2024年以來，固態(tài)電池頻繁出現(xiàn)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(jīng)開啟了500天投產(chǎn)計劃，進入投產(chǎn)倒計時。此前，上汽集團宣布，基于聚合物-無機物復合電解質(zhì)技術(shù)路線的上汽全固態(tài)電池，將于2026年實現(xiàn)量產(chǎn)。
中科院之聲于近日在其微博官宣，中國科學技術(shù)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(zhì)，該材料在具有硫化物固態(tài)電解質(zhì)固有優(yōu)勢的同時，相較其他硫化物固態(tài)電解質(zhì)，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?qū)⑼度爰s60億元用于全固態(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(shù)。
各家企業(yè)也紛紛縮短了固態(tài)電池量產(chǎn)的預期時間。不同于此前提及的2030年量產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)有的電池格局和技術(shù)嗎？
多種技術(shù)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(zhì)生產(chǎn)力，正在進入發(fā)展的快車道。
目前公認的固態(tài)電池技術(shù)路線有三種，主要是電解質(zhì)的區(qū)別，分為聚合物固態(tài)電解質(zhì)、氧化物固態(tài)電解質(zhì)、硫化物固態(tài)電解質(zhì)。由于這三種技術(shù)路線各有其優(yōu)缺點，業(yè)內(nèi)并沒有確認哪種技術(shù)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(zhì)成熟度較高，加工性好且成本低，很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以與現(xiàn)在的電解液設備共用，所以轉(zhuǎn)型難度最低。“現(xiàn)在小規(guī)模生產(chǎn)的主要就是這種。但是聚合物固態(tài)電解質(zhì)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(shù)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(zhì)現(xiàn)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(zhì)的導電率高，加工性好，但也存在著遇水會產(chǎn)生有毒氣體，生產(chǎn)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(jù)欣旺達動力提供的數(shù)據(jù)，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(shù)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(shù)、工藝、設備、產(chǎn)業(yè)線都是極大考驗。“固態(tài)電解質(zhì)材料實現(xiàn)更低成本的量產(chǎn)，是全固態(tài)電池產(chǎn)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(shù)路徑并沒有實現(xiàn)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(shù)，是提升安全性的技術(shù)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(xiàn)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(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟2024年度大會上指出。
各國加緊量產(chǎn)步伐
作為一種未來可能顛覆新能源市場格局的前瞻技術(shù)路線，各國都在加緊固態(tài)電池的量產(chǎn)步伐。
日韓方面，以傳統(tǒng)電池巨頭為代表，根據(jù)各公司公告及官網(wǎng)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(xiàn)小批量生產(chǎn)，LG新能源計劃于2026年實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)化進程。根據(jù)QuantumScape公司官網(wǎng)，其在2023年已試產(chǎn)了部分固態(tài)電池，并計劃在2025年實現(xiàn)量產(chǎn)。根據(jù)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?qū)汃R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(jù)各公司公告、官網(wǎng)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(shù)，并逐步完成量產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)化還需時日
有專家表示，目前我國固態(tài)電池技術(shù)處于產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(jīng)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(zhì)的生產(chǎn)成本必須低于每公斤50美元，但硫化物電解質(zhì)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(xiàn)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(shù)成果：一種用于全固態(tài)電池的新型硫化物固態(tài)電解質(zhì)，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(zhì)原材料成本的8%。
“我們正在努力攻克硫化物固態(tài)電解質(zhì)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)內(nèi)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(chǎn)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(zhì)的熱穩(wěn)定性也并非絕對。一項研究發(fā)現(xiàn)，不同類型固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)的熱分解溫度超過200攝氏度，氧化物固態(tài)電解質(zhì)超過1000攝氏度，硫化物固態(tài)電解質(zhì)超過400攝氏度。在氧化物中，1400攝氏度以上燒結(jié)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(zhì)就沒有熱失控現(xiàn)象。可見，不是所有的固態(tài)電解質(zhì)都具有穩(wěn)定性，即便是經(jīng)過高溫燒結(jié)的氧化物電解質(zhì)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(shù)的發(fā)展總是伴隨著爭議。根據(jù)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(xiàn)真正的量產(chǎn)應用，誰就有機會引領市場需求，在電動汽車時代占據(jù)更大主動權(quán)。