中國儲能網(wǎng)訊：上周，豐田電動汽車部門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”的新電動汽車時代。
在說明會現(xiàn)場，豐田展示了兩款鋰離子電池新品。其中“性能版”電池通過對能量密度的改進來提升車輛續(xù)航，據(jù)稱可實現(xiàn)1000km續(xù)航，快充20分鐘即可達到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，“固態(tài)電池普及之日，就是燃油車退出歷史舞臺之時”的豪言在耳。但如今，一家車企推出小批量試驗版的固態(tài)電池已經(jīng)無法在業(yè)內(nèi)引起太大波動，“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，甚至有人斷言，半固態(tài)電池就是電池“進化”的終點了。
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”？
完美的電池“圣杯”
我們現(xiàn)在通常所用的鋰離子電池，都是由正極、負極、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隔板，用液體電解質(zhì)溶液將陰極和陽極分開。而在固態(tài)電池中，正極、負極和固態(tài)電解質(zhì)被連續(xù)堆疊在一起，形成一個固定的單元。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)用方面來看，液態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)到了一個“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，如果想要進一步達到1000km續(xù)航里程，B級電動汽車理論上需裝配容量為150度的電池包，電芯的能量密度需達到400Wh/kg以上，循環(huán)壽命應(yīng)支撐10-20年的服役時長；航空級電芯循環(huán)壽命需達到2000次以上。可以說，400Wh/kg、2000次穩(wěn)定循環(huán)，這兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以使二次電池真正成為現(xiàn)代交通電動化進程中的共性關(guān)鍵技術(shù)。然而，現(xiàn)有的電池體系，無法同時滿足高能量密度、高安全、長循環(huán)的性能要求。
同時，液態(tài)電池的電解液溶劑具有易揮發(fā)、低閃點的特點，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性，負極表面還容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負極短路，導(dǎo)致電池起火。
與之相對的，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、易爆的有機電解液，有望在高能量密度的條件下實現(xiàn)高安全和長循環(huán)。相對于傳統(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力電池的就是固態(tài)鋰電池?！?
普遍認為，固態(tài)電池的優(yōu)點體現(xiàn)在這幾個方面。
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、無電解液走漏、不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等。大電流下工作不會因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路，不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會因產(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極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大大減輕負極材料的用量，使得整個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極，目前固態(tài)電池的實驗室數(shù)據(jù)已超過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。固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，大幅提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命，理想情況能夠達到45000次左右。
這些優(yōu)點使得車企試圖在電動汽車上復(fù)制手機的“快充”技術(shù)時，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)薄膜電池則實現(xiàn)了2000次長循環(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?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，哈佛大學李鑫、葉露涵團隊研究的“三明治”結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)達到了充放電循環(huán)1萬次、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，實現(xiàn)了全固態(tài)紐扣電池2萬次的超長循環(huán)。
商業(yè)化批量生產(chǎn)遙遙無期
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)電池計劃卻一再“跳票”延遲?？梢娖浼夹g(shù)還面臨著一些現(xiàn)實問題需要突破。
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機制至關(guān)重要。這是進一步提升離子導(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、推動固態(tài)離子學科發(fā)展的科學基礎(chǔ)。
而高機械強度的固態(tài)電解質(zhì)其實仍然難以完全抑制鋰金屬枝晶的生長，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)中傳輸動力學低，也就會造成界面阻抗過大的問題。厘清鋰金屬在固-固界面的界面電化學過程及其枝晶生長過程是實現(xiàn)高比容鋰金屬負極長效穩(wěn)定循環(huán)的先決條件。
全固態(tài)電池中的離子輸運、界面電化學等物理化學過程具有鮮明的多場耦合特征，也就是溫度場、應(yīng)力場、濕度場等多個物理場的疊加問題。因此，全面考量多場耦合效應(yīng)，建立真實工況下全固態(tài)電池復(fù)雜體系的物理化學模型，揭示其多場耦合下的失效、失控機制是優(yōu)化全固態(tài)電池電化學性能的重要科學支撐。
此外，從實驗室到規(guī)?；圃?，也依然存在著很多問題。制造固態(tài)電池是一個大工程，不僅意味著成本管理的重新考量，更重要的是整個供應(yīng)鏈條、生產(chǎn)線的重新設(shè)計。各家企業(yè)面臨的問題也是五花八門。
2021年，曾經(jīng)信誓旦旦表示固態(tài)鋰電池會在2023年量產(chǎn)的美國電動汽車公司Fisker，宣布徹底放棄固態(tài)電池計劃，原因是無法落地。其創(chuàng)始人無奈地接受了當初雄心勃勃的尷尬，“固態(tài)電池是一種這樣的技術(shù)，當你覺得你已經(jīng)完成了90%，幾乎達到目標時，然后你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多?！?
而另一家成功將固態(tài)電池規(guī)?；\作的法國公司博洛雷，其固態(tài)電池能量密度僅有100Wh/kg，遠遠低于市場預(yù)期。2019年，這一項目正式宣布破產(chǎn)。
今年早些時候，豐田首席技術(shù)官前田正彥對媒體表示，“坦率地說，情況并不樂觀?！币驗?，事實證明，硫化物固態(tài)電池的開發(fā)非常復(fù)雜，對于液態(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)計在2025年可投產(chǎn)，但是其采用的無機氧化物固態(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，有媒體報道，QuantumScape電池能量密度可能還不到350Wh/kg，很難達到固態(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，其創(chuàng)始人、CEO兼董事長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，在生產(chǎn)方面，固態(tài)電池對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、表面目視無缺陷的苛刻要求，讓良品率非常低。
面對這些商業(yè)化難題，國內(nèi)不少廠商另辟蹊徑，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)藍新能源首席科學家、創(chuàng)始人李泓曾透露，衛(wèi)藍新能源開發(fā)了一款混合固液電解質(zhì)動力電池，將在蔚來ET7車型上量產(chǎn)應(yīng)用。據(jù)了解，其單次充電1000km，電池包電量達到150kWh，單體能量密度達到360Wh/kg。寧德時代前段時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，單體能量密度達到500Wh/kg，遠超現(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，是一個很重要的時間節(jié)點。根據(jù)工信部公告顯示，蔚來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上宣布，搭載贛鋒鋰電三元固液混合鋰離子電池的純電動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)布會上也宣布，追光搭載82kWh電池包，將成為行業(yè)首個量產(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，可實際上與液態(tài)鋰離子電池關(guān)系更近。而且，如果無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)上仍然也只是個暫時的折衷方案。
而且，就算暫時選擇了半固態(tài)電池，仍然有很多廠商未完全放棄對于全固態(tài)電池的研發(fā)。
2021年5月，寧德時代就曾表示，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代新增了兩項有關(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上透露，目前在電池方面的研發(fā)人員超過1萬多人，同時其內(nèi)部對于固態(tài)電池和鈉離子電池的研發(fā)都依然在進行中。
誰能率先摘取勝利之果？
新能源電池領(lǐng)域的科技水平發(fā)展越來越快，目前在固態(tài)電池領(lǐng)域也迎來新的增長情況，申請已公開專利1932件，并于2020年達到了申請量的階段性頂峰，該年專利申請量為歷年之最共計465件。截止2022年4月15日，固態(tài)電池公開專利為226件，申請專利量為12件。
雖然現(xiàn)在固態(tài)電池還未正式應(yīng)用在汽車上，但在消費電子、無人機等終端設(shè)備之上，卻已經(jīng)得到了不少的應(yīng)用。根據(jù)歐陽明高的預(yù)測，固態(tài)電池真正在汽車領(lǐng)域大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，大概的時間是在2025-2030年之間。
各國政府近年陸續(xù)出臺政策扶持新能源汽車行業(yè)，多個國家明確固態(tài)電池發(fā)展目標和產(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)。法國波諾雷集團是第一家也是目前唯一一家真正實現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)的公司。2011年，該集團以聚合物作為固態(tài)電解質(zhì)，鋰金屬作為負極成功制備全固態(tài)電池，并以此為供能裝置，批量生產(chǎn)了250輛電動汽車。但此款電動汽車僅裝配30度電，續(xù)航約為250km，還需要將電池運行環(huán)境溫度維持在60℃左右。
2020年，美國SolidPower公司宣布第一代全固態(tài)鋰金屬軟包電池產(chǎn)線已進入試驗階段，可制備能量密度為320Wh/kg的全固態(tài)電池，預(yù)計在2025進行批量生產(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)選擇抱團研發(fā)。自從2008年開始牽頭研發(fā)固態(tài)電池以來，豐田簽署的合作伙伴有很多，截至2022年專利累積到1300多項。正如本文開頭所說，豐田電動汽車部門宣布，2027年前后開啟固態(tài)電池電動汽車新時代。
韓國的三星集團已于2022年開始建設(shè)全固態(tài)電池試產(chǎn)線，計劃于2027年正式投產(chǎn)。韓國還是唯一由政府出面、組織固態(tài)電池在內(nèi)的一攬子“先進電池技術(shù)”攻關(guān)項目的國家。4月20日，韓國宣布，將由政府和企業(yè)共同出資20萬億韓元（約合1050億元人民幣），目標則是“維持韓國在動力電池領(lǐng)域的絕對實力”。
盡管固態(tài)電池面臨一些挑戰(zhàn)，但研究和開發(fā)工作仍在進行中，并取得了一些進展。可以看到，許多科研機構(gòu)和企業(yè)仍在投入大量資源進行固態(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，材料科學和工程領(lǐng)域的創(chuàng)新也有助于開發(fā)更經(jīng)濟高效的固態(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，想盡辦法接近那個代表著無限夢想的勝利之果。到底需要多久才能實現(xiàn)？誰又會成為那個最終的贏家？讓我們拭目以待。
