全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化需以市占率突破1%為標(biāo)志

摘要

全固態(tài)電池的研發(fā)是為了“防止被顛覆”，其產(chǎn)業(yè)化需以市占率突破1%為標(biāo)志。

自推進(jìn)以來(lái)，全固態(tài)電池的必要性和產(chǎn)業(yè)化始終是備受爭(zhēng)議的存在。

全固態(tài)電池的研發(fā)是為了“防止被顛覆”，其產(chǎn)業(yè)化需以市占率突破1%為標(biāo)志。在近期舉辦的全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇上，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高發(fā)表了上述觀點(diǎn)。

論壇上主流觀點(diǎn)認(rèn)為，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化較可能在2030年取得突破。由于固態(tài)電池可同時(shí)滿足高安全性、高能量密度、高功率、高溫度適應(yīng)性等，且材料選擇的范圍更高，具備“顛覆”液態(tài)電池的潛力。

不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)發(fā)展全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學(xué)科的特性、技術(shù)門檻極高，包括材料界面、工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)備等，需要業(yè)界進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新。

為什么需要全固態(tài)電池及產(chǎn)業(yè)化？

中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高指出，固態(tài)電池相對(duì)于液態(tài)電池是顛覆性技術(shù)，行業(yè)應(yīng)提高重視程度、積極研發(fā)，以防范風(fēng)險(xiǎn)。

首先，動(dòng)力電池行業(yè)雖然已進(jìn)入產(chǎn)能過(guò)剩的階段， 電池成本不斷下降，但并沒(méi)有完全滿足終端電動(dòng)汽車客戶的需求，如怎么在全壽命周期內(nèi)不析鋰、不影響壽命、不發(fā)生安全事故，低溫續(xù)航，如何解決硅負(fù)極膨脹率高的問(wèn)題、以提高負(fù)極中硅的含量、最終提高體積能量密度（磷酸鐵鋰電池）等。

其次，在新一輪技術(shù)創(chuàng)新周期中，行業(yè)已卷向“提質(zhì)降本增效”，需要通過(guò)材料換代來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，行業(yè)內(nèi)對(duì)于比能量的追求，并不單純是提升比能量，而是在期待“比能量提升的同時(shí)，成本不需要提升太多”的顛覆。因此，行業(yè)需要居安思危，電池需要平衡的性能體系，全固態(tài)電池具備技術(shù)“顛覆”的潛力。

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院副院長(zhǎng)史建鵬同樣認(rèn)為，包括安全性、里程焦慮、能量密度在內(nèi)的液態(tài)鋰電池三大痛點(diǎn)，受到現(xiàn)有材料體系已接近能量密度上限因素的限制，本質(zhì)上沒(méi)有得到解決。

此背景下，產(chǎn)業(yè)希望構(gòu)建新一代動(dòng)力電池。其中，由于采用了固態(tài)電解質(zhì)（不易燃、耐高溫、化學(xué)活性低），固態(tài)電池能大幅提升電池安全性；又因?yàn)楣虘B(tài)電池可兼容高比能正負(fù)極，將打開(kāi)能量密度天花板，故有望成為動(dòng)力電池下一輪技術(shù)競(jìng)賽的關(guān)鍵。

南方科技大學(xué)教授許曉雄認(rèn)為，高安全、高性能、低成本是鋰二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，高性能要求則囊括了高能量密度、高功率（可快充）、長(zhǎng)壽命等，全固態(tài)電池有望實(shí)現(xiàn)以上高性能要求。

弗迪電池首席技術(shù)官孫華軍則提出，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化能帶來(lái)哪些價(jià)值，需要對(duì)標(biāo)2030年液態(tài)電池會(huì)是什么狀態(tài)來(lái)思考，液態(tài)電池也在持續(xù)改進(jìn)；而且要從系統(tǒng)層級(jí)來(lái)思考，囊括如重量能量密度、體積能量密度、成本維度等。

2. 全固態(tài)電池的量產(chǎn)標(biāo)志是什么？

從全球全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化路線圖來(lái)看，產(chǎn)業(yè)化時(shí)間聚焦在2027-2030年。

歐陽(yáng)明高進(jìn)一步指出，較為合適的產(chǎn)業(yè)化定義是全固態(tài)電池市占率達(dá)到1%。參照2023年2000萬(wàn)左右的電動(dòng)汽車銷量預(yù)期來(lái)看，即全固態(tài)電池裝車量超過(guò)20萬(wàn)輛。

而一汽研究院院長(zhǎng)王德平認(rèn)為，全固態(tài)電池在2027或2030年的產(chǎn)業(yè)化，可能只是達(dá)到一定程度的小規(guī)模、小批量的示范性裝車。對(duì)固態(tài)電解質(zhì)等關(guān)鍵問(wèn)題的突破，有望加速產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

孫華軍認(rèn)同上述觀點(diǎn)并表示，新電池技術(shù)的應(yīng)用遵循一定規(guī)律，如鋰電池先應(yīng)用在電子消費(fèi)產(chǎn)品上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累后才過(guò)渡到動(dòng)力電池產(chǎn)品。按此推算，固態(tài)電池也應(yīng)該先在其他領(lǐng)域應(yīng)用，再逐漸擴(kuò)展至電動(dòng)汽車。

另?yè)?jù)孫華軍披露，比亞迪10年來(lái)持續(xù)進(jìn)行著固態(tài)電池的研發(fā)，主要走硫化物路線，目前已可實(shí)現(xiàn)保留10%電解質(zhì)的相關(guān)產(chǎn)品。

3. 全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局呈現(xiàn)出何種差異性？

歐陽(yáng)明高總結(jié)，從全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局來(lái)看，中國(guó)企業(yè)最多，然后是日本、韓國(guó)，實(shí)力強(qiáng)勁。美國(guó)主要是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)，與歐洲合作廣泛。

日本在電池與整車性能匹配結(jié)合方面較有優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)搭建起官-產(chǎn)-學(xué)聯(lián)盟。如豐田、本田、日產(chǎn)，同時(shí)進(jìn)行全固態(tài)電池研發(fā)和整車生產(chǎn)，其中豐田的研發(fā)進(jìn)度最為深入。

韓國(guó)三大電池廠在全固態(tài)電池方面已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，尤其是三星，國(guó)內(nèi)部分團(tuán)隊(duì)的任務(wù)之一，便是復(fù)現(xiàn)三星的全固態(tài)電池。

美國(guó)以創(chuàng)業(yè)企業(yè)為主導(dǎo)，缺少車企、電池廠的力量，一方面靠資本市場(chǎng)支撐，一方面則靠歐洲車廠的合作，如Solid Power和寶馬合作等。

中國(guó)的固態(tài)電池技術(shù)路線相對(duì)多元化，以固液混合為主，以氧化物路線為主導(dǎo)。目前，國(guó)內(nèi)半固態(tài)電池池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命這些問(wèn)題還需要解決。

全固態(tài)電池技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外專利布局存在較大差距。豐田有超過(guò)1300項(xiàng)相關(guān)專利，截至2023年10月，國(guó)內(nèi)公司有關(guān)全固態(tài)電池的專利未超過(guò)100項(xiàng)。

4. 固態(tài)電池整體上面臨什么挑戰(zhàn)？

據(jù)史建鵬總結(jié)，目前固態(tài)電池存在四大挑戰(zhàn)。

首先，固態(tài)電池所需，不只是在現(xiàn)有三元正極材料體系上去做增量或補(bǔ)充，而是更為復(fù)雜的高性能正極材料。短期內(nèi)，正極材料沿用高鎳三元體系，安全性差且易發(fā)生熱失控，長(zhǎng)期應(yīng)向超高鎳、富鋰錳基、高壓尖晶石等材料迭代。關(guān)于高電壓下三元正極易產(chǎn)氣導(dǎo)致電池鼓包的問(wèn)題，解決策略是通過(guò)單晶化、氧化物包覆、金屬摻雜等手段進(jìn)一步提升電壓。

第二，固-固接觸的問(wèn)題，既導(dǎo)致鋰離子傳輸電導(dǎo)率低，也影響電池能量密度，可通過(guò)引入電解質(zhì)膜改性等策略來(lái)解決。而現(xiàn)有設(shè)備難以支撐制備20μm以下電解質(zhì)膜，疊加上材料復(fù)雜，成本高居不下。 三是相應(yīng)負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)。硅負(fù)極在充放電過(guò)程中體積膨脹大，粉化和分層現(xiàn)象嚴(yán)重，有待解決。而在鋰金屬負(fù)極的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鋰枝晶生長(zhǎng)、活性鋰不斷消耗，導(dǎo)致可逆性差；另受到工藝設(shè)備的影響，超薄鋰金屬負(fù)極的制備還存在困難。

第四，固態(tài)電池的制造工藝還需優(yōu)化，部分生產(chǎn)設(shè)備需要定制。其中，正負(fù)極和電解質(zhì)膜的生產(chǎn)設(shè)備為主要需要改造或全新研發(fā)的設(shè)備，尤其是中前段設(shè)備。疊片設(shè)備也需要做相應(yīng)升級(jí)，與傳統(tǒng)液態(tài)電池生產(chǎn)設(shè)備的共用率約為70%?？偟膩?lái)看，目前搭建一條1GWh液態(tài)電池產(chǎn)線的成本約為1.5億，而固態(tài)電池產(chǎn)線搭建成本是其2倍。

具體到硫化物電解質(zhì)全固態(tài)鋰電池上，許曉雄指出，該類電池的優(yōu)勢(shì)是能量密度有望超過(guò)350Wh/kg、快充性能優(yōu)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫區(qū)寬等，但同時(shí)也面臨著穩(wěn)定性低、成本高、制造技術(shù)三大方面的挑戰(zhàn)。

其中，當(dāng)硫化鋰價(jià)格低至50萬(wàn)元/噸時(shí)，該類電池成本才有可能與液態(tài)相當(dāng)。制造環(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)則集中在干法制備工藝和裝備的突破上。

審核編輯：劉清