中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：上周，豐田電動(dòng)汽車部門BEV Factory總裁加藤武郎宣布，4年后，豐田將開啟“充電10分鐘、行駛1200公里”的新電動(dòng)汽車時(shí)代。
在說(shuō)明會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，豐田展示了兩款鋰離子電池新品。其中“性能版”電池通過(guò)對(duì)能量密度的改進(jìn)來(lái)提升車輛續(xù)航，據(jù)稱可實(shí)現(xiàn)1000km續(xù)航，快充20分鐘即可達(dá)到80%電量，成本可降低20%；“普及版”則采用了目前搭載于HEV車型上的雙極性鎳氫電池的雙極結(jié)構(gòu)，續(xù)航里程比以往車型增加20%，快充30分鐘可將電量充至80%，成本降低40%。
曾幾何時(shí)，“固態(tài)電池普及之日，就是燃油車退出歷史舞臺(tái)之時(shí)”的豪言在耳。但如今，一家車企推出小批量試驗(yàn)版的固態(tài)電池已經(jīng)無(wú)法在業(yè)內(nèi)引起太大波動(dòng)，“跳票”劣跡累累的固態(tài)電池在很多人心中已經(jīng)成了黃粱一夢(mèng)，甚至有人斷言，半固態(tài)電池就是電池“進(jìn)化”的終點(diǎn)了。
那么，固態(tài)電池到底是什么？它又為何從資本青睞的完美電池變成可望而不可即的“高嶺之花”？
我們現(xiàn)在通常所用的鋰離子電池，都是由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成的。傳統(tǒng)的鋰離子電池和其他類型的電池通常使用液體或凝膠電解質(zhì)來(lái)傳遞離子，而固態(tài)電池，顧名思義，就是使用固體電極和電解質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體或凝膠電解質(zhì)的電池。
商業(yè)上使用的鋰離子電池有一個(gè)隔板，用液體電解質(zhì)溶液將陰極和陽(yáng)極分開。而在固態(tài)電池中，正極、負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)被連續(xù)堆疊在一起，形成一個(gè)固定的單元。具有固體電解質(zhì)的固態(tài)電池顯示出更高的穩(wěn)定性和固體結(jié)構(gòu)，提高了安全性。
從應(yīng)用方面來(lái)看，液態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)到了一個(gè)“極限”值。
磷酸鐵鋰電池的能量密度一般在140-160wh/kg；三元鋰電池的能量密度則是在200-300Wh/kg。
但是，如果想要進(jìn)一步達(dá)到1000km續(xù)航里程，B級(jí)電動(dòng)汽車?yán)碚撋闲柩b配容量為150度的電池包，電芯的能量密度需達(dá)到400Wh/kg以上，循環(huán)壽命應(yīng)支撐10-20年的服役時(shí)長(zhǎng)；航空級(jí)電芯循環(huán)壽命需達(dá)到2000次以上?？梢哉f(shuō)，400Wh/kg、2000次穩(wěn)定循環(huán)，這兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以使二次電池真正成為現(xiàn)代交通電動(dòng)化進(jìn)程中的共性關(guān)鍵技術(shù)。然而，現(xiàn)有的電池體系，無(wú)法同時(shí)滿足高能量密度、高安全、長(zhǎng)循環(huán)的性能要求。
同時(shí)，液態(tài)電池的電解液溶劑具有易揮發(fā)、低閃點(diǎn)的特點(diǎn)，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性，負(fù)極表面還容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負(fù)極短路，導(dǎo)致電池起火。
與之相對(duì)的，全固態(tài)電池由于采用了不可燃的固態(tài)電解質(zhì)取代易燃、易爆的有機(jī)電解液，有望在高能量密度的條件下實(shí)現(xiàn)高安全和長(zhǎng)循環(huán)。相對(duì)于傳統(tǒng)電池，固態(tài)電解質(zhì)具有更高的離子導(dǎo)電性，能夠更快地傳遞離子，在低溫環(huán)境下的性能也更好，不像液體電解質(zhì)那樣容易受到低溫影響。
中科院院士歐陽(yáng)明高教授曾公開表示：“在現(xiàn)有的各種探索中，最有可能成為下一代動(dòng)力電池的就是固態(tài)鋰電池?！?br />
普遍認(rèn)為，固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在這幾個(gè)方面。
安全性好。液態(tài)電解質(zhì)的電池易燃易爆，容易造成安全隱患。固態(tài)電解質(zhì)相較于目前普遍使用的電解液具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無(wú)電解液走漏、不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等。大電流下工作不會(huì)因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路，不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會(huì)因產(chǎn)生氣體而發(fā)生燃燒。
能量密度高。全固態(tài)電解質(zhì)電池可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以大大減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。固態(tài)電池允許適配高能正極與鋰金屬負(fù)極，目前固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已超過(guò)400Wh/kg，突破傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的能量密度天花板。
循環(huán)壽命長(zhǎng)。固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問(wèn)題和鋰枝晶現(xiàn)象，大幅提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命，理想情況能夠達(dá)到45000次左右。
這些優(yōu)點(diǎn)使得車企試圖在電動(dòng)汽車上復(fù)制手機(jī)的“快充”技術(shù)時(shí)，都需要選擇固態(tài)電池路線。
固態(tài)電池的發(fā)展早在1950年代已經(jīng)開始，但是，第一代固態(tài)電池的能量密度和電池組電壓都很低，而且內(nèi)阻非常高。
從1970年代開始，出現(xiàn)了一些具有高離子導(dǎo)電率的固態(tài)電解質(zhì)，1983年出現(xiàn)了使用氮化鋰作為固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)建的、循環(huán)壽命超過(guò)200次的固態(tài)鋰金屬電池；同年出現(xiàn)的固態(tài)薄膜電池則實(shí)現(xiàn)了2000次長(zhǎng)循環(huán)。隨后，多種氧化物、硫化物及聚合物固態(tài)電解質(zhì)材料相繼被發(fā)現(xiàn)，2011年發(fā)現(xiàn)的硫化物電解質(zhì)LGPS具有與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)?shù)碾x子導(dǎo)電率，是全固態(tài)電池發(fā)展歷史上的重要里程碑。
2021年，哈佛大學(xué)李鑫、葉露涵團(tuán)隊(duì)研究的“三明治”結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)達(dá)到了充放電循環(huán)1萬(wàn)次、最快3分鐘充滿電。2022年，劉思捷等人制備了柔性、高電導(dǎo)的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)薄膜，實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)紐扣電池2萬(wàn)次的超長(zhǎng)循環(huán)。
然而，歷經(jīng)幾十年的研究，各家企業(yè)的商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池計(jì)劃卻一再“跳票”延遲。可見其技術(shù)還面臨著一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題需要突破。
固態(tài)電解質(zhì)作為全固態(tài)電池的核心材料，研究其體相與表界面的鋰離子輸運(yùn)機(jī)制至關(guān)重要。這是進(jìn)一步提升離子導(dǎo)電率、創(chuàng)制新型固態(tài)電解質(zhì)材料、改善全固態(tài)電池性能、推動(dòng)固態(tài)離子學(xué)科發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。
而高機(jī)械強(qiáng)度的固態(tài)電解質(zhì)其實(shí)仍然難以完全抑制鋰金屬枝晶的生長(zhǎng)，造成全固態(tài)電池的快速容量衰減與安全隱患。固態(tài)電池的界面阻抗過(guò)大，固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，因此電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低，也就會(huì)造成界面阻抗過(guò)大的問(wèn)題。厘清鋰金屬在固-固界面的界面電化學(xué)過(guò)程及其枝晶生長(zhǎng)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)高比容鋰金屬負(fù)極長(zhǎng)效穩(wěn)定循環(huán)的先決條件。
全固態(tài)電池中的離子輸運(yùn)、界面電化學(xué)等物理化學(xué)過(guò)程具有鮮明的多場(chǎng)耦合特征，也就是溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、濕度場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的疊加問(wèn)題。因此，全面考量多場(chǎng)耦合效應(yīng)，建立真實(shí)工況下全固態(tài)電池復(fù)雜體系的物理化學(xué)模型，揭示其多場(chǎng)耦合下的失效、失控機(jī)制是優(yōu)化全固態(tài)電池電化學(xué)性能的重要科學(xué)支撐。
此外，從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)模化制造，也依然存在著很多問(wèn)題。制造固態(tài)電池是一個(gè)大工程，不僅意味著成本管理的重新考量，更重要的是整個(gè)供應(yīng)鏈條、生產(chǎn)線的重新設(shè)計(jì)。各家企業(yè)面臨的問(wèn)題也是五花八門。
2021年，曾經(jīng)信誓旦旦表示固態(tài)鋰電池會(huì)在2023年量產(chǎn)的美國(guó)電動(dòng)汽車公司Fisker，宣布徹底放棄固態(tài)電池計(jì)劃，原因是無(wú)法落地。其創(chuàng)始人無(wú)奈地接受了當(dāng)初雄心勃勃的尷尬，“固態(tài)電池是一種這樣的技術(shù)，當(dāng)你覺得你已經(jīng)完成了90%，幾乎達(dá)到目標(biāo)時(shí)，然后你意識(shí)到剩下的10%比前面的90%困難得多?！?br />
而另一家成功將固態(tài)電池規(guī)模化運(yùn)作的法國(guó)公司博洛雷，其固態(tài)電池能量密度僅有100Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)預(yù)期。2019年，這一項(xiàng)目正式宣布破產(chǎn)。
今年早些時(shí)候，豐田首席技術(shù)官前田正彥對(duì)媒體表示，“坦率地說(shuō)，情況并不樂(lè)觀?！币?yàn)?，事?shí)證明，硫化物固態(tài)電池的開發(fā)非常復(fù)雜，對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)，所需要的只是浸入電極，但是固體電解質(zhì)則需要特殊的技術(shù)粘合材料。
此外，還有宣布與大眾合作啟動(dòng)生產(chǎn)線建設(shè)的明星企業(yè)QuantumScape，宣稱其固態(tài)電池預(yù)計(jì)在2025年可投產(chǎn)，但是其采用的無(wú)機(jī)氧化物固態(tài)電解質(zhì)層，重量是傳統(tǒng)鋰電隔膜的10倍以上，由于固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低，影響了放電倍率和低溫工況下的性能，該公司不得不在電池正極側(cè)添加不少于20%質(zhì)量的氧化物提供離子電導(dǎo)。這些非活性物質(zhì)的增加，使得電池的能量密度降低，有媒體報(bào)道，QuantumScape電池能量密度可能還不到350Wh/kg，很難達(dá)到固態(tài)電池理論能量密度的峰值水平。其安全性也令人生疑，當(dāng)提到該公司造出并交付給汽車客戶的首批原型固態(tài)電池時(shí)，其創(chuàng)始人、CEO兼董事長(zhǎng)Jagdeep Singh提到這批電池產(chǎn)品的可靠性“仍有很大提升空間”。
同時(shí)，在生產(chǎn)方面，固態(tài)電池對(duì)材料的加工精度要求也很高。QuantumScape研發(fā)的固態(tài)電池，大尺寸、超薄陶瓷制備、800℃燒結(jié)成型、表面目視無(wú)缺陷的苛刻要求，讓良品率非常低。
面對(duì)這些商業(yè)化難題，國(guó)內(nèi)不少?gòu)S商另辟蹊徑，走出了一條液態(tài)、半固態(tài)到全固態(tài)的發(fā)展路線。
衛(wèi)藍(lán)新能源、SES、浙江鋒鋰等電池廠商就從全固態(tài)轉(zhuǎn)向了半固態(tài)的典型代表。今年3月，衛(wèi)藍(lán)新能源首席科學(xué)家、創(chuàng)始人李泓曾透露，衛(wèi)藍(lán)新能源開發(fā)了一款混合固液電解質(zhì)動(dòng)力電池，將在蔚來(lái)ET7車型上量產(chǎn)應(yīng)用。據(jù)了解，其單次充電1000km，電池包電量達(dá)到150kWh，單體能量密度達(dá)到360Wh/kg。寧德時(shí)代前段時(shí)間在上海車展中正式發(fā)布的凝聚態(tài)電池，也算是半固態(tài)電池，單體能量密度達(dá)到500Wh/kg，遠(yuǎn)超現(xiàn)有主流液態(tài)電池的能量密度。
半固態(tài)電池量產(chǎn)上車，是一個(gè)很重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。根據(jù)工信部公告顯示，蔚來(lái)將有三款車開始使用半固態(tài)電池。贛鋒鋰業(yè)控股子公司贛鋒鋰電在其官方微信公眾號(hào)上宣布，搭載贛鋒鋰電三元固液混合鋰離子電池的純電動(dòng)SUV賽力斯-SERES-5規(guī)劃于2023年上市。嵐圖汽車在旗下首款轎車追光的發(fā)布會(huì)上也宣布，追光搭載82kWh電池包，將成為行業(yè)首個(gè)量產(chǎn)裝車的半固態(tài)電池。
半固態(tài)雖然名字上跟固態(tài)電池很相似，可實(shí)際上與液態(tài)鋰離子電池關(guān)系更近。而且，如果無(wú)法做到根本性的大容量、快充、高安全性，不管它的名稱是否與“固態(tài)”有關(guān)，本質(zhì)上仍然也只是個(gè)暫時(shí)的折衷方案。
而且，就算暫時(shí)選擇了半固態(tài)電池，仍然有很多廠商未完全放棄對(duì)于全固態(tài)電池的研發(fā)。
2021年5月，寧德時(shí)代就曾表示，已經(jīng)可以完成固態(tài)電池的樣品；今年1月，公開資料顯示寧德時(shí)代新增了兩項(xiàng)有關(guān)固態(tài)電池的專利，分別為“一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法”和“一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法”。比亞迪近期也在股東會(huì)上透露，目前在電池方面的研發(fā)人員超過(guò)1萬(wàn)多人，同時(shí)其內(nèi)部對(duì)于固態(tài)電池和鈉離子電池的研發(fā)都依然在進(jìn)行中。
新能源電池領(lǐng)域的科技水平發(fā)展越來(lái)越快，目前在固態(tài)電池領(lǐng)域也迎來(lái)新的增長(zhǎng)情況，申請(qǐng)已公開專利1932件，并于2020年達(dá)到了申請(qǐng)量的階段性頂峰，該年專利申請(qǐng)量為歷年之最共計(jì)465件。截止2022年4月15日，固態(tài)電池公開專利為226件，申請(qǐng)專利量為12件。
雖然現(xiàn)在固態(tài)電池還未正式應(yīng)用在汽車上，但在消費(fèi)電子、無(wú)人機(jī)等終端設(shè)備之上，卻已經(jīng)得到了不少的應(yīng)用。根據(jù)歐陽(yáng)明高的預(yù)測(cè)，固態(tài)電池真正在汽車領(lǐng)域大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，大概的時(shí)間是在2025-2030年之間。
各國(guó)政府近年陸續(xù)出臺(tái)政策扶持新能源汽車行業(yè)，多個(gè)國(guó)家明確固態(tài)電池發(fā)展目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)劃：2020-2025年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉(zhuǎn)變，2030年研發(fā)出商業(yè)化全固態(tài)電池。
歐洲謀求在固態(tài)電池領(lǐng)域翻盤，各大車企紛紛投資固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)。法國(guó)波諾雷集團(tuán)是第一家也是目前唯一一家真正實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)的公司。2011年，該集團(tuán)以聚合物作為固態(tài)電解質(zhì)，鋰金屬作為負(fù)極成功制備全固態(tài)電池，并以此為供能裝置，批量生產(chǎn)了250輛電動(dòng)汽車。但此款電動(dòng)汽車僅裝配30度電，續(xù)航約為250km，還需要將電池運(yùn)行環(huán)境溫度維持在60℃左右。
2020年，美國(guó)SolidPower公司宣布第一代全固態(tài)鋰金屬軟包電池產(chǎn)線已進(jìn)入試驗(yàn)階段，可制備能量密度為320Wh/kg的全固態(tài)電池，預(yù)計(jì)在2025進(jìn)行批量生產(chǎn)。
目前全球范圍內(nèi)，日本企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)較為領(lǐng)先，許多日韓企業(yè)選擇抱團(tuán)研發(fā)。自從2008年開始牽頭研發(fā)固態(tài)電池以來(lái)，豐田簽署的合作伙伴有很多，截至2022年專利累積到1300多項(xiàng)。正如本文開頭所說(shuō)，豐田電動(dòng)汽車部門宣布，2027年前后開啟固態(tài)電池電動(dòng)汽車新時(shí)代。
韓國(guó)的三星集團(tuán)已于2022年開始建設(shè)全固態(tài)電池試產(chǎn)線，計(jì)劃于2027年正式投產(chǎn)。韓國(guó)還是唯一由政府出面、組織固態(tài)電池在內(nèi)的一攬子“先進(jìn)電池技術(shù)”攻關(guān)項(xiàng)目的國(guó)家。4月20日，韓國(guó)宣布，將由政府和企業(yè)共同出資20萬(wàn)億韓元（約合1050億元人民幣），目標(biāo)則是“維持韓國(guó)在動(dòng)力電池領(lǐng)域的絕對(duì)實(shí)力”。
盡管固態(tài)電池面臨一些挑戰(zhàn)，但研究和開發(fā)工作仍在進(jìn)行中，并取得了一些進(jìn)展?？梢钥吹剑S多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)仍在投入大量資源進(jìn)行固態(tài)電池技術(shù)的研究和商業(yè)化開發(fā)，例如努力開發(fā)新的制造方法和工藝，以降低成本并提高制造效率。同時(shí)，材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的創(chuàng)新也有助于開發(fā)更經(jīng)濟(jì)高效的固態(tài)電池材料和組件。
從技術(shù)研發(fā)、規(guī)模量產(chǎn)，到成本控制、商業(yè)運(yùn)作，每一步都有著曲折和坎坷，但在固態(tài)電池這條路上，所有人都還在同一條跑道上全力沖刺，想盡辦法接近那個(gè)代表著無(wú)限夢(mèng)想的勝利之果。到底需要多久才能實(shí)現(xiàn)？誰(shuí)又會(huì)成為那個(gè)最終的贏家？讓我們拭目以待。
