率低，氧化電壓低;氧化物固態(tài)電解質(zhì)的主要缺點(diǎn)是界面接觸差;硫化物固態(tài)電解質(zhì)的主要缺點(diǎn)是易氧化，水汽敏感。

值得一提的是，最近美國馬里蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)制備了一種具有固態(tài)硫正極的全固態(tài)石榴石電池，運(yùn)用 LLZO 固態(tài)電解質(zhì)首次實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)鋰硫電池。該研究的第一作者為馬里蘭大學(xué)博士畢業(yè)生石昌民。他表示，“這是我博士階段的最后一個(gè)項(xiàng)目，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了氧化物固態(tài)鋰硫電池的全固態(tài)化，完全不需要添加任何液態(tài)電解液。該技術(shù)在固態(tài)電池領(lǐng)域里屬于技術(shù)革新，并且基于電池的原材料和制備方法，有利于該全固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。”

全固態(tài)雙層LLZO鋰硫電池在60℃下的電化學(xué)性能（來源：ACS Energy Letters）

綜合上述，全固態(tài)電池技術(shù)已不僅僅是一場(chǎng)單純的技術(shù)變革，解決里程焦慮和行車安全問題，更代表著能源存儲(chǔ)的未來。對(duì)此，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高甚至判斷：“現(xiàn)在全球已經(jīng)有無數(shù)人投入到了這場(chǎng)創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)。隨著ChatGPT技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)新材料的探索效率極大提高，開發(fā)的周期能夠縮短，通過全球的努力，全固態(tài)電池能夠取得成功?！?/p>

編輯：黃飛