中國儲能網(wǎng)訊：近日，有關固態(tài)電池的大消息一個接著一個。
穩(wěn)居我國電子產(chǎn)品制造業(yè)金字塔頂?shù)母皇靠祫倓傇诠傥l(fā)布消息，將在鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)重點布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，打造固態(tài)電解質、半固態(tài)及全固態(tài)電芯研發(fā)和生產(chǎn)制造項目。
此前，全球電池巨頭寧德時代和新能源汽車“頂流”特斯拉則前后腳爆出固態(tài)電池研發(fā)突破取得新進展。
寧德時代獲得有關電池測試模具及電池測試裝置的固態(tài)電池實用新型專利授權。該專利可分為夾持件和壓緊件兩部分，夾持件可裝載固態(tài)電池粉體，壓緊件可復制夾持件來進行操作。
特斯拉最新專利信息則公開其采用新材料將電池循環(huán)壽命提升了10%。新材料即為富錳正極材料中加入蘇打粉（碳酸鈉），用摻雜金屬離子的方法改善材料結品性和穩(wěn)定性，減少溶出和析出，降低電壓衰減。
而歐洲老牌車企大眾汽車集團也著手擴大布局。
其旗下電池公司PowerCo和美國初創(chuàng)公司QuantumScape宣布達成協(xié)議，將大幅提高合作開發(fā)的固態(tài)電池產(chǎn)量，目標是將這項技術引入更多車輛。
根據(jù)協(xié)議，在QuantumScape的固態(tài)電池技術實現(xiàn)一定的進步后，PowerCo將獲得基于QuantumScape技術平臺大規(guī)模生產(chǎn)電池的許可，并支付特許權使用費。PowerCo每年可以使用QuantumScape的技術實現(xiàn)40GWh的產(chǎn)能，并可選擇將產(chǎn)量擴展到80GWh。
以石入水，激起千層浪花。被冠以“下一代電池技術競爭的制高點”之稱的固態(tài)電池，再一次被推升至動力儲能的風口浪尖。
何以成為“未來向”技術
早有行業(yè)聲音傳來，之所以成為備受推崇的“未來向”技術，固態(tài)電池確有明顯優(yōu)勢，特別是在鋰離子電池能量密度開發(fā)已近極致下。
在傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池體系中，正負極所用的材料在很大程度上決定了電池本身的帶電量，即能量密度，而電解液與隔膜是作為鋰離子的傳輸媒介存在于電池結構中。
作為能源儲存領域的新型技術，固態(tài)電池的正極、負極和電解質均為固態(tài)，省略了電解液，電解質鹽隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等材料，以金屬鋰代替負極，如此一來，整個電池的能量密度得到明顯提高。
有公開資料顯示，磷酸鐵鋰電池能量密度通常為100—160Wh/kg，三元鋰電池能量密度為150—350Wh/kg，液態(tài)電池能量密度接近350Wh/kg，而固態(tài)電池能量密度能達到400-900Wh/kg。另有行業(yè)人士表示，根據(jù)目前的實驗結果，固態(tài)電池能量密度可以達到傳統(tǒng)電池的4-5倍。
順應電池小型化、輕量化趨勢，固態(tài)電解質因本身即可傳導鋰離子，起到了隔膜和電解液的作用，因而大大降低了固態(tài)電池的厚度。而在傳統(tǒng)鋰離子電池中，這兩者加起來占據(jù)電池近40%的體積和25%的質量。
實現(xiàn)了輕薄化處理的固態(tài)電池，柔性程度也明顯提高。據(jù)悉，通過使用適當?shù)姆庋b材料，固態(tài)電池可以經(jīng)受幾百甚至幾千次的彎曲，還保證性能幾乎不衰減。
相比傳統(tǒng)鋰離子電池，液態(tài)電解質易燃易揮發(fā)以及鋰枝晶現(xiàn)象，導致電池一旦受到?jīng)_擊或短路，或有失控爆炸的風險，而使用固態(tài)電解質的固態(tài)電池則沒有這種后顧之憂。
種種“與眾不同”的特性和結構，讓固態(tài)電池在安全性、穩(wěn)定性、長壽命、快充速度，寬溫域和高環(huán)境適應性等方面，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池優(yōu)勢明顯，能夠更好地支撐各類能源存儲技術在全氣候、全場景、高安全使用的需求。
“全固態(tài)電池是公認的下一代電池的首選方案之一，也將成為下一代電池技術競爭的關鍵制高點。”中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高此前在公開場合不止一次發(fā)表過類似觀點。
競速戰(zhàn)打響
從電池技術的競爭來看，毫無疑問，中國鋰電產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)有的磷酸鐵鋰電池和三元電池技術路線上已經(jīng)在全球掌握贏面。但，鋰電競爭格局并非一成不變。
每一輪新的技術爆發(fā)和產(chǎn)業(yè)周期調(diào)整都會帶來新的電池巨頭崛起。固態(tài)電池作為下一代電池技術路線，目前已成為海外企業(yè)迅速調(diào)轉攻堅、實現(xiàn)突破的風口和方向。
反應最快的是日本。以豐田為代表的日本企業(yè)早早下場布局。
2008年，豐田、日產(chǎn)等企業(yè)已開始研發(fā)以硫化物為電解質的全固態(tài)電池。
2023年6月，豐田宣稱“全固體電池”研制成功，僅充電10分鐘，續(xù)航就能達到1200公里；同年10月，其高調(diào)宣布，爭取在2027年至2028年實現(xiàn)全固態(tài)電池進入實用化階段。
據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》與專利調(diào)查公司Patent Result的聯(lián)合調(diào)查顯示，在自2000年至2022年3月的專利申請總數(shù)中，排名前五的企業(yè)中有4家來自日本，其中豐田憑借1331件的總數(shù)躋身榜首，而排在出第二位的松下控股，則獲得445件專利技術。
今年4月，日產(chǎn)公開其約1萬平方米空間的全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預定設置場所，并計劃于2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標2028年度量產(chǎn)。
在2022版《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》中，日本明確提出要率先實現(xiàn)全固態(tài)電池等下一代電池技術的商用，到2030年左右實現(xiàn)全固態(tài)鋰電池的正式商業(yè)化應用。
韓國緊隨其后。
三星SDI開發(fā)全固態(tài)電池的歷程最早可追溯到10多年前，今年3月，其發(fā)布全固態(tài)電池量產(chǎn)規(guī)劃，預計2027年量產(chǎn)。
韓國電池三巨頭的另外兩家企業(yè)LG能源解決方案和SK On也在持續(xù)布局，前者預計于2026年推出聚合物全固態(tài)電池，并設定了2030年實現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池商業(yè)化的目標；后者預計2025年在大田電池研究所建造全固態(tài)電池試驗生產(chǎn)線，但暫時沒有量產(chǎn)時間表。
根據(jù)韓國發(fā)布的《2030 二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》和《二次電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》，該國將在 2026 年實現(xiàn)車端固態(tài)電池商業(yè)目標。
與日本車企在固態(tài)電池上的自主研發(fā)相比，歐美老牌汽車商家更多依賴Solid Power、Quantum Scape、Factorial Energy、lonic Materials等新技術企業(yè)。
比如本文開篇提及的大眾對QuantumScape的投資。此外，寶馬和福特投資了Solid Power；奔馳則投資了Factorial Energy，雙方就共同開發(fā)固態(tài)電池達成合作。
在美國于2021 年發(fā)布《鋰電池 2021-2030 年國家藍圖》中，已明確提出2030年實現(xiàn)固態(tài)電池規(guī)?；a(chǎn)的目標，而歐盟在2023年發(fā)布《歐洲電池研發(fā)創(chuàng)新路線圖》和第三版《電池 2030+路線圖》中，也提及了相關預期。
全球范圍內(nèi)，中國是新能源汽車和儲能領域規(guī)模最為可觀的重要市場之一。除了已占據(jù)主導優(yōu)勢的液態(tài)鋰離子電池領域，中國本土企業(yè)在固態(tài)電池賽道上，也走上了前沿陣地。
比如寧德時代采用硫化物固態(tài)電解質的固態(tài)電池，正極高鎳三元的克容量發(fā)揮可以達到230mAh/g，實現(xiàn)5mAh/cm2超高面容量；預計到2027年實現(xiàn)全固態(tài)電池小批量生產(chǎn)。
比如國軒高科全固態(tài)電池金石電池，能量密度可達350Wh/kg，預計2027年實現(xiàn)全固態(tài)電池小批量上車實驗，2030年實現(xiàn)量產(chǎn)。
再比如欣旺達第一代能量密度400Wh/kg的全固態(tài)電池產(chǎn)品已實現(xiàn)小試，更高能量密度的第二代全固態(tài)電池正在加緊開發(fā)中；計劃2026年具備量產(chǎn)能力。
電池企業(yè)外，中國整車企業(yè)也在推進相關研究。以廣汽集團、上汽集團為例，兩家企業(yè)均推出了密度超過400Wh/kg的全固態(tài)電池，且均計劃于2026年實現(xiàn)量產(chǎn)。
此外，中國科學院、清華大學等科研機構也在積極推進固態(tài)電池研究。不久前中國科學院青島生物能源與制程研究所先進儲能材料與技術研究小組在硫化物電解質研究上取得新進展，在硫化物軟包電池疊片技術上取得關鍵性突破，并計劃在2026年實現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池批次的量產(chǎn)。
今年5月，《中國日報》曾報道，我國或投入約60億元，鼓勵有條件的企業(yè)對全固態(tài)電池相關技術開展研發(fā)。而此舉，實乃行業(yè)內(nèi)項目由政府相關部委牽頭實施的首例，重視程度可見一斑。
據(jù)CESA儲能應用分會產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫不完全統(tǒng)計，今年上半年，我國固態(tài)電池新增擴產(chǎn)項目共計22個，總規(guī)劃產(chǎn)能超130GWh。
一場圍繞固態(tài)電池的全球競速戰(zhàn)已經(jīng)打響。就目前來看，全球范圍內(nèi)，固態(tài)電池的量產(chǎn)時間集中在2026-2030年之間，但這多數(shù)只是理論推演下的預設。而從量產(chǎn)再到真正的規(guī)?；瘧茫硐胝娴目梢詫崿F(xiàn)嗎？
理想照進現(xiàn)實的距離
理想照進現(xiàn)實的距離，最終還是由技術決定的。
事實上，從理論的提出時間來看，固態(tài)電池并不是一個新的概念，但多年來尚無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，主要還是無法突破材料技術、制備技術的瓶頸。
馬斯克就曾公開發(fā)表觀點，認為電池續(xù)航突破1000公里較為困難，固態(tài)電池也是如此。
就固態(tài)電池而言，受制于電解液與電極之間的傳導材質是固態(tài)到固態(tài)，難以像固態(tài)到液態(tài)之間形成緊密充分的接觸，因而不利于鋰離子在正負極間的傳輸，影響了電池性能。
而目前解決這一問題的方式，是通過在固態(tài)電池內(nèi)部添加部分電解液，改善界面接觸電阻，也就是所謂的半固態(tài)電池。據(jù)悉，國內(nèi)已有不少企業(yè)在研發(fā)半固態(tài)電池。采用退而求其次的逐步轉化策略，即電解液含量逐步下降，最終實現(xiàn)全固態(tài)電解質。
但這個做法，在行業(yè)內(nèi)頗具爭議。
據(jù)某車企的動力電池實驗室透露：5%的電解液含量實際對于半固態(tài)電解質的界面問題改善極為有限，電池的循環(huán)壽命與倍率性能依舊有很大問題。
甚至有說法稱，半固態(tài)與固態(tài)兩個技術路線沒有關系；在生產(chǎn)與技術方面，也沒有任何的繼承性。
此外，由于對傳統(tǒng)鋰電池設備和工藝的革新需求，量產(chǎn)初期的高成本也是固態(tài)電池企業(yè)當下無法規(guī)避的問題。
再有，從時間周期來看，固態(tài)電池從實驗室到最終的量產(chǎn)還需要不短的時間。正如液態(tài)鋰電池，自上世紀70年代，相關的理念和實驗認證就已齊頭并進地推進，但真正大規(guī)模的使用，已經(jīng)是20世紀末。
盡管寧德時代始終走在固態(tài)電池賽道的前端，不過電池“老將”曾毓群近期也曾指出，固態(tài)電池距離商業(yè)化還需數(shù)年時間，當前仍存在諸多挑戰(zhàn)。
“固態(tài)電池可能是未來電池技術的發(fā)展方向之一，但也許不是最好的。”某新能源企業(yè)技術人員表示，“包括燃料電池、超級電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發(fā)展空間，而最終，要看哪種路線發(fā)展更快、更接地氣。”而所謂接地氣，就是要在商業(yè)化的規(guī)模和成本方面找尋到完美的平衡點。
對于尚處于試產(chǎn)或摸索階段的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)而言，怎樣更好？亦或是否更好？一切都有待時間和實踐的驗證。
