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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，上車之旅進(jìn)入倒計時。

 

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)，致力于打造超高性價比的新一代固態(tài)電池。按照規(guī)劃，第二代固態(tài)電池2024年量產(chǎn)上車，液體含量將降至5％以下；2027年推出全固態(tài)電池，實現(xiàn)“10萬輛級”的大規(guī)模量產(chǎn)裝車。同期，恩力動力與軟銀公司也發(fā)布了聯(lián)合開發(fā)的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池，實測能量密度達(dá)到300Wh/kg。

 

近年來，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、高合、賽力斯等車企紛紛涌入。那么，全固態(tài)電池如今處于什么發(fā)展階段？距離上車還有多遠(yuǎn)？還有哪些瓶頸有待突破？我國固態(tài)電池的國際競爭力究竟如何？這一系列問題都在隨著固態(tài)電池上車的臨近而逐漸清晰。

 

01

 

未來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，可通過最嚴(yán)苛的單電芯針刺實驗，整包可實現(xiàn)系統(tǒng)級零熱失控，即單顆電芯熱失控后實現(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)合實驗室，開發(fā)的第一代全固態(tài)電池已完成裝車試驗，在實現(xiàn)系統(tǒng)級零熱失控前提下，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，測試車輛最大續(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，一款電池從開發(fā)到裝車應(yīng)用，是多層面的創(chuàng)新和集成。從整車角度看，電池材料、電芯、工藝制造、系統(tǒng)集成開發(fā)、軟件控制等都需要同步開發(fā)。“清陶能源的長板在于材料開發(fā)和電芯設(shè)計等方面，車企的強(qiáng)項則在系統(tǒng)級開發(fā)、軟件開發(fā)、整車項目管理等方面，雙方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，才能優(yōu)勢互補(bǔ)。”李崢認(rèn)為。

 

對此，上汽通用五菱汽車股份有限公司智能平臺首席技術(shù)官邵杰深有感觸。他說，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，在目前固態(tài)電池全球競爭日益加劇的態(tài)勢下，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)到了不得不加速開發(fā)的階段，稱其為“倒計時”毫不為過。目前，上汽通用五菱在廣西建立了固態(tài)電池實驗室，在啟動固態(tài)電池研發(fā)項目的同時，也將向全社會開放研發(fā)資源，推動全固態(tài)電池加速上車應(yīng)用。

 

在全固態(tài)電池上車倒計時之際，越來越多的車企已經(jīng)走上投資、合作開發(fā)固態(tài)電池的新賽道。2022年就有報道稱，小鵬汽車已經(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)上車產(chǎn)品。盡管小鵬汽車方面對此既不承認(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。”小鵬匯天動力總成中心總經(jīng)理侯聰說。

 

“固態(tài)電池中，有目前已開始上車應(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。”華東汽車新材料技術(shù)研究院研究員林澍文告訴記者，相對而言，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)的過渡技術(shù)路線；而使用純固態(tài)電解質(zhì)則稱為全固態(tài)電池。目前，國內(nèi)很多動力電池、整車等相關(guān)企業(yè)都在獨立或聯(lián)合開發(fā)全固態(tài)電池，由此，全固態(tài)電池的上車已開啟倒計時。

 

“隨著技術(shù)開發(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)受訪者認(rèn)為，未來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)模化發(fā)展

 

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

 

“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)工藝等問題仍未解決，導(dǎo)致現(xiàn)階段成本較高，短期內(nèi)難以實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。”林澍文具體分析稱，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)生枝晶生長存在安全隱患等問題，這些都是亟待突破的技術(shù)瓶頸。另外，全固態(tài)電池對生產(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)域可以實現(xiàn)小批量示范應(yīng)用。

 

“除了技術(shù)問題，與其密切相關(guān)的成本問題也是全固態(tài)電池規(guī)模化應(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)攻堅克難之路上，企業(yè)也正在加速前行。“作為整車企業(yè)，非常希望能及時抓住固態(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)競爭層面看，車企也希望從貼近用戶使用場景角度出發(fā)，去選用全固態(tài)電池。因此，無論是現(xiàn)實需求還是市場競爭，都在倒逼全固態(tài)電池研發(fā)加快從樣品測試到整車應(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)電池國際競爭仍焦灼

 

固態(tài)電池作為目前行業(yè)最具潛力的新賽道之一，國際方面的競爭也日趨激烈。

 

從歐洲到日本，都在加速開發(fā)全固態(tài)電池。豐田、本田、日產(chǎn)等日系車企都已公布了全固態(tài)電池上車時間表。豐田汽車日前宣布將在2026年推出全固態(tài)電池，2027年將在雷克薩斯新電動車型上搭載全固態(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發(fā)全固態(tài)電池方案，而中國企業(yè)優(yōu)先選擇相對務(wù)實的半固態(tài)電池路徑，逐步過渡到全固態(tài)。”于冬生表示，近來，國內(nèi)外固態(tài)電池的技術(shù)研發(fā)競爭呈現(xiàn)暗流涌動、不斷加速之勢。盡管半固態(tài)電池只是一種過渡技術(shù)路線，但在國內(nèi)已經(jīng)迎來量產(chǎn)裝車階段。

 

“全球范圍來看，目前固態(tài)電池的開發(fā)主要有三種技術(shù)路線。”林澍文表示，以電解質(zhì)材料劃分，日韓正開發(fā)硫化物全固態(tài)電池，主要特點是室溫電導(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。歐洲開發(fā)的是聚合物固態(tài)電池，其主要特點是柔韌性好，易加工，目前已實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但其離子導(dǎo)電率低，有待提升。而中國大多選擇氧化物固態(tài)電池，主要特點是機(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，缺點是界面阻抗問題有待解決。美國則主要是以新創(chuàng)科技公司研發(fā)為主，不同技術(shù)路線均有涉及。

 

“由此可見，無論選擇哪種技術(shù)路線，都有相應(yīng)的技術(shù)與成本難點有待克服。”林澍文認(rèn)為，要在短期內(nèi)實現(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)路線則較為現(xiàn)實可行。近年來，日本、歐洲在全固態(tài)電池研究上領(lǐng)先，中國在半固態(tài)電池開發(fā)上世界領(lǐng)先。

 

“從固態(tài)電池行業(yè)競爭看，日本是用舉國體制發(fā)展全固態(tài)電池，起步較早，論證嚴(yán)謹(jǐn)；中國的優(yōu)勢則是上車量產(chǎn)快，迭代快，能實現(xiàn)量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲備一代。”李崢認(rèn)為，全固態(tài)電池新技術(shù)要真正被市場接受，不僅是技術(shù)問題，還有成本能否被市場接受的問題。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題。

 

“隨著多種技術(shù)路線的推進(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)用的時間正加速到來。”于冬生認(rèn)為，技術(shù)創(chuàng)新正在成為全固態(tài)電池領(lǐng)域競爭的制高點，各國都在大力進(jìn)行固態(tài)電池專利布局，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在持續(xù)推進(jìn)開發(fā)應(yīng)用的同時，應(yīng)更加重視專利布局，才能在國際競爭中擁有更多話語權(quán)，為全固態(tài)電池的上車應(yīng)用及產(chǎn)品走向全球夯實市場競爭的基礎(chǔ)。