固態(tài)電池：顛覆性革命的彷徨、掣肘與變數(shù)
時(shí)間:2024-04-22 09:54來(lái)源:21能聞 作者:林典馳
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近日，中國(guó)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(jìn)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(jí)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(jí)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(shí)，蔚來(lái)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(dòng)力電池———固態(tài)電池開(kāi)始從理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
固態(tài)電池被譽(yù)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(dòng)力電池的一場(chǎng)顛覆性革命。
相關(guān)報(bào)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(duì)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(jī)械性能，對(duì)鋰枝晶具有更好的抑制作用，進(jìn)而提高電池的安全性。
不過(guò)，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(wèn)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(jì)報(bào)道記者采訪時(shí)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(jìn)擊
在智己L6上市前，面對(duì)半固態(tài)還是固態(tài)電池的質(zhì)疑時(shí)，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(diǎn)認(rèn)為，半固態(tài)電池直面市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，讓其先行接受市場(chǎng)檢驗(yàn)，有益于推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)需求逐步上升，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展有望提速。
與液態(tài)鋰電池領(lǐng)域形成寧德時(shí)代和比亞迪兩大絕對(duì)龍頭不同，固態(tài)電池還尚未出現(xiàn)絕對(duì)龍頭，廣汽埃安、長(zhǎng)安汽車、大眾、豐田等多家車企均將觸角伸向固態(tài)電池。
動(dòng)力電池占到整車成本的40%以上，車企擺脫或減少對(duì)動(dòng)力電池廠商依賴的意愿強(qiáng)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(jìn)度目標(biāo)，以期最終推動(dòng)固態(tài)電池平價(jià)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(kāi)發(fā)固態(tài)電池的意愿強(qiáng)烈。
不過(guò)，頭部公司對(duì)固態(tài)電池的態(tài)度卻表現(xiàn)得相當(dāng)克制，國(guó)內(nèi)一家新能源主機(jī)廠有關(guān)人士向 21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，“由于自身新能源汽車的電池裝機(jī)量較大，頭部車企對(duì)大規(guī)模固態(tài)電池上車不得不謹(jǐn)慎對(duì)待。”
實(shí)際上，電池巨頭寧德時(shí)代（300750.SZ）至今未發(fā)布半固態(tài)和全固態(tài)電池，僅推出過(guò)一款凝聚態(tài)電池。
曾毓群曾在公開(kāi)場(chǎng)合表示，“寧德時(shí)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(huì)有很大優(yōu)勢(shì)，要將這種電池推向市場(chǎng)還有很多困難。”
同樣，盡管比亞迪（002594.SZ）早在2016年以前就開(kāi)始投入固態(tài)電池的研發(fā)工作，但截至目前尚未公開(kāi)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(jī)測(cè)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(dòng)汽車自燃起火和低溫掉電兩大核心痛點(diǎn)———令業(yè)界對(duì)此無(wú)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(shì)。”曾佑鵬表示。
公開(kāi)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(shí)驗(yàn)室披露的數(shù)據(jù)則更高，德國(guó)促進(jìn)可持續(xù)物理技術(shù)研究會(huì)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(jìn)現(xiàn)實(shí)必須克服一個(gè)巨大障礙，那就是固態(tài)電池技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)。”彭博新能源財(cái)經(jīng)儲(chǔ)能分析師史家琰在接受記者采訪時(shí)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(jià)達(dá)到33萬(wàn)元；蔚來(lái)ET7搭載150kwh電池包實(shí)際續(xù)航達(dá)到1044公里，該電池包正是蔚來(lái)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(jià)接近30萬(wàn)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(huì)帶來(lái)成本的提高。
當(dāng)前磷酸鐵鋰仍占據(jù)7成的市場(chǎng)份額，主機(jī)廠對(duì)電池成本將“銖銖校量”，半固態(tài)電池高昂成本，應(yīng)該會(huì)讓不少主機(jī)廠商對(duì)其搭載望而卻步。
量產(chǎn)變數(shù)
量產(chǎn)難度過(guò)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(lái)看，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化需要在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將半固態(tài)電池作為過(guò)渡性方案。
實(shí)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(shí)間表已經(jīng)推遲到2028年。LG新能源則預(yù)計(jì)2030年實(shí)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(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化預(yù)計(jì)短則需要2年，長(zhǎng)則5-6年時(shí)間。
3月15日，在寧德時(shí)代的2023年報(bào)業(yè)績(jī)解讀會(huì)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(wèn)題待解決，如大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)中的離子擴(kuò)散速率與液態(tài)電解質(zhì)存在數(shù)量級(jí)差異、固固界面難以始終保持良好接觸等。
去年年底，“寧德時(shí)代固態(tài)電池可能在2027-2030年量產(chǎn)。”寧德時(shí)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(wèn)題主要有兩方面。一是鋰枝晶問(wèn)題，鋰枝晶生長(zhǎng)是一個(gè)大問(wèn)題，一短路就導(dǎo)致失效。寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)了界面增強(qiáng)技術(shù)，讓鋰枝晶相對(duì)比較均勻，不容易形成枝晶；二是固溶性的問(wèn)題，因?yàn)槎际枪虘B(tài)，顆粒材料分離，密度就變大。寧德時(shí)代也開(kāi)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(huì)引起電池火災(zāi)甚至爆炸的‘鋰枝晶’仍然會(huì)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(dòng)安全）仍需要科學(xué)研究來(lái)進(jìn)一步突破。”史家琰表示。
在此前的直播中，蔚來(lái)CEO李斌坦言自家半固態(tài)電池“象征意義大于實(shí)際意義”，但發(fā)展固態(tài)電池有其必要性，人類何時(shí)能夠拿下固態(tài)電池這座“圣杯”尚待時(shí)日。中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)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(guò)，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(gè)積極信號(hào)。天賜材料（002709.SZ）最新回復(fù)投資者提問(wèn)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(jìn)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(cè)試及生產(chǎn)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)噸級(jí)量產(chǎn)和銷售，客戶反饋良好。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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固態(tài)電池
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