固態(tài)電池被稱為“壓垮燃油車時代的最后一根稻草”。而如今，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化時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)化可能會有些難度，但十年內(nèi)商業(yè)化量產(chǎn)沒有問題。”

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

5月13日，據(jù)法媒《回聲報》報道，輝能科技計劃投資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，三星電機正在研究開發(fā)和制造針對IT設(shè)備的氧化物固態(tài)電池。同時，關(guān)聯(lián)公司三星SDI計劃專注于陶瓷硫化物固態(tài)電池。該公司計劃在今年第二季度內(nèi)開始運營一條電池試驗線……

由此可見，業(yè)界對固態(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，勢必將帶來一場真正的電池技術(shù)革命。除了動力電池，汽車技術(shù)變革正呈現(xiàn)電動化、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，由無機物或有機高分子固體作為電池的電解質(zhì)，是電動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：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)藍新能源推出的半固態(tài)電池，能量密度360Wh/kg，或可實現(xiàn)單次充電續(xù)航1000公里。而全固態(tài)電池可實現(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，一定條件下固體電解質(zhì)中也會生長鋰枝晶，存在內(nèi)部短路的風(fēng)險。

三是循環(huán)壽命強。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)計電池的大小和形狀，更能實現(xiàn)動力電池的定制化。

然而，固態(tài)電池也并非絕對完美，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)界對其產(chǎn)業(yè)化抱有很大的期待。

目前，寧德時代、中創(chuàng)新航、贛鋒鋰業(yè)、孚能科技等頭部動力電池企業(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劃，新工廠預(yù)計在2024年開始建設(shè)，在未來10年內(nèi)分三期建成。輝能科技計劃項目總投資額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52億歐元（當(dāng)前約393.64億元人民幣），最終產(chǎn)能將達到120GWh。

Bloomberg數(shù)據(jù)預(yù)計，2028-2035年，采用固態(tài)電池的電動車將增長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)機構(gòu)的研發(fā)計劃與進展來看，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化似乎不再遙遠，但仍然是一個比較難商業(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)成熟還需要時間，不足以改變特斯拉的戰(zhàn)略。”

實際上，目前全固態(tài)鋰金屬電池在實驗室里可以實現(xiàn)能量密度400Wh/kg以上，甚至500Wh/kg、600Wh/kg更高。同時，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)保回收再利用。

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

在新能源汽車領(lǐng)域，電池是新能源汽車核心部件，在其進化與升級中，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)公認的下一代二次動力電池即全固態(tài)鋰金屬電池，都將面臨一個特別現(xiàn)實的問題——電池最終造價里占比最高的“工藝成本“問題。

目前，全固態(tài)電池成本被認為比鋰電池高4倍以上。據(jù)美國福特汽車估算，目前純電動汽車用鋰電池的成本為每千瓦時約合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：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現(xiàn)，何況盈利的可能性。

寧德時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，仍然認為難以形成有技術(shù)可行性和市場競爭力的產(chǎn)品。”

寧德時代發(fā)布凝聚態(tài)電池 圖源：寧德時代

在實現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化過程中，寧德時代也試水了半固態(tài)電池過渡方案——凝聚態(tài)電池。4月19日，寧德時代在上海車展上舉行了凝聚態(tài)電池的發(fā)布會，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極的傳導(dǎo)工作，也因為電解液本身的粘性使得流動性降低，能提高動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。

除了安全性能之外，凝聚態(tài)電池的能量密度高達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)的使用鋰金屬負極固態(tài)電池樣品能量密度可達到400Wh/Kg，且通過了針刺等嚴苛安全測試。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，成為全球動力電池爭奪的制高點之一。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，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，提出了加強固態(tài)電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程的要求，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)電池等先進電池技術(shù)，以使韓國率先實現(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)化的第一個國家。

從技術(shù)實力來看，日本在固態(tài)電池領(lǐng)域走在全球前列。調(diào)查機構(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日報導(dǎo)，Maxell將成為全球第一家量產(chǎn)產(chǎn)業(yè)機械用大容量全固態(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)上實現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)（可供應(yīng)全球60-90%的鋰電池材料，其中負極材料中的石墨則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爭。

從技術(shù)挑戰(zhàn)來看，電池行業(yè)是一個高度重資產(chǎn)的行業(yè)，對資本、人才儲備、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、機械強度高、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)的主要缺點是界面接觸差;硫化物固態(tài)電解質(zhì)的主要缺點是易氧化，水汽敏感。

值得一提的是，最近美國馬里蘭大學(xué)團隊制備了一種具有固態(tài)硫正極的全固態(tài)石榴石電池，運用 LLZO 固態(tài)電解質(zhì)首次實現(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項目，在世界上首次實現(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，更代表著能源存儲的未來。對此，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)人投入到了這場創(chuàng)新運動。隨著ChatGPT技術(shù)的出現(xiàn)，對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。”

編輯：黃飛