2021年，我國三元電池、磷酸鐵鋰電池單體能量密度分別平均達(dá)到280Wh/kg、170Wh/kg，相比2012年，動力電池單體能量密度提高2.2倍，成本下降85%左右。純電動乘用車的平均續(xù)駛里程也從2016年的253公里提高到2021年的400公里以上。
 

       能量密度提升，成本下降，車輛續(xù)駛里程提升，這是過去多年我國動力電池技術(shù)持續(xù)不斷突破創(chuàng)新的結(jié)果。

       我們看到，動力電池的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新層出不窮，CTP技術(shù)、CTC技術(shù)、CTB技術(shù)，比亞迪刀片電池、寧德時代麒麟電池、上汽魔方電池……電池工程師們在方寸之間用盡巧思努力將電池的集成度、體積能量密度進(jìn)一步拔高。

       與此同時，動力電池的材料創(chuàng)新也有了不少成果，包括寧德時代的鈉離子電池、M3P電池，麻省固能（SES）的混合鋰金屬電池，蜂巢的無鈷電池，廣汽的海綿硅負(fù)極片電池，以及不少企業(yè)正在研發(fā)的半固態(tài)和固態(tài)電池等等。

       而材料體系的創(chuàng)新是電池性能提升的關(guān)鍵。

       根據(jù)中國工程院院士吳鋒的說法，當(dāng)前，電池正極材料正在向無鎳、無鈷和低應(yīng)變穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)展，而負(fù)極則走向納米化、復(fù)合化、自修復(fù)和天然化。

       在電解質(zhì)方面，液態(tài)電解質(zhì)正向混合固液電解質(zhì)發(fā)展，未來終極形態(tài)是全固態(tài)電解質(zhì)。

       當(dāng)前行業(yè)較高的水平是，磷酸鐵鋰電池單體能量密度做到210Wh/kg，高鎳三元電池單體能量密度做到300Wh/kg，已經(jīng)逼近能量密度理論天花板。

       中國科學(xué)院院士歐陽明高表示，未來中國動力電池創(chuàng)新要從電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新逐步發(fā)展到材料體系創(chuàng)新。他預(yù)測，未來十年，電池體系還將經(jīng)歷三次技術(shù)變革，2035年前實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)能量密度為500Wh/kg的下一代電池。

       加拿大皇家工程院院士、福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長張久俊認(rèn)為，未來能量密度能達(dá)到≥500Wh/kg的鋰電池，主要有三種：鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰二氧化碳電池。

       他對下一代鋰電池發(fā)展路線作出了這樣的判斷：“現(xiàn)在是磷酸鐵鋰和三元鋰電池，2022-2025年是固態(tài)電池和鋰硫電池，2025-2030年要做鋰空氣電池。”

       相比目前的磷酸鐵鋰和三元鋰電池，下一代電池的理論能量密度有數(shù)倍的提升：固態(tài)電池可達(dá)700Wh/kg，鋰硫電池可達(dá)2600Wh/kg，鋰空氣電池可達(dá)3500Wh/kg。

       當(dāng)前，半固態(tài)電池已經(jīng)量產(chǎn)上車，全固態(tài)電池的規(guī)模化上車估計(jì)要到2025年之后，甚至2030年；

       鋰硫電池已經(jīng)在電動飛機(jī)、無人機(jī)上初步實(shí)現(xiàn)搭載，處于產(chǎn)業(yè)化前夕；

       鋰空氣電池尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，比如日本研發(fā)人員已經(jīng)研發(fā)出能量密度為500Wh/kg的鋰空氣電池。

半固態(tài)電池量產(chǎn)上車，全固態(tài)電池還遙遠(yuǎn)
 

       歐陽明高指出，在技術(shù)創(chuàng)新方面，全固態(tài)電池最值得重視。

       固態(tài)電池的能量密度能輕松做到300-400Wh/kg，理論上的能量密度可達(dá)700Wh/kg。

       按照電解質(zhì)來分，可將固態(tài)電池技術(shù)路徑分為：聚合物、氧化物、硫化物。三種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前氧化物固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展最快，其次是硫化物電解質(zhì)，氧化物的綜合發(fā)展性較為均衡。

       日本和韓國主要押注硫化物路線。中國電池企業(yè)中，衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)等走的是氧化物路線，寧德時代走的是硫化物路線。

       全世界擁有硫化物全固態(tài)電池專利數(shù)量最多的企業(yè)是豐田，它計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的車輛前裝，2030年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。韓國的LG新能源和SK On目標(biāo)也是在2030年左右開始大規(guī)模生產(chǎn)全固態(tài)電磁。

       中國企業(yè)的半固態(tài)電池已經(jīng)有了階段性研發(fā)成果。

       今年1月，東風(fēng)汽車與贛鋒鋰業(yè)合作開發(fā)的首批50輛東風(fēng)-贛鋒高比能固態(tài)電池車完成交付，投入運(yùn)營。說是固態(tài)，其實(shí)準(zhǔn)確來說是半固態(tài)。作為贛鋒鋰業(yè)第一代固態(tài)電池，其能量密度約為260Wh/kg，公司第二代固態(tài)電池，能量密度將達(dá)到360Wh/kg。

       今年5月，國軒高科發(fā)布了一款半固態(tài)電池，能量密度達(dá)到360Wh/kg，將在今年年底量產(chǎn)上車。這款電芯，正極材料顆粒表面包覆有固態(tài)電解質(zhì)，同時使用高安全的液態(tài)電解質(zhì)、新型高安全功能隔膜及硅負(fù)極。此外，其400Wh/Kg的三元半固態(tài)電池目前已有原型樣品。

       衛(wèi)藍(lán)新能源開發(fā)出的混合固液電解質(zhì)電池將搭載于蔚來ET7上，單體能量密度為360Wh/kg，電池包容量達(dá)150kWh。車型單次充電續(xù)航1000公里，將于今年第四季度開始交付。

       孚能科技的半固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用了高比能硅碳復(fù)合材料作為電池負(fù)極材料，能量密度達(dá)到330Wh/kg。

       目前來看，2022年會是半固態(tài)電池量產(chǎn)上車元年，而業(yè)內(nèi)公認(rèn)的全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化時間應(yīng)該是在2025年之后，甚至在2030年。

       蜂巢能源在國內(nèi)率先完成20Ah級硫系全固態(tài)原型電芯的研發(fā)。該系列電芯能量密度大于350Wh/kg，順利通過針刺、200℃熱箱等實(shí)驗(yàn)。

       今年8月5日，汽車商業(yè)評論參觀無錫蜂巢能源全球鋰電創(chuàng)新中心全固態(tài)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)場播放的視頻顯示，實(shí)驗(yàn)人員將一個軟包固態(tài)電池電芯拿在手里，剪開一角，用火燒，完全沒有任何起火冒煙現(xiàn)象，再剪一刀繼續(xù)燒，仍然沒有任何異常反應(yīng)。

       目前蜂巢能源的全固態(tài)實(shí)驗(yàn)室已具備固態(tài)電解質(zhì)材料的公斤級自主合成、固態(tài)電解質(zhì)膜連續(xù)化制備、全固態(tài)軟包電芯組裝以及新設(shè)備開發(fā)等自主研發(fā)能力，已申請109項(xiàng)專利，其中發(fā)明專利93項(xiàng)。

       中科院物理研究所研究員、衛(wèi)藍(lán)新能源創(chuàng)始人李泓在2022世界動力電池大會上表示，按照目前的發(fā)展速度，全固態(tài)電池最快在2026~2027年才能達(dá)到10GWh的量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

       他稱，目前全固態(tài)電池的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和原料還沒有形成確定的體系，也沒有形成中試以上的供應(yīng)鏈。

       相比之下，日韓已經(jīng)展開了上游固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)布局。

       2021年10月，日本三井金屬宣布建成年產(chǎn)10噸級的硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)線。這是世界上第一條硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料的噸級生產(chǎn)線。

       今年3月，三星SDI宣布開始建設(shè)世界第一條全固態(tài)電池生產(chǎn)線。韓國浦項(xiàng)制鐵公司為其配套建設(shè)年產(chǎn)能24噸級的硫化物材料生產(chǎn)線。

鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化可期
 

       今年3月，德國鋰硫電池初創(chuàng)公司Theion宣布其產(chǎn)品水晶電池即將面市。

       Theion將硫的晶體材料特性與碳納米管和特制的固體電解質(zhì)相結(jié)合，該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的水晶電池與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，能量密度和續(xù)航時間增加了3倍，整體成本下降了大約1/3。不過，水晶電池的循環(huán)次數(shù)（500次左右）還遠(yuǎn)低于當(dāng)前三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。

       這是Theion的第一代商用鋰硫電池，能量密度達(dá)到500Wh/kg。該公司的目標(biāo)是：2023年，把第二代技術(shù)將鋰硫電池的能量密度提高到 700Wh/kg；2024年，將第三代能量密度高達(dá)1000Wh/kg的鋰硫電池用于電動汽車。

       鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。它的反應(yīng)機(jī)理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機(jī)理，而是電化學(xué)機(jī)理。

       單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，價(jià)格低廉，環(huán)境友好。鋰硫電池的理論能量密度高達(dá)2600Wh/kg。人們對其的研究自20世紀(jì)70年代就開始了。

       在2022世界動力電池大會上，加拿大皇家工程院院士、福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長張久俊指出，“鋰硫電池的主要問題就是正極硫的導(dǎo)電性較差，充放電過程中體積膨脹比較大，穿梭效應(yīng)比較明顯，還有就是鋰負(fù)極的安全性問題等。主要的改良策略是在硫正極、隔膜、電解質(zhì)等幾個方面。”

       目前，鋰硫電池已經(jīng)開始了初步的產(chǎn)業(yè)化。

       2021年4月，英國Oxis Energy公司推出用于電動飛機(jī)的高性能固態(tài)鋰硫電池。其第一代準(zhǔn)固態(tài)鋰硫電池單體比能量達(dá)到450Wh/kg。據(jù)公司初步推測，2023年秋，固態(tài)鋰硫電池相關(guān)性能指標(biāo)可提高到550Wh/kg，2026年可提高到600Wh/kg。

       不過就在當(dāng)年，Oxis Energy就被傳瀕臨破產(chǎn)、專利被拍賣、裁員。作為全球較早涉足鋰硫電池領(lǐng)域的技術(shù)企業(yè)，Oxis Energy的處境也說明了鋰硫電池的商用化之路并不好走。

       2021年，LG新能源電動汽車開發(fā)中心負(fù)責(zé)人崔勝東(Choi Seung-don)透露，公司計(jì)劃在2025年年底實(shí)現(xiàn)鋰硫電池商業(yè)化，并在2025年至2027年間實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，“鋰硫電池可能比全固態(tài)電池更早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化”。此前，LG新能源的鋰硫電池已經(jīng)裝配無人機(jī)進(jìn)行性能測試，能量密度410Wh/kg。

       國內(nèi)也有不少高校、科研院所、公司在進(jìn)行鋰硫電池的產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化初探工作，包括中科院、上海大學(xué)、陜西國能新材料公司、南京驪電新能源公司、江蘇合志新能源公司、鋒鋰新能源材料公司等。

       中國工程院院士吳鋒透露：北理工科研團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)筑反應(yīng)、強(qiáng)化界面、抑制枝晶生長等對策，研發(fā)出的鋰硫電池能量密度達(dá)到651Wh/kg。這項(xiàng)高性能鋰硫電池催化材料方面的研究成果今年4月刊登在材料類頂級國際期刊《先進(jìn)材料》上。

       可以看出，盡管鋰硫電池技術(shù)還存在一些待破解的難題，但已初步成熟，產(chǎn)業(yè)化可期。