重量比現(xiàn)有鋰電池減輕近一半，續(xù)駛里程增加80％，成本降40％，而且任何情況下不爆燃……能解決安全、續(xù)駛等多重焦慮的全固態(tài)電池，正在從幕后走向前臺(tái)，上車(chē)之旅進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。

 

近日，上汽集團(tuán)宣布與清陶（昆山）能源發(fā)展股份有限公司聯(lián)合投資10億元設(shè)立合資企業(yè)，致力于打造超高性?xún)r(jià)比的新一代固態(tài)電池。按照規(guī)劃，第二代固態(tài)電池2024年量產(chǎn)上車(chē)，液體含量將降至5％以下；2027年推出全固態(tài)電池，實(shí)現(xiàn)“10萬(wàn)輛級(jí)”的大規(guī)模量產(chǎn)裝車(chē)。同期，恩力動(dòng)力與軟銀公司也發(fā)布了聯(lián)合開(kāi)發(fā)的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池，實(shí)測(cè)能量密度達(dá)到300Wh/kg。

 

近年來(lái)，固態(tài)電池領(lǐng)域吸引了豐田、大眾、寶馬、奔馳、比亞迪、廣汽、東風(fēng)、蔚來(lái)、高合、賽力斯等車(chē)企紛紛涌入。那么，全固態(tài)電池如今處于什么發(fā)展階段？距離上車(chē)還有多遠(yuǎn)？還有哪些瓶頸有待突破？我國(guó)固態(tài)電池的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力究竟如何？這一系列問(wèn)題都在隨著固態(tài)電池上車(chē)的臨近而逐漸清晰。

 

01

 

未來(lái)10年是研發(fā)應(yīng)用關(guān)鍵期

 

“固態(tài)電池具備溫度適應(yīng)范圍廣、適合快充、高能量密度、高安全性等優(yōu)質(zhì)特性，可通過(guò)最嚴(yán)苛的單電芯針刺實(shí)驗(yàn)，整包可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)零熱失控，即單顆電芯熱失控后實(shí)現(xiàn)整包永遠(yuǎn)不起火、不爆炸。”清陶能源總經(jīng)理李崢向記者介紹，2022年，上汽集團(tuán)與清陶能源成立了固態(tài)電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)的第一代全固態(tài)電池已完成裝車(chē)試驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)零熱失控前提下，單體能量密度達(dá)到368Wh/kg，相比磷酸鐵鋰電池能量密度提升100％以上，測(cè)試車(chē)輛最大續(xù)駛里程達(dá)到1083公里，充電10分鐘可增加續(xù)駛里程400公里。

 

通常情況下，一款電池從開(kāi)發(fā)到裝車(chē)應(yīng)用，是多層面的創(chuàng)新和集成。從整車(chē)角度看，電池材料、電芯、工藝制造、系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)、軟件控制等都需要同步開(kāi)發(fā)。“清陶能源的長(zhǎng)板在于材料開(kāi)發(fā)和電芯設(shè)計(jì)等方面，車(chē)企的強(qiáng)項(xiàng)則在系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)、整車(chē)項(xiàng)目管理等方面，雙方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，才能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。”李崢認(rèn)為。

 

對(duì)此，上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司智能平臺(tái)首席技術(shù)官邵杰深有感觸。他說(shuō)，正是由于固態(tài)電池特別是全固態(tài)電池?fù)碛兄T多難以替代的優(yōu)點(diǎn)，在目前固態(tài)電池全球競(jìng)爭(zhēng)日益加劇的態(tài)勢(shì)下，國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)到了不得不加速開(kāi)發(fā)的階段，稱(chēng)其為“倒計(jì)時(shí)”毫不為過(guò)。目前，上汽通用五菱在廣西建立了固態(tài)電池實(shí)驗(yàn)室，在啟動(dòng)固態(tài)電池研發(fā)項(xiàng)目的同時(shí)，也將向全社會(huì)開(kāi)放研發(fā)資源，推動(dòng)全固態(tài)電池加速上車(chē)應(yīng)用。

 

在全固態(tài)電池上車(chē)倒計(jì)時(shí)之際，越來(lái)越多的車(chē)企已經(jīng)走上投資、合作開(kāi)發(fā)固態(tài)電池的新賽道。2022年就有報(bào)道稱(chēng)，小鵬汽車(chē)已經(jīng)投資50億元成立了科技公司主攻固態(tài)電池，準(zhǔn)備在2027年推出量產(chǎn)上車(chē)產(chǎn)品。盡管小鵬汽車(chē)方面對(duì)此既不承認(rèn)也不否認(rèn)，但已經(jīng)多次隱晦作出了回應(yīng)。“我們非常期待固態(tài)電池。”小鵬匯天動(dòng)力總成中心總經(jīng)理侯聰說(shuō)。

 

“固態(tài)電池中，有目前已開(kāi)始上車(chē)應(yīng)用的半固態(tài)電池，以及行業(yè)都在翹首以盼的全固態(tài)電池。”華東汽車(chē)新材料技術(shù)研究院研究員林澍文告訴記者，相對(duì)而言，兩者之間的區(qū)分是看電解質(zhì)采用的固液混合形態(tài)，通常以液體電解液質(zhì)量占比5％至10％左右稱(chēng)其為半固態(tài)電池，這是目前在用的液態(tài)鋰電池與全固態(tài)電池的折中方案，也是較為容易量產(chǎn)的過(guò)渡技術(shù)路線(xiàn)；而使用純固態(tài)電解質(zhì)則稱(chēng)為全固態(tài)電池。目前，國(guó)內(nèi)很多動(dòng)力電池、整車(chē)等相關(guān)企業(yè)都在獨(dú)立或聯(lián)合開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池，由此，全固態(tài)電池的上車(chē)已開(kāi)啟倒計(jì)時(shí)。

 

“隨著技術(shù)開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，全固態(tài)電池有望在2025年到2030年前后形成上車(chē)應(yīng)用的高峰。”邵杰所言，得到行業(yè)多數(shù)人士的認(rèn)同。多數(shù)受訪(fǎng)者認(rèn)為，未來(lái)10年是全固態(tài)電池研發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵機(jī)遇期。

 

02

 

瓶頸猶存 阻礙規(guī)�；�發(fā)展

 

盡管全固態(tài)電池?fù)碛兄T多優(yōu)勢(shì)，是在用鋰電池的最佳替代方案之一，但現(xiàn)實(shí)中依然存在一些技術(shù)瓶頸，短期內(nèi)能否形成規(guī)�；�還面臨不少考驗(yàn)。

 

“隨著技術(shù)演進(jìn)，全固態(tài)電池正在加速走向量產(chǎn)應(yīng)用，但有些基礎(chǔ)技術(shù)、生產(chǎn)工藝等問(wèn)題仍未解決，導(dǎo)致現(xiàn)階段成本較高，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用。”林澍文具體分析稱(chēng)，全固態(tài)電池的正極、負(fù)極、電解質(zhì)化學(xué)組成及其物理、力學(xué)性質(zhì)尚需改進(jìn)，材料的兼容性、界面穩(wěn)定性有待提升，電池整體的安全管理策略等技術(shù)尚不夠成熟，固體電解質(zhì)導(dǎo)電率差，采用鋰金屬易發(fā)生枝晶生長(zhǎng)存在安全隱患等問(wèn)題，這些都是亟待突破的技術(shù)瓶頸。另外，全固態(tài)電池對(duì)生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制、材料性能、工程化應(yīng)用等也有更為嚴(yán)格的要求，短期內(nèi)很難批量生產(chǎn)，但不排除在一些特定區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)小批量示范應(yīng)用。

 

“除了技術(shù)問(wèn)題，與其密切相關(guān)的成本問(wèn)題也是全固態(tài)電池規(guī)�；瘧�(yīng)用的一道坎兒。”西北工業(yè)大學(xué)新能源應(yīng)用技術(shù)研究中心研究員于冬生向記者表示，現(xiàn)階段全固態(tài)電池較在用的液態(tài)鋰電池成本高出30％以上。成本較高的原因，包括固態(tài)電解質(zhì)目前難以輕薄化，使用的部分稀有金屬原材料價(jià)格較高，疊加為高能量密度使用的高活性正負(fù)極材料尚未成熟，導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極成本仍然較高。

 

在全固態(tài)電池技術(shù)攻堅(jiān)克難之路上，企業(yè)也正在加速前行。“作為整車(chē)企業(yè)，非常希望能及時(shí)抓住固態(tài)電池的機(jī)遇期。”邵杰表示，從技術(shù)研發(fā)層面看，在突破全固態(tài)電池技術(shù)瓶頸上，要重視發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合體的作用，采用一些先進(jìn)技術(shù)來(lái)破解難題。例如在材料及工藝篩選方面，可以采用大數(shù)據(jù)、人工智能、仿真等技術(shù)方法，從算法到迭代及提高效率等方面，盡快篩選出更適用更成熟的材料體系、工藝體系等。從產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)層面看，車(chē)企也希望從貼近用戶(hù)使用場(chǎng)景角度出發(fā)，去選用全固態(tài)電池。因此，無(wú)論是現(xiàn)實(shí)需求還是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，都在倒逼全固態(tài)電池研發(fā)加快從樣品測(cè)試到整車(chē)應(yīng)用的速度，加快探索全固態(tài)電池量產(chǎn)應(yīng)用的路徑。

 

03

 

固態(tài)電池國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)仍焦灼

 

固態(tài)電池作為目前行業(yè)最具潛力的新賽道之一，國(guó)際方面的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。

 

從歐洲到日本，都在加速開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池。豐田、本田、日產(chǎn)等日系車(chē)企都已公布了全固態(tài)電池上車(chē)時(shí)間表。豐田汽車(chē)日前宣布將在2026年推出全固態(tài)電池，2027年將在雷克薩斯新電動(dòng)車(chē)型上搭載全固態(tài)電池。

 

“在技術(shù)路徑選擇上，日本企業(yè)基本選擇一步到位開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池方案，而中國(guó)企業(yè)優(yōu)先選擇相對(duì)務(wù)實(shí)的半固態(tài)電池路徑，逐步過(guò)渡到全固態(tài)。”于冬生表示，近來(lái)，國(guó)內(nèi)外固態(tài)電池的技術(shù)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)暗流涌動(dòng)、不斷加速之勢(shì)。盡管半固態(tài)電池只是一種過(guò)渡技術(shù)路線(xiàn)，但在國(guó)內(nèi)已經(jīng)迎來(lái)量產(chǎn)裝車(chē)階段。

 

“全球范圍來(lái)看，目前固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)主要有三種技術(shù)路線(xiàn)。”林澍文表示，以電解質(zhì)材料劃分，日韓正開(kāi)發(fā)硫化物全固態(tài)電池，主要特點(diǎn)是室溫電導(dǎo)率高，延展性好，但其中鋰的穩(wěn)定性較差，現(xiàn)處于課題研究階段。歐洲開(kāi)發(fā)的是聚合物固態(tài)電池，其主要特點(diǎn)是柔韌性好，易加工，目前已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但其離子導(dǎo)電率低，有待提升。而中國(guó)大多選擇氧化物固態(tài)電池，主要特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好，是目前綜合性能較為優(yōu)異的固態(tài)電池，其研發(fā)成本和難度較低，缺點(diǎn)是界面阻抗問(wèn)題有待解決。美國(guó)則主要是以新創(chuàng)科技公司研發(fā)為主，不同技術(shù)路線(xiàn)均有涉及。

 

“由此可見(jiàn)，無(wú)論選擇哪種技術(shù)路線(xiàn)，都有相應(yīng)的技術(shù)與成本難點(diǎn)有待克服。”林澍文認(rèn)為，要在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)確有難度，而選擇從半固態(tài)到全固態(tài)的漸進(jìn)式技術(shù)路線(xiàn)則較為現(xiàn)實(shí)可行。近年來(lái)，日本、歐洲在全固態(tài)電池研究上領(lǐng)先，中國(guó)在半固態(tài)電池開(kāi)發(fā)上世界領(lǐng)先。

 

“從固態(tài)電池行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)看，日本是用舉國(guó)體制發(fā)展全固態(tài)電池，起步較早，論證嚴(yán)謹(jǐn)；中國(guó)的優(yōu)勢(shì)則是上車(chē)量產(chǎn)快，迭代快，能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲(chǔ)備一代。”李崢認(rèn)為，全固態(tài)電池新技術(shù)要真正被市場(chǎng)接受，不僅是技術(shù)問(wèn)題，還有成本能否被市場(chǎng)接受的問(wèn)題。因此，隨著全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展，也要解決商業(yè)化推廣中的成本和效益問(wèn)題。

 

“隨著多種技術(shù)路線(xiàn)的推進(jìn)，一系列技術(shù)瓶頸不斷突破，全固態(tài)電池規(guī)模化應(yīng)用的時(shí)間正加速到來(lái)。”于冬生認(rèn)為，技術(shù)創(chuàng)新正在成為全固態(tài)電池領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，各國(guó)都在大力進(jìn)行固態(tài)電池專(zhuān)利布局，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)在持續(xù)推進(jìn)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的同時(shí)，應(yīng)更加重視專(zhuān)利布局，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中擁有更多話(huà)語(yǔ)權(quán)，為全固態(tài)電池的上車(chē)應(yīng)用及產(chǎn)品走向全球夯實(shí)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。