中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，有關(guān)固態(tài)電池的大消息一個(gè)接著一個(gè)。
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(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，打造固態(tài)電解質(zhì)、半固態(tài)及全固態(tài)電芯研發(fā)和生產(chǎn)制造項(xiàng)目。
此前，全球電池巨頭寧德時(shí)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(jìn)展。
寧德時(shí)代獲得有關(guān)電池測試模具及電池測試裝置的固態(tài)電池實(shí)用新型專利授權(quán)。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(fù)制夾持件來進(jìn)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(jié)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(tuán)也著手?jǐn)U大布局。
其旗下電池公司PowerCo和美國初創(chuàng)公司QuantumScape宣布達(dá)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(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)引入更多車輛。
根據(jù)協(xié)議，在QuantumScape的固態(tài)電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)一定的進(jìn)步后，PowerCo將獲得基于QuantumScape技術(shù)平臺(tái)大規(guī)模生產(chǎn)電池的許可，并支付特許權(quán)使用費(fèi)。PowerCo每年可以使用QuantumScape的技術(shù)實(shí)現(xiàn)40GWh的產(chǎn)能，并可選擇將產(chǎn)量擴(kuò)展到80GWh。
以石入水，激起千層浪花。被冠以“下一代電池技術(shù)競爭的制高點(diǎn)”之稱的固態(tài)電池，再一次被推升至動(dòng)力儲(chǔ)能的風(fēng)口浪尖。
何以成為“未來向”技術(shù)
早有行業(yè)聲音傳來，之所以成為備受推崇的“未來向”技術(shù)，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(fù)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(jié)構(gòu)中。
作為能源儲(chǔ)存領(lǐng)域的新型技術(shù)，固態(tài)電池的正極、負(fù)極和電解質(zhì)均為固態(tài)，省略了電解液，電解質(zhì)鹽隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等材料，以金屬鋰代替負(fù)極，如此一來，整個(gè)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(dá)到400-900Wh/kg。另有行業(yè)人士表示，根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，固態(tài)電池能量密度可以達(dá)到傳統(tǒng)電池的4-5倍。
順應(yīng)電池小型化、輕量化趨勢，固態(tài)電解質(zhì)因本身即可傳導(dǎo)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(zhì)量。
實(shí)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(dāng)?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(zhì)易燃易揮發(fā)以及鋰枝晶現(xiàn)象，導(dǎo)致電池一旦受到?jīng)_擊或短路，或有失控爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而使用固態(tài)電解質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(chǔ)技術(shù)在全氣候、全場景、高安全使用的需求。
“全固態(tài)電池是公認(rèn)的下一代電池的首選方案之一，也將成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點(diǎn)?！敝袊茖W(xué)院院士、清華大學(xué)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(diǎn)。
競速戰(zhàn)打響
從電池技術(shù)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(shù)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(shù)爆發(fā)和產(chǎn)業(yè)周期調(diào)整都會(huì)帶來新的電池巨頭崛起。固態(tài)電池作為下一代電池技術(shù)路線，目前已成為海外企業(yè)迅速調(diào)轉(zhuǎn)攻堅(jiān)、實(shí)現(xiàn)突破的風(fēng)口和方向。
反應(yīng)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(zhì)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(dá)到1200公里；同年10月，其高調(diào)宣布，爭取在2027年至2028年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池進(jìn)入實(shí)用化階段。
據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)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(qǐng)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(shù)。
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(yù)定設(shè)置場所，并計(jì)劃于2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)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(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池等下一代電池技術(shù)的商用，到2030年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰電池的正式商業(yè)化應(yīng)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(yù)計(jì)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(yù)計(jì)于2026年推出聚合物全固態(tài)電池，并設(shè)定了2030年實(shí)現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池商業(yè)化的目標(biāo)；后者預(yù)計(jì)2025年在大田電池研究所建造全固態(tài)電池試驗(yàn)生產(chǎn)線，但暫時(shí)沒有量產(chǎn)時(shí)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(shí)現(xiàn)車端固態(tài)電池商業(yè)目標(biāo)。
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(shù)企業(yè)。
比如本文開篇提及的大眾對(duì)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(dá)成合作。
在美國于2021 年發(fā)布《鋰電池 2021-2030 年國家藍(lán)圖》中，已明確提出2030年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池規(guī)模化生產(chǎn)的目標(biāo)，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(guān)預(yù)期。
全球范圍內(nèi)，中國是新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域規(guī)模最為可觀的重要市場之一。除了已占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢的液態(tài)鋰離子電池領(lǐng)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(shí)代采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池，正極高鎳三元的克容量發(fā)揮可以達(dá)到230mAh/g，實(shí)現(xiàn)5mAh/cm2超高面容量；預(yù)計(jì)到2027年實(shí)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(dá)350Wh/kg，預(yù)計(jì)2027年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池小批量上車實(shí)驗(yàn)，2030年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
再比如欣旺達(dá)第一代能量密度400Wh/kg的全固態(tài)電池產(chǎn)品已實(shí)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(jì)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(jìn)相關(guān)研究。以廣汽集團(tuán)、上汽集團(tuán)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(jì)劃于2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
此外，中國科學(xué)院、清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也在積極推進(jìn)固態(tài)電池研究。不久前中國科學(xué)院青島生物能源與制程研究所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究小組在硫化物電解質(zhì)研究上取得新進(jìn)展，在硫化物軟包電池疊片技術(shù)上取得關(guān)鍵性突破，并計(jì)劃在2026年實(shí)現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池批次的量產(chǎn)。
今年5月，《中國日?qǐng)?bào)》曾報(bào)道，我國或投入約60億元，鼓勵(lì)有條件的企業(yè)對(duì)全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)開展研發(fā)。而此舉，實(shí)乃行業(yè)內(nèi)項(xiàng)目由政府相關(guān)部委牽頭實(shí)施的首例，重視程度可見一斑。
據(jù)CESA儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫不完全統(tǒng)計(jì)，今年上半年，我國固態(tài)電池新增擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目共計(jì)22個(gè)，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(shí)間集中在2026-2030年之間，但這多數(shù)只是理論推演下的預(yù)設(shè)。而從量產(chǎn)再到真正的規(guī)模化應(yīng)用，理想真的可以實(shí)現(xiàn)嗎？
理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的距離
理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的距離，最終還是由技術(shù)決定的。
事實(shí)上，從理論的提出時(shí)間來看，固態(tài)電池并不是一個(gè)新的概念，但多年來尚無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，主要還是無法突破材料技術(shù)、制備技術(shù)的瓶頸。
馬斯克就曾公開發(fā)表觀點(diǎn)，認(rèn)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(dǎo)材質(zhì)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(fù)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(zhuǎn)化策略，即電解液含量逐步下降，最終實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電解質(zhì)。
但這個(gè)做法，在行業(yè)內(nèi)頗具爭議。
據(jù)某車企的動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)室透露：5%的電解液含量實(shí)際對(duì)于半固態(tài)電解質(zhì)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(gè)技術(shù)路線沒有關(guān)系；在生產(chǎn)與技術(shù)方面，也沒有任何的繼承性。
此外，由于對(duì)傳統(tǒng)鋰電池設(shè)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(dāng)下無法規(guī)避的問題。
再有，從時(shí)間周期來看，固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室到最終的量產(chǎn)還需要不短的時(shí)間。正如液態(tài)鋰電池，自上世紀(jì)70年代，相關(guān)的理念和實(shí)驗(yàn)認(rèn)證就已齊頭并進(jìn)地推進(jìn)，但真正大規(guī)模的使用，已經(jīng)是20世紀(jì)末。
盡管寧德時(shí)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(shí)間，當(dāng)前仍存在諸多挑戰(zhàn)。
“固態(tài)電池可能是未來電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但也許不是最好的?！蹦承履茉雌髽I(yè)技術(shù)人員表示，“包括燃料電池、超級(jí)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?！倍^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(diǎn)。
對(duì)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(shí)間和實(shí)踐的驗(yàn)證。
