2024年以來，固態(tài)電池頻繁出現在大眾視野里。
7月29日，在上汽集團召開的2024年第一次臨時股東大會上，上汽集團新任總裁賈健旭透露，全固態(tài)電池已經開啟了500天投產計劃，進入投產倒計時。此前，上汽集團宣布，基于聚合物-無機物復合電解質技術路線的上汽全固態(tài)電池，將于2026年實現量產。
中科院之聲于近日在其微博官宣，中國科學技術大學開發(fā)出一種用于全固態(tài)電池的新型硫化物固態(tài)電解質，該材料在具有硫化物固態(tài)電解質固有優(yōu)勢的同時，相較其他硫化物固態(tài)電解質，成本更加低廉、更適合商業(yè)化。
5月下旬更有一則消息稱，中國或將投入約60億元用于全固態(tài)電池研發(fā)，寧德時代、比亞迪、一汽、上汽、衛(wèi)藍新能源和吉利共六家企業(yè)或獲得政府基礎研發(fā)支持。并且有多位知情人士表示，這一史無前例的項目是由政府相關部委牽頭，旨在鼓勵企業(yè)研究全固態(tài)電池技術。
各家企業(yè)也紛紛縮短了固態(tài)電池量產的預期時間。不同于此前提及的2030年量產全固態(tài)電池，近來寧德時代、欣旺達、清陶能源、衛(wèi)藍新能源等多個企業(yè)都把量產及上車時間定在了更近的2027年。
固態(tài)電池到底有什么魔力？它真的會顛覆現有的電池格局和技術嗎？
多種技術路線并存
與傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池相比，全固態(tài)電池有更可靠、更安全、能量密度更高等優(yōu)勢，正在成為新能源領域的必爭之地。隨著下游行業(yè)對電池能量密度和安全性的需求拉動，全固態(tài)電池作為一種新質生產力，正在進入發(fā)展的快車道。
目前公認的固態(tài)電池技術路線有三種，主要是電解質的區(qū)別，分為聚合物固態(tài)電解質、氧化物固態(tài)電解質、硫化物固態(tài)電解質。由于這三種技術路線各有其優(yōu)缺點，業(yè)內并沒有確認哪種技術路線占上風，因此企業(yè)均有布局。
具體來看，聚合物固態(tài)電解質成熟度較高，加工性好且成本低，很多生產環(huán)節(jié)可以與現在的電解液設備共用，所以轉型難度最低。“現在小規(guī)模生產的主要就是這種。但是聚合物固態(tài)電解質的缺點也很明顯，它的導電率和穩(wěn)定性都不算優(yōu)秀，大概率只是用來過渡。歐洲企業(yè)此前多聚焦于這條技術路線。”中科固能新能源科技有限公司董事長吳凡告訴《華夏時報》記者。
氧化物固態(tài)電解質現在研究的比較多，雖然電導率較高，但規(guī)模化制造困難。
硫化物固態(tài)電解質的導電率高，加工性好，但也存在著遇水會產生有毒氣體，生產制備工藝復雜且成本高等缺點。寧德時代近期表態(tài)稱，更看好硫化物路線的全固態(tài)電池。
不過根據欣旺達動力提供的數據，硫化物全固態(tài)電池的成本預計為當前液態(tài)鋰電池的數倍，且未來3—5年有多少降本空間還很不明朗。
吳凡也贊同上述說法。他表示，目前，硫化物固態(tài)電池材料的市場價格非常高，批量化制備對技術、工藝、設備、產業(yè)線都是極大考驗。“固態(tài)電解質材料實現更低成本的量產，是全固態(tài)電池產業(yè)全面起飛前必須啃下的硬骨頭。”
“目前，全固態(tài)電池的技術路徑并沒有實現全球統(tǒng)一，而固液混合的電化學原理與液態(tài)鋰離子電池是相同的，不屬于顛覆性技術，是提升安全性的技術之一。半固態(tài)電池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命這些問題還需要解決，且充電倍率一般會有所下降，循環(huán)壽命也很難跟液態(tài)電池相比，這些都是現階段需要解決的問題。”中國科學院院士歐陽明高在中國汽車動力電池產業(yè)創(chuàng)新聯盟2024年度大會上指出。
各國加緊量產步伐
作為一種未來可能顛覆新能源市場格局的前瞻技術路線，各國都在加緊固態(tài)電池的量產步伐。
日韓方面，以傳統(tǒng)電池巨頭為代表，根據各公司公告及官網披露的信息，松下、村田、LG新能源、三星等企業(yè)均以硫化物全固態(tài)電池研發(fā)為主，目前村田已實現小批量生產，LG新能源計劃于2026年實現半固態(tài)商業(yè)化。
歐美方面，以新興固態(tài)電池公司為主，代表企業(yè)有QuantumScape和Solid Power，兩者通過與歐美老牌汽車巨頭合作，推進固態(tài)電池產業(yè)化進程。根據QuantumScape公司官網，其在2023年已試產了部分固態(tài)電池，并計劃在2025年實現量產。根據寶馬和Solid Power公司公告，Solid Power將與寶馬共建固態(tài)電池中試線，并于2023年10月向寶馬交付電動汽車固態(tài)電池A樣。
中國則是傳統(tǒng)電池企業(yè)和固態(tài)電池新勢力共同發(fā)力。根據各公司公告、官網及微信公眾號信息，寧德時代、億緯鋰能、國軒高科、贛鋒鋰業(yè)等公司已推出固態(tài)電池相關專利技術，并逐步完成量產與裝車。其中，贛鋒鋰業(yè)進展最快，2021年已裝載東風E70電動車，2023年已具備2GWh固態(tài)電池產能。另外，以清陶能源、輝能科技、衛(wèi)藍新能源為代表的新興固態(tài)電池公司，在規(guī)劃中的產能可達到235GWh。2024年4月，上汽旗下的智己汽車發(fā)布智己L6，搭載了與清陶能源共同研發(fā)的第一代固態(tài)電池。另外，高樂股份、紅豆股份等跨界布局的電池廠商也有固態(tài)電池產能布局。
歐陽明高表示，從已披露的信息可以看出，日本和歐美在全固態(tài)電池方面加大了研發(fā)力度，意圖改變目前在液態(tài)鋰電池方面落后于中國的局面。
產業(yè)化還需時日
有專家表示，目前我國固態(tài)電池技術處于產品導入前的萌芽階段，“固態(tài)電池安全性會逐步提高，目前認知還不全面，能否達到本質安全還需要從正極、負極等多個路徑進行充分驗證。”中科院物理研究所研究員李泓坦言，全固態(tài)電池成本過高、制作條件嚴苛、商品化屬性不足，也制約著當下固態(tài)電池快速發(fā)展。
“全固態(tài)電池的研發(fā)并沒有想象中那么美好。從產品到商品，再到具備成本優(yōu)勢，將會是一個漫長的過程。”吳凡談道。
成本高昂是首要原因。中國科技大學研究員馬騁從經濟學角度解釋了問題的根源：商業(yè)上可行的固態(tài)電池電解質的生產成本必須低于每公斤50美元，但硫化物電解質的價格通常超過每公斤195美元。
馬騁表示:“盡管世界各地的研究人員都在努力通過各種方法降低成本，但長期的探索表明，實現這一目標是相當困難的。”
不過，馬騁團隊近期公開發(fā)表了一項技術成果：一種用于全固態(tài)電池的新型硫化物固態(tài)電解質，其原材料成本每公斤僅14.42美元，不到其它硫化物固態(tài)電解質原材料成本的8%。
“我們正在努力攻克硫化物固態(tài)電解質的成本問題，氧硫化磷鋰作為一種新材料，在性能上有望實現進一步提升。”馬騁表示。
其次，固態(tài)電池亦存在安全方面的挑戰(zhàn)。
吳凡談道，固態(tài)電解質雖然具有高機械強度，但仍然難以完全抑制鋰枝晶的生長和實現鋰金屬的均勻沉積。鋰金屬可能在負極表面形成枝晶，甚至在固態(tài)電解質內部成核，導致電池短路，從而引發(fā)安全風險。“如果固態(tài)電池在事故中被刺破，其泄漏物會與氧氣發(fā)生反應，產生有毒氣體，進一步造成駕乘人員死亡。”
與此同時，固態(tài)電解質的熱穩(wěn)定性也并非絕對。一項研究發(fā)現，不同類型固態(tài)電解質的熱穩(wěn)定性有所差別，不能一概而論。例如，聚合物固態(tài)電解質的熱分解溫度超過200攝氏度，氧化物固態(tài)電解質超過1000攝氏度，硫化物固態(tài)電解質超過400攝氏度。在氧化物中，1400攝氏度以上燒結的磷酸鍺鋁鋰遇到鋰會發(fā)生熱失控反應，而鋰鑭鈦氧、固態(tài)陶瓷電解質就沒有熱失控現象。可見，不是所有的固態(tài)電解質都具有穩(wěn)定性，即便是經過高溫燒結的氧化物電解質的粉體依然不能保證絕對的安全，而是與其本身的化學反應活性有關。
新技術的發(fā)展總是伴隨著爭議。根據各家企業(yè)公布的時間表，未來幾年，將是固態(tài)電池攻堅的關鍵階段，誰最先破題，讓全固態(tài)電池走出實驗室實現真正的量產應用，誰就有機會引領市場需求，在電動汽車時代占據更大主動權。