固態(tài)電池：顛覆性革命的彷徨、掣肘與變數(shù)

時間:2024-04-22 09:54來源:21能聞 作者:林典馳
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近日，中國科學(xué)院青島能源研究所發(fā)布消息，稱其硫化物電解質(zhì)研究取得新進展，打通了硫化物全固態(tài)電池的大型車載電池制作工藝的最后一道難關(guān)。
 
目前，該所已建成公斤級硫化物電解質(zhì)批量制備中試線一條，能夠?qū)崿F(xiàn)公斤級穩(wěn)定制備，并搭建了全固態(tài)電池小試制備線。
 
眼下，固態(tài)電池炙手可熱，“準(zhǔn)900V超快充固態(tài)電池”、“輕松做到1000公里續(xù)航”等抓人眼球的言論廣為流傳，備受矚目。
 
與此同時，蔚來150kWh電池包下線，智己發(fā)布搭載“第一代光年固態(tài)電池”，廣汽發(fā)布全固態(tài)電池技術(shù)，這一切令人感到下一代動力電池———固態(tài)電池開始從理想照進現(xiàn)實。
 
固態(tài)電池被譽為電池技術(shù)的“圣杯”，能量密度和循環(huán)次數(shù)數(shù)倍于傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池，困擾新能源汽車的續(xù)航焦慮和熱失控難題或?qū)氐捉鉀Q。
 
也正是因此，固態(tài)電池被視為動力電池的一場顛覆性革命。
 
相關(guān)報告指出，全固態(tài)電池中的電解質(zhì)為固體，不易揮發(fā)或燃燒，且對溫度穩(wěn)定，不易分解，被認(rèn)為是高度安全的；固態(tài)電解質(zhì)具有更好的穩(wěn)定性和機械性能，對鋰枝晶具有更好的抑制作用，進而提高電池的安全性。
 
不過，業(yè)內(nèi)人士指出，固態(tài)電池真正面向大眾仍有諸多“鴻溝”，固態(tài)電池制備工藝還未完善，現(xiàn)有工藝中固態(tài)電池需要比傳統(tǒng)鋰離子電池多至少20%的鋰，固態(tài)電池鋰枝晶等問題還未解決。
 
TrendForce集邦咨詢分析師曾佑鵬在接受21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者采訪時表示，“目前固態(tài)電池還未真正量產(chǎn)，市面上宣稱已量產(chǎn)固態(tài)電池的主要指半固態(tài)電池，距離真正的全固態(tài)電池量產(chǎn)落地，背后還需要攻克較多的工程和技術(shù)難題。”
 
固態(tài)電池彷徨進擊
 
在智己L6上市前，面對半固態(tài)還是固態(tài)電池的質(zhì)疑時，智己有關(guān)人士明確表示，“使用固態(tài)電解質(zhì)的就是固態(tài)電池”。
 
但是，檢視其供應(yīng)商清陶能源生產(chǎn)的所謂的固態(tài)電池卻可以發(fā)現(xiàn)，該公司第一代、第二代產(chǎn)品中仍然有少量液體，5%~15%的液體含量表明，其與理想中的固態(tài)電池仍有差距。
 
有觀點認(rèn)為，半固態(tài)電池直面市場競爭，讓其先行接受市場檢驗，有益于推進產(chǎn)業(yè)鏈，促進需求逐步上升，產(chǎn)業(yè)化進展有望提速。
 
與液態(tài)鋰電池領(lǐng)域形成寧德時代和比亞迪兩大絕對龍頭不同，固態(tài)電池還尚未出現(xiàn)絕對龍頭，廣汽埃安、長安汽車、大眾、豐田等多家車企均將觸角伸向固態(tài)電池。
 
動力電池占到整車成本的40%以上，車企擺脫或減少對動力電池廠商依賴的意愿強烈，以至于在固態(tài)電池上“反客為主”，參與固態(tài)電池的產(chǎn)品研發(fā)，把控研發(fā)目標(biāo)、進度目標(biāo)，以期最終推動固態(tài)電池平價上車。
 
技術(shù)資料表明，固態(tài)電池的能量密度和循環(huán)次數(shù)秒殺液態(tài)鋰電池。隨著液態(tài)鋰電池日益逼近350Wh/kg理論極限值，疊加鋰電池?zé)o法消除熱失控等安全隱患，業(yè)界加快開發(fā)固態(tài)電池的意愿強烈。
 
不過，頭部公司對固態(tài)電池的態(tài)度卻表現(xiàn)得相當(dāng)克制，國內(nèi)一家新能源主機廠有關(guān)人士向 21 世紀(jì)經(jīng)濟報道記者表示，“由于自身新能源汽車的電池裝機量較大，頭部車企對大規(guī)模固態(tài)電池上車不得不謹(jǐn)慎對待。”
 
實際上，電池巨頭寧德時代（300750.SZ）至今未發(fā)布半固態(tài)和全固態(tài)電池，僅推出過一款凝聚態(tài)電池。
 
曾毓群曾在公開場合表示，“寧德時代已經(jīng)在這方面投資了10年，固態(tài)電池只有在使用新型化學(xué)材料、負(fù)極電極使用純鋰金屬的情況下才會有很大優(yōu)勢，要將這種電池推向市場還有很多困難。”
 
同樣，盡管比亞迪（002594.SZ）早在2016年以前就開始投入固態(tài)電池的研發(fā)工作，但截至目前尚未公開推出與固態(tài)電池相關(guān)的產(chǎn)品。
 
此前，曾數(shù)度傳出比亞迪固態(tài)電池完成裝機測試的消息，但這一傳聞隨即被官方否認(rèn)。
 
高成本掣肘
 
固態(tài)電池相較傳統(tǒng)液態(tài)電池的技術(shù)顛覆性——有效解決電動汽車自燃起火和低溫掉電兩大核心痛點———令業(yè)界對此無限憧憬。
 
“從理論上看，固態(tài)電池由于完全取消了易燃的液態(tài)電解質(zhì)，取而代之的是熱穩(wěn)定性高，不易燃的固體電解質(zhì)，在本征安全上比鋰離子電池更具優(yōu)勢。”曾佑鵬表示。
 
公開信息顯示，磷酸鐵鋰電池的能量密度一般在100Wh/kg~180Wh/kg，三元鋰電池的能量密度通常在150Wh/kg~250Wh/kg，固態(tài)電池則是其數(shù)倍的能量密度。
 
智己L6搭載的固態(tài)電池單體能力密度達(dá)到368Wh/kg，續(xù)航可以達(dá)到1000公里。
 
實驗室披露的數(shù)據(jù)則更高，德國促進可持續(xù)物理技術(shù)研究會研發(fā)的固態(tài)鈉硫電池能量密度達(dá)1000Wh/kg，太藍(lán)新能源成功研發(fā)出720 Wh/kg的全固態(tài)鋰金屬原型電芯。
 
但是，固態(tài)電池要從理想照進現(xiàn)實必須克服一個巨大障礙，那就是固態(tài)電池技術(shù)的經(jīng)濟性問題。
 
與大多數(shù)處于培育期的產(chǎn)業(yè)一樣，“目前固態(tài)電池最主要的缺點是固態(tài)電解質(zhì)的成本仍然很高，這其中包括材料成本和制造成本。另外，固態(tài)電池的化學(xué)路徑?jīng)]有統(tǒng)一，這導(dǎo)致規(guī)模降本效應(yīng)在當(dāng)前還很難實現(xiàn)。”彭博新能源財經(jīng)儲能分析師史家琰在接受記者采訪時如此表示。
 
據(jù)了解，智己L6搭載固態(tài)電池的版本整車售價達(dá)到33萬元；蔚來ET7搭載150kwh電池包實際續(xù)航達(dá)到1044公里，該電池包正是蔚來與北京衛(wèi)藍(lán)新能源有限公司聯(lián)合研發(fā)的半固態(tài)電池，造價接近30萬元。
 
史家琰表示，僅從鋰的角度考慮，以目前的制造工藝，固態(tài)電池比傳統(tǒng)鋰離子電池要多耗用至少20%的鋰，這部分鋰必然會帶來成本的提高。
 
當(dāng)前磷酸鐵鋰仍占據(jù)7成的市場份額，主機廠對電池成本將“銖銖校量”，半固態(tài)電池高昂成本，應(yīng)該會讓不少主機廠商對其搭載望而卻步。
 
量產(chǎn)變數(shù)
 
量產(chǎn)難度過高是2024年固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化提速必須跨越的最大技術(shù)障礙。目前來看，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化需要在很長時間內(nèi)將半固態(tài)電池作為過渡性方案。
 
實際上，即便于 2012年就已著手固態(tài)電池研發(fā)的豐田汽車，其商業(yè)化落地也是屢屢跳票，最新的時間表已經(jīng)推遲到2028年。LG新能源則預(yù)計2030年實現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)，三星SDI預(yù)期2027年投入量產(chǎn)。
 
曾佑鵬稱，半固態(tài)電池已經(jīng)出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并裝車應(yīng)用，但全固態(tài)電池實現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化預(yù)計短則需要2年，長則5-6年時間。
 
3月15日，在寧德時代的2023年報業(yè)績解讀會上，曾毓群便表示，固態(tài)電池距離變成商品還很遠(yuǎn)，技術(shù)路線上還有很多亟待克服的困難，如果能夠變成商品路線，距離也很遠(yuǎn)，但也表示“最近加大了很多投入”。
 
固態(tài)電池有3條技術(shù)路線，即氧化物路線、硫化物路線及聚合物路線。
 
曾毓群表示，目前還有很多基本的科學(xué)問題待解決，如大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)中的離子擴散速率與液態(tài)電解質(zhì)存在數(shù)量級差異、固固界面難以始終保持良好接觸等。
 
去年年底，“寧德時代固態(tài)電池可能在2027-2030年量產(chǎn)。”寧德時代首席科學(xué)家吳凱曾表示，一定程度上代表了這家電池巨頭的態(tài)度。
 
吳凱稱，現(xiàn)在遇到的問題主要有兩方面。一是鋰枝晶問題，鋰枝晶生長是一個大問題，一短路就導(dǎo)致失效。寧德時代開發(fā)了界面增強技術(shù)，讓鋰枝晶相對比較均勻，不容易形成枝晶；二是固溶性的問題，因為都是固態(tài)，顆粒材料分離，密度就變大。寧德時代也開發(fā)了雙相導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提升固態(tài)界面的穩(wěn)定性。
 
“目前一些研究表明，會引起電池火災(zāi)甚至爆炸的‘鋰枝晶’仍然會在一定條件下在半固態(tài)甚至全固態(tài)電池中生成。固態(tài)電池自身的本征安全（或者主動安全）仍需要科學(xué)研究來進一步突破。”史家琰表示。
 
在此前的直播中，蔚來CEO李斌坦言自家半固態(tài)電池“象征意義大于實際意義”，但發(fā)展固態(tài)電池有其必要性，人類何時能夠拿下固態(tài)電池這座“圣杯”尚待時日。中國科學(xué)院院士歐陽明高則指出，“全固態(tài)電池目前面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學(xué)科特性，技術(shù)門檻極高。”
 
不過，固態(tài)電解質(zhì)等固態(tài)電池相關(guān)材料投產(chǎn)提速卻是個積極信號。天賜材料（002709.SZ）最新回復(fù)投資者提問稱，公司半固態(tài)電解質(zhì)及氧化物與硫化物全固態(tài)電解質(zhì)已進入小試到中試階段；新宙邦也表示，已建立全體系固態(tài)電解質(zhì)材料研發(fā)、測試及生產(chǎn)平臺，并實現(xiàn)噸級量產(chǎn)和銷售，客戶反饋良好。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 固態(tài)電池
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