固態(tài)電池興起，中國(guó)還能領(lǐng)先嗎？

秦翔昊

圖/視覺(jué)中國(guó)

一年一度的春運(yùn)大潮下，堵車、充電排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)，成為所有開(kāi)純電動(dòng)汽車返鄉(xiāng)人的煎熬。

如何讓純電動(dòng)汽車可以跑上1000多公里，如何讓純電動(dòng)汽車可以在城際出行中提供最大便利性成為所有消費(fèi)者的殷切需求。當(dāng)液態(tài)電池逼近化學(xué)體系的最高閾值時(shí)，固態(tài)電池成為所有車企和電池企業(yè)的關(guān)注點(diǎn)，其中全固態(tài)電池被認(rèn)為是可能顛覆電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的新電池技術(shù)。

全固態(tài)電池是所有部件均為固態(tài)物質(zhì)的電池，尤其是現(xiàn)在使用的液態(tài)電解質(zhì)要替換為固態(tài)電解質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高在“中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)”（以下簡(jiǎn)稱CASIP）的揭牌儀式上對(duì)《財(cái)經(jīng)》表示，全固態(tài)電池是下一代電池首選方案之一，日、韓、美、歐都在大力研究，是下一代電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵制高點(diǎn)。

因此，如何打贏下一場(chǎng)電動(dòng)化之戰(zhàn)，如何讓消費(fèi)者更愿意接受純電動(dòng)汽車，這是中國(guó)學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的新命題。

根據(jù)2024年汽車之家和新浪汽車發(fā)布的《新能源汽車用戶用車焦慮洞察報(bào)告》顯示，消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)新能源車時(shí)最主要的三個(gè)考慮點(diǎn)包括電池未來(lái)更換成本高、續(xù)航里程不足以及安全性能差。

具體到續(xù)航方面的擔(dān)憂，新能源車主最關(guān)注的是在高、低溫條件下的能耗增加，這一點(diǎn)的占比最高，達(dá)到36%。此外，對(duì)于未來(lái)續(xù)航的衰減也有較大的擔(dān)憂。

除此之外，充電相關(guān)的問(wèn)題也引起了車主廣泛關(guān)注，例如充電排隊(duì)等候時(shí)間長(zhǎng)、快充時(shí)間長(zhǎng)以及公共充電樁的適配問(wèn)題等。

安全性能方面，用戶最擔(dān)心的是電池安全問(wèn)題，特別是擔(dān)心因碰撞或高溫環(huán)境導(dǎo)致的電池起火問(wèn)題，這方面的擔(dān)憂占比分別高達(dá)81%和67%。而受客觀規(guī)律的限制，現(xiàn)階段的動(dòng)力電池，即便再安全，在極端條件下都有可能燃燒起火。

“高安全性”和“高充電速度”似乎是解決電動(dòng)車車主各種焦慮的終極答案。

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院副院長(zhǎng)史建鵬在“中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)”成立大會(huì)上表示，“電池的發(fā)展應(yīng)該是30年一個(gè)迭代。”

歐陽(yáng)明高也認(rèn)為“我們到了新一輪的材料創(chuàng)新周期，這個(gè)周期是2030年左右”。如此估計(jì)，全固態(tài)電池的商用在六年后就要到來(lái)了。

當(dāng)下新能源車動(dòng)力電池在外形上看上去是固體，但是電池內(nèi)部充滿了液態(tài)的電解質(zhì)，在這類電池中，正極和負(fù)極材料通過(guò)一種液態(tài)的電解質(zhì)導(dǎo)通鋰離子傳輸，而電解質(zhì)通常是一種含有鋰鹽的有機(jī)溶劑。

以鋰電池為例，當(dāng)電池充電時(shí)，正極釋放鋰離子，這些鋰離子通過(guò)電解液移動(dòng)到負(fù)極并嵌入其中。放電時(shí)，過(guò)程逆轉(zhuǎn)，鋰離子從負(fù)極釋放并移動(dòng)回正極。目前廣泛裝車的動(dòng)力電池以鋰電池為主。

鋰電池的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其較高的能量密度和成熟的制造工藝。然而，液態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)是有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，如泄漏、過(guò)熱甚至起火。

鋰電池本身的充放電也會(huì)在電池內(nèi)部生成鋰枝晶，經(jīng)過(guò)多次充放電逐漸生長(zhǎng)的鋰枝晶有可能會(huì)戳破電池的隔膜，直接連接電池正負(fù)極，造成電池短路，并起火爆炸。盡管化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）與三元鋰電池相比有著更高的安全性，但犧牲了一定的能量密度。

無(wú)論是三元鋰還是磷酸鐵鋰電池，在極端條件下都會(huì)起火，而鋰電池的電解質(zhì)在燃燒時(shí)還會(huì)分解形成氧氣，讓燃燒更加猛烈，一旦鋰電池起火，人們所能做的只有等待它徹底燒完。消防隊(duì)趕到也只能澆水降溫。

為了解決液態(tài)電池安全問(wèn)題，電池企業(yè)努力從電池的制作材料、管理系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保障電池的安全，但仍然突破不了化學(xué)材料和物理規(guī)律的束縛。

資料來(lái)源：汽車之家研究院。制圖：張玲

而全固態(tài)電池則不同，全固態(tài)電池與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的狀態(tài)。全固態(tài)電池使用的是固態(tài)電解質(zhì)，而不是液態(tài)的。

全固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)包括更高的安全性、更長(zhǎng)的使用壽命和更高的能量密度。它也能在更廣泛的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。因?yàn)殡娊赓|(zhì)都是固態(tài)的，所以不存在泄漏引燃的問(wèn)題，即便遇到鋰枝晶戳破隔膜也沒(méi)有問(wèn)題，而固態(tài)電解質(zhì)還有利于鋰離子更好地在正負(fù)極之間穿梭，能量密度和充放電功率也大大提升。

雖然全固態(tài)電池具有高安全性、高能量密度、長(zhǎng)使用壽命的優(yōu)點(diǎn)，但其商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)重重。

目前全固態(tài)電池的挑戰(zhàn)在于制造工藝復(fù)雜、成本較高。盡管已經(jīng)有部分車輛安裝了固態(tài)電池，但總的來(lái)說(shuō)固態(tài)電池目前還處于研發(fā)階段，離大規(guī)模生產(chǎn)和商用還有一定距離。

要做好全固態(tài)電池首先要解決材料問(wèn)題。全固態(tài)電池需要找到具有高離子導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)材料，并且需要追求成本效益。

從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家就做了大量有關(guān)固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)研究工作，早期的固態(tài)電解質(zhì)為氮化鋰、氧化物等，后續(xù)還出現(xiàn)了硫化物、鹵化物等固態(tài)電解質(zhì)。目前的全固態(tài)電池電解質(zhì)主要有三種：聚合物、硫化物和氧化物。

以硫化物為例，初期硫化物電解質(zhì)的性能并不是很好，但近十年來(lái)硫化物固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展迅猛，離子導(dǎo)電率甚至趕超了液態(tài)電解質(zhì)。硫化物的離子導(dǎo)電率最高，且材料較軟能夠更好地與電極結(jié)合。

目前國(guó)外的企業(yè)中，日韓企業(yè)走硫化物路徑為主，如QuantumSpace的歐美企業(yè)以氧化物路線為主。

《A Performance and Cost Overview of Selected Solid-State Electrolytes： Race between Polymer Electrolytes and Inorganic Sulfide Electrolytes》論文數(shù)據(jù)顯示，一種名為L(zhǎng)i10GeP2S12的硫化物固態(tài)電解質(zhì)的成本為695美元/10克。相比之下，液態(tài)電解質(zhì)的成本僅為0.012美元/千克。兩者成本相差約5000多倍。

國(guó)家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心副主任、國(guó)聯(lián)汽車動(dòng)力電池研究院有限責(zé)任公司副總經(jīng)理王建濤也表示，固態(tài)電解質(zhì)的降本還是依賴于產(chǎn)業(yè)鏈前端原材料成本的突破。他還表示，硫化物電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性很差，批量生產(chǎn)很難。

同時(shí)，硫化物固態(tài)電解質(zhì)容易受潮，受潮后產(chǎn)生的硫化氫是劇毒物質(zhì)，對(duì)人體健康危害極大，為此硫化物的防潮工作尤為重要，目前可以通過(guò)摻氧的方式提高硫化物的穩(wěn)定性。

其次是固固界面挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)主要在于固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的接觸和兼容性。電池都有正負(fù)極，正負(fù)極一旦接觸電池都會(huì)短路并釋放大量的能量。而全固態(tài)電池既要保證固態(tài)電解液的導(dǎo)電性又要確保不會(huì)短路。

理想的界面應(yīng)具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、高離子傳導(dǎo)性和低電子傳導(dǎo)性。由于固態(tài)材料之間很難做到完美貼合，導(dǎo)致電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗較高。這個(gè)問(wèn)題會(huì)影響鋰離子的傳輸效率，從而影響電池的整體性能，所以尋找到一個(gè)合適的界面非常重要。

要完成這一點(diǎn)需要研究出更高性能的正負(fù)極材料和復(fù)合電解質(zhì)膜，可謂是“三位一體”的工程。用中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員李泓的話說(shuō)，固固接觸是全固態(tài)電池研究“最核心的難題”。

第三是制造挑戰(zhàn)。盡管目前已有許多關(guān)于全固態(tài)電池的研究，但要讓全固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室研究向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變面臨多重挑戰(zhàn)。

在大規(guī)模生產(chǎn)中保持電池組件的一致性、如何降低生產(chǎn)成本以及如何確保生產(chǎn)過(guò)程的可靠性和可重復(fù)性，都是走出實(shí)驗(yàn)室前急需解決的問(wèn)題。

此外，全固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝對(duì)現(xiàn)有的制造設(shè)備和流程提出了新的要求，設(shè)備的更新?lián)Q代在所難免。

工信部裝備工業(yè)一司副司長(zhǎng)郭守剛在CASIP成立大會(huì)上表示，日、韓、美、歐等國(guó)家和地區(qū)，在紛紛加大力度、加緊布局全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)。

中國(guó)目前在傳統(tǒng)鋰離子電池領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但在全固態(tài)電池方面，歐美和日韓企業(yè)可能處于更領(lǐng)先的研發(fā)地位。

表：不同材料類型電池其成本和安全性不同

從專利數(shù)量來(lái)看，中國(guó)企業(yè)跟這些外國(guó)企業(yè)就有不小差距。豐田以1300多項(xiàng)專利位居世界第一，而專利數(shù)量前十的企業(yè)也均為日、韓、歐、美國(guó)家的企業(yè)。從固態(tài)電解質(zhì)材料選擇方向來(lái)看，中國(guó)公司和歐美公司稱多元化發(fā)展方向，而日韓企業(yè)則專注于硫化物路線。

從日本市場(chǎng)來(lái)看，日本是“舉國(guó)家之力推動(dòng)全固態(tài)電池商業(yè)化”。據(jù)全國(guó)政協(xié)常委、經(jīng)濟(jì)委員會(huì)副主任苗圩介紹，日本有“官-產(chǎn)-學(xué)聯(lián)盟”，豐田、本田、日產(chǎn)目前在全球既做全固態(tài)電池研發(fā)又搞整車生產(chǎn)，在電池與整車性能匹配結(jié)合方面會(huì)比較有優(yōu)勢(shì)。并且日本主攻硫化物技術(shù)路徑，有豐富的技術(shù)積累。

韓國(guó)的電池廠商比車企更積極地推動(dòng)全固態(tài)電池的生產(chǎn)，都有各自的目標(biāo)和計(jì)劃，而韓國(guó)在2021年就公布了“K-電池發(fā)展戰(zhàn)略”，旨在使韓國(guó)成為下一個(gè)二次電池產(chǎn)業(yè)的世界領(lǐng)先者。韓國(guó)三大電池生產(chǎn)企業(yè)宣布計(jì)劃到2030年，對(duì)該產(chǎn)業(yè)投資40萬(wàn)億韓元（約合2144億元人民幣）。憑借著豐富的技術(shù)積累和巨大的投資，韓國(guó)也在全固態(tài)電池領(lǐng)域走在前列。

歐陽(yáng)明高表示，韓國(guó)這三家電池廠在全固態(tài)電池方面都取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，尤其是三星，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還有很多單位在復(fù)現(xiàn)它們做出的全固態(tài)電池。

歐美方面的全固態(tài)電池發(fā)展模式，主要是美國(guó)電池初創(chuàng)企業(yè)跟歐洲汽車公司進(jìn)行合作的模式。如風(fēng)頭正盛的兩家美國(guó)初創(chuàng)公司Solid Power和Quantum Space就分別選擇了和寶馬、大眾集團(tuán)合作。

其中Quantum Space還在2023年公開(kāi)了“電池循環(huán)1000周，能量保持率95%”的全固態(tài)電池循環(huán)數(shù)據(jù)，著實(shí)狠狠秀了一把肌肉，也讓自己的股價(jià)節(jié)節(jié)攀升。

同時(shí)據(jù)媒體報(bào)道，大眾集團(tuán)還“押寶”了另一家法國(guó)集團(tuán)Bollore旗下的電池公司Blue solution。而早在2011年，該公司就推出過(guò)一款聚合物固態(tài)電池電動(dòng)車，但該車啟動(dòng)前還需先將電池加熱到60攝氏度才能工作，且仍存在傳統(tǒng)電池安全問(wèn)題，離“電動(dòng)車終極形態(tài)”相差甚遠(yuǎn)。

面對(duì)全球新能源汽車市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)全固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展正處于關(guān)鍵的十字路口。在過(guò)去十年里，中國(guó)雖然在鋰電池的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”，但是在全固態(tài)電池的技術(shù)突破和生產(chǎn)應(yīng)用上仍需克服重重困難。