中國儲能網訊：上周，豐田電動汽車部門BEV Factory總裁加藤武郎宣布，4年后，豐田將開啟“充電10分鐘、行駛1200公里”的新電動汽車時代。
在說明會現(xiàn)場，豐田展示了兩款鋰離子電池新品。其中“性能版”電池通過對能量密度的改進來提升車輛續(xù)航，據(jù)稱可實現(xiàn)1000km續(xù)航，快充20分鐘即可達到80%電量，成本可降低20%；“普及版”則采用了目前搭載于HEV車型上的雙極性鎳氫電池的雙極結構，續(xù)航里程比以往車型增加20%，快充30分鐘可將電量充至80%，成本降低40%。
曾幾何時，“固態(tài)電池普及之日，就是燃油車退出歷史舞臺之時”的豪言在耳。但如今，一家車企推出小批量試驗版的固態(tài)電池已經無法在業(yè)內引起太大波動，“跳票”劣跡累累的固態(tài)電池在很多人心中已經成了黃粱一夢，甚至有人斷言，半固態(tài)電池就是電池“進化”的終點了。
那么，固態(tài)電池到底是什么？它又為何從資本青睞的完美電池變成可望而不可即的“高嶺之花”？
我們現(xiàn)在通常所用的鋰離子電池，都是由正極、負極、隔膜和電解液組成的。傳統(tǒng)的鋰離子電池和其他類型的電池通常使用液體或凝膠電解質來傳遞離子，而固態(tài)電池，顧名思義，就是使用固體電極和電解質，代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體或凝膠電解質的電池。
商業(yè)上使用的鋰離子電池有一個隔板，用液體電解質溶液將陰極和陽極分開。而在固態(tài)電池中，正極、負極和固態(tài)電解質被連續(xù)堆疊在一起，形成一個固定的單元。具有固體電解質的固態(tài)電池顯示出更高的穩(wěn)定性和固體結構，提高了安全性。
從應用方面來看，液態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)在已經到了一個“極限”值。
磷酸鐵鋰電池的能量密度一般在140-160wh/kg；三元鋰電池的能量密度則是在200-300Wh/kg。
但是，如果想要進一步達到1000km續(xù)航里程，B級電動汽車理論上需裝配容量為150度的電池包，電芯的能量密度需達到400Wh/kg以上，循環(huán)壽命應支撐10-20年的服役時長；航空級電芯循環(huán)壽命需達到2000次以上?？梢哉f，400Wh/kg、2000次穩(wěn)定循環(huán)，這兩個關鍵數(shù)據(jù)可以使二次電池真正成為現(xiàn)代交通電動化進程中的共性關鍵技術。然而，現(xiàn)有的電池體系，無法同時滿足高能量密度、高安全、長循環(huán)的性能要求。
同時，液態(tài)電池的電解液溶劑具有易揮發(fā)、低閃點的特點，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性，負極表面還容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負極短路，導致電池起火。
與之相對的，全固態(tài)電池由于采用了不可燃的固態(tài)電解質取代易燃、易爆的有機電解液，有望在高能量密度的條件下實現(xiàn)高安全和長循環(huán)。相對于傳統(tǒng)電池，固態(tài)電解質具有更高的離子導電性，能夠更快地傳遞離子，在低溫環(huán)境下的性能也更好，不像液體電解質那樣容易受到低溫影響。
中科院院士歐陽明高教授曾公開表示：“在現(xiàn)有的各種探索中，最有可能成為下一代動力電池的就是固態(tài)鋰電池?！?br />
普遍認為，固態(tài)電池的優(yōu)點體現(xiàn)在這幾個方面。
安全性好。液態(tài)電解質的電池易燃易爆，容易造成安全隱患。固態(tài)電解質相較于目前普遍使用的電解液具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會在高溫下發(fā)生副反應等。大電流下工作不會因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導致短路，不會在高溫下發(fā)生副反應，不會因產生氣體而發(fā)生燃燒。
能量密度高。全固態(tài)電解質電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大大減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。固態(tài)電池允許適配高能正極與鋰金屬負極，目前固態(tài)電池的實驗室數(shù)據(jù)已超過400Wh/kg，突破傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的能量密度天花板。
循環(huán)壽命長。固態(tài)電解質解決了液態(tài)電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，大幅提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命，理想情況能夠達到45000次左右。
這些優(yōu)點使得車企試圖在電動汽車上復制手機的“快充”技術時，都需要選擇固態(tài)電池路線。
固態(tài)電池的發(fā)展早在1950年代已經開始，但是，第一代固態(tài)電池的能量密度和電池組電壓都很低，而且內阻非常高。
從1970年代開始，出現(xiàn)了一些具有高離子導電率的固態(tài)電解質，1983年出現(xiàn)了使用氮化鋰作為固態(tài)電解質構建的、循環(huán)壽命超過200次的固態(tài)鋰金屬電池；同年出現(xiàn)的固態(tài)薄膜電池則實現(xiàn)了2000次長循環(huán)。隨后，多種氧化物、硫化物及聚合物固態(tài)電解質材料相繼被發(fā)現(xiàn)，2011年發(fā)現(xiàn)的硫化物電解質LGPS具有與液態(tài)電解質相當?shù)碾x子導電率，是全固態(tài)電池發(fā)展歷史上的重要里程碑。
2021年，哈佛大學李鑫、葉露涵團隊研究的“三明治”結構的固態(tài)電解質達到了充放電循環(huán)1萬次、最快3分鐘充滿電。2022年，劉思捷等人制備了柔性、高電導的復合固態(tài)電解質薄膜，實現(xiàn)了全固態(tài)紐扣電池2萬次的超長循環(huán)。
然而，歷經幾十年的研究，各家企業(yè)的商業(yè)化大規(guī)模生產固態(tài)電池計劃卻一再“跳票”延遲?？梢娖浼夹g還面臨著一些現(xiàn)實問題需要突破。
固態(tài)電解質作為全固態(tài)電池的核心材料，研究其體相與表界面的鋰離子輸運機制至關重要。這是進一步提升離子導電率、創(chuàng)制新型固態(tài)電解質材料、改善全固態(tài)電池性能、推動固態(tài)離子學科發(fā)展的科學基礎。
而高機械強度的固態(tài)電解質其實仍然難以完全抑制鋰金屬枝晶的生長，造成全固態(tài)電池的快速容量衰減與安全隱患。固態(tài)電池的界面阻抗過大，固態(tài)電解質與電極材料之間的是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，因此電極與電解質之間的有效接觸較弱，離子在固體物質中傳輸動力學低，也就會造成界面阻抗過大的問題。厘清鋰金屬在固-固界面的界面電化學過程及其枝晶生長過程是實現(xiàn)高比容鋰金屬負極長效穩(wěn)定循環(huán)的先決條件。
全固態(tài)電池中的離子輸運、界面電化學等物理化學過程具有鮮明的多場耦合特征，也就是溫度場、應力場、濕度場等多個物理場的疊加問題。因此，全面考量多場耦合效應，建立真實工況下全固態(tài)電池復雜體系的物理化學模型，揭示其多場耦合下的失效、失控機制是優(yōu)化全固態(tài)電池電化學性能的重要科學支撐。
此外，從實驗室到規(guī)?；圃?，也依然存在著很多問題。制造固態(tài)電池是一個大工程，不僅意味著成本管理的重新考量，更重要的是整個供應鏈條、生產線的重新設計。各家企業(yè)面臨的問題也是五花八門。
2021年，曾經信誓旦旦表示固態(tài)鋰電池會在2023年量產的美國電動汽車公司Fisker，宣布徹底放棄固態(tài)電池計劃，原因是無法落地。其創(chuàng)始人無奈地接受了當初雄心勃勃的尷尬，“固態(tài)電池是一種這樣的技術，當你覺得你已經完成了90%，幾乎達到目標時，然后你意識到剩下的10%比前面的90%困難得多。”
而另一家成功將固態(tài)電池規(guī)?；\作的法國公司博洛雷，其固態(tài)電池能量密度僅有100Wh/kg，遠遠低于市場預期。2019年，這一項目正式宣布破產。
今年早些時候，豐田首席技術官前田正彥對媒體表示，“坦率地說，情況并不樂觀?！币驗椋聦嵶C明，硫化物固態(tài)電池的開發(fā)非常復雜，對于液態(tài)電解質，所需要的只是浸入電極，但是固體電解質則需要特殊的技術粘合材料。
此外，還有宣布與大眾合作啟動生產線建設的明星企業(yè)QuantumScape，宣稱其固態(tài)電池預計在2025年可投產，但是其采用的無機氧化物固態(tài)電解質層，重量是傳統(tǒng)鋰電隔膜的10倍以上，由于固態(tài)電解質離子電導率低，影響了放電倍率和低溫工況下的性能，該公司不得不在電池正極側添加不少于20%質量的氧化物提供離子電導。這些非活性物質的增加，使得電池的能量密度降低，有媒體報道，QuantumScape電池能量密度可能還不到350Wh/kg，很難達到固態(tài)電池理論能量密度的峰值水平。其安全性也令人生疑，當提到該公司造出并交付給汽車客戶的首批原型固態(tài)電池時，其創(chuàng)始人、CEO兼董事長Jagdeep Singh提到這批電池產品的可靠性“仍有很大提升空間”。
同時，在生產方面，固態(tài)電池對材料的加工精度要求也很高。QuantumScape研發(fā)的固態(tài)電池，大尺寸、超薄陶瓷制備、800℃燒結成型、表面目視無缺陷的苛刻要求，讓良品率非常低。
面對這些商業(yè)化難題，國內不少廠商另辟蹊徑，走出了一條液態(tài)、半固態(tài)到全固態(tài)的發(fā)展路線。
衛(wèi)藍新能源、SES、浙江鋒鋰等電池廠商就從全固態(tài)轉向了半固態(tài)的典型代表。今年3月，衛(wèi)藍新能源首席科學家、創(chuàng)始人李泓曾透露，衛(wèi)藍新能源開發(fā)了一款混合固液電解質動力電池，將在蔚來ET7車型上量產應用。據(jù)了解，其單次充電1000km，電池包電量達到150kWh，單體能量密度達到360Wh/kg。寧德時代前段時間在上海車展中正式發(fā)布的凝聚態(tài)電池，也算是半固態(tài)電池，單體能量密度達到500Wh/kg，遠超現(xiàn)有主流液態(tài)電池的能量密度。
半固態(tài)電池量產上車，是一個很重要的時間節(jié)點。根據(jù)工信部公告顯示，蔚來將有三款車開始使用半固態(tài)電池。贛鋒鋰業(yè)控股子公司贛鋒鋰電在其官方微信公眾號上宣布，搭載贛鋒鋰電三元固液混合鋰離子電池的純電動SUV賽力斯-SERES-5規(guī)劃于2023年上市。嵐圖汽車在旗下首款轎車追光的發(fā)布會上也宣布，追光搭載82kWh電池包，將成為行業(yè)首個量產裝車的半固態(tài)電池。
半固態(tài)雖然名字上跟固態(tài)電池很相似，可實際上與液態(tài)鋰離子電池關系更近。而且，如果無法做到根本性的大容量、快充、高安全性，不管它的名稱是否與“固態(tài)”有關，本質上仍然也只是個暫時的折衷方案。
而且，就算暫時選擇了半固態(tài)電池，仍然有很多廠商未完全放棄對于全固態(tài)電池的研發(fā)。
2021年5月，寧德時代就曾表示，已經可以完成固態(tài)電池的樣品；今年1月，公開資料顯示寧德時代新增了兩項有關固態(tài)電池的專利，分別為“一種固態(tài)電解質的制備方法”和“一種硫化物固態(tài)電解質片及其制備方法”。比亞迪近期也在股東會上透露，目前在電池方面的研發(fā)人員超過1萬多人，同時其內部對于固態(tài)電池和鈉離子電池的研發(fā)都依然在進行中。
新能源電池領域的科技水平發(fā)展越來越快，目前在固態(tài)電池領域也迎來新的增長情況，申請已公開專利1932件，并于2020年達到了申請量的階段性頂峰，該年專利申請量為歷年之最共計465件。截止2022年4月15日，固態(tài)電池公開專利為226件，申請專利量為12件。
雖然現(xiàn)在固態(tài)電池還未正式應用在汽車上，但在消費電子、無人機等終端設備之上，卻已經得到了不少的應用。根據(jù)歐陽明高的預測，固態(tài)電池真正在汽車領域大規(guī)模商業(yè)化應用，大概的時間是在2025-2030年之間。
各國政府近年陸續(xù)出臺政策扶持新能源汽車行業(yè)，多個國家明確固態(tài)電池發(fā)展目標和產業(yè)技術規(guī)劃：2020-2025年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉變，2030年研發(fā)出商業(yè)化全固態(tài)電池。
歐洲謀求在固態(tài)電池領域翻盤，各大車企紛紛投資固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)。法國波諾雷集團是第一家也是目前唯一一家真正實現(xiàn)全固態(tài)電池量產的公司。2011年，該集團以聚合物作為固態(tài)電解質，鋰金屬作為負極成功制備全固態(tài)電池，并以此為供能裝置，批量生產了250輛電動汽車。但此款電動汽車僅裝配30度電，續(xù)航約為250km，還需要將電池運行環(huán)境溫度維持在60℃左右。
2020年，美國SolidPower公司宣布第一代全固態(tài)鋰金屬軟包電池產線已進入試驗階段，可制備能量密度為320Wh/kg的全固態(tài)電池，預計在2025進行批量生產。
目前全球范圍內，日本企業(yè)的固態(tài)電池技術較為領先，許多日韓企業(yè)選擇抱團研發(fā)。自從2008年開始牽頭研發(fā)固態(tài)電池以來，豐田簽署的合作伙伴有很多，截至2022年專利累積到1300多項。正如本文開頭所說，豐田電動汽車部門宣布，2027年前后開啟固態(tài)電池電動汽車新時代。
韓國的三星集團已于2022年開始建設全固態(tài)電池試產線，計劃于2027年正式投產。韓國還是唯一由政府出面、組織固態(tài)電池在內的一攬子“先進電池技術”攻關項目的國家。4月20日，韓國宣布，將由政府和企業(yè)共同出資20萬億韓元（約合1050億元人民幣），目標則是“維持韓國在動力電池領域的絕對實力”。
盡管固態(tài)電池面臨一些挑戰(zhàn)，但研究和開發(fā)工作仍在進行中，并取得了一些進展?？梢钥吹剑S多科研機構和企業(yè)仍在投入大量資源進行固態(tài)電池技術的研究和商業(yè)化開發(fā)，例如努力開發(fā)新的制造方法和工藝，以降低成本并提高制造效率。同時，材料科學和工程領域的創(chuàng)新也有助于開發(fā)更經濟高效的固態(tài)電池材料和組件。
從技術研發(fā)、規(guī)模量產，到成本控制、商業(yè)運作，每一步都有著曲折和坎坷，但在固態(tài)電池這條路上，所有人都還在同一條跑道上全力沖刺，想盡辦法接近那個代表著無限夢想的勝利之果。到底需要多久才能實現(xiàn)？誰又會成為那個最終的贏家？讓我們拭目以待。
