中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：固態(tài)電池領(lǐng)域出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。繼在廣州車展上宣布將于2026年實(shí)現(xiàn)搭載全固態(tài)電池的汽車全面量產(chǎn)并首發(fā)昊鉑后，11月21日，廣汽埃安宣布，已經(jīng)取得了全固態(tài)電池重要的技術(shù)突破；同樣是在廣州車展上，長安汽車提出，計(jì)劃到2030年，將推出液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)等8款自研電芯，形成不低于150GWh的電池產(chǎn)能；作為最先開展固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)，豐田則將全固態(tài)電池的推測量產(chǎn)時(shí)間從此前的2027年推遲到了2030年以后。
雖然業(yè)界目前普遍認(rèn)為，全固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間或在2030年左右，但中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)秘書長劉彥龍?jiān)诮邮鼙緢?bào)采訪時(shí)直言，當(dāng)下，距真正意義上的全固態(tài)電池量產(chǎn)還有一定的距離，尤其是“上車”之后，在同樣的成本體系下，性能、安全性、能量密度是否有明顯的提升，是否具備性價(jià)比優(yōu)勢(shì)等問題，還要經(jīng)過市場的檢驗(yàn)。
車企陸續(xù)公布裝車進(jìn)展
掀起最近這一波固態(tài)電池?zé)岢钡氖钦嚻髽I(yè)。
近日，廣汽集團(tuán)總經(jīng)理馮興亞表示，廣汽集團(tuán)已將固態(tài)電池、無鈷電池、低鈷電池、鈉離子電池等列入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。其中，固態(tài)電池已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，在電芯能量密度達(dá)到400wh/kg時(shí)，能夠滿足電池在極端環(huán)境下的安全性與可靠性要求，計(jì)劃在2026年實(shí)現(xiàn)裝車搭載。
廣汽埃安近期公布的固態(tài)電池界面改性技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該技術(shù)將使固態(tài)電池的壽命衰減降低50％，150周循環(huán)后，電池容量能夠保持在90％以上。廣汽埃安實(shí)驗(yàn)室通過固態(tài)電解質(zhì)成分特殊設(shè)計(jì)，在負(fù)極表面誘導(dǎo)形成界面緩沖層，可有效降低界面阻抗，同時(shí)提升界面穩(wěn)定性。
廣汽埃安還表示，實(shí)驗(yàn)室還在加速開發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)、固固界面改性等相關(guān)技術(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化固態(tài)電池的綜合性能。除了在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用外，固態(tài)電池的性能和重量的跨越性提升也將為無人機(jī)產(chǎn)業(yè)、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、機(jī)械外骨骼、醫(yī)療科技等對(duì)電池有高度輕量化要求的領(lǐng)域帶來重大突破。
而按照長安汽車在廣州車展上公布的電池系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域規(guī)劃，長安汽車將深耕半固態(tài)、固態(tài)電池，推進(jìn)全新電解質(zhì)材料開發(fā)、關(guān)鍵工藝開發(fā)，計(jì)劃不晚于2027年推動(dòng)重量能量密度達(dá)到350～500Wh/kg、體積能量密度750～1000Wh/L，并逐步量產(chǎn)應(yīng)用，2030年實(shí)現(xiàn)全面普及，徹底解決用戶里程焦慮。
相較之下，跑在最前面的豐田也發(fā)布了下一代電池技術(shù)路線，據(jù)悉，豐田首先將從2026年開始引入高性能鋰離子電池，將使得車輛行駛里程提高到800公里以上。成本比當(dāng)前車型降低20％?？焖俪潆姇r(shí)間（電量從10％～80％）為20分鐘或更短。據(jù)稱，豐田研發(fā)的采用固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池具備更快的充電速度和更小體積?？斐鋾r(shí)間為10分鐘或更短，豐田已在開發(fā)更高規(guī)格的全固態(tài)電池，目標(biāo)是與高性能鋰離子電池相比，續(xù)駛里程提高50％。
豐田汽車社長佐藤恒治提出，計(jì)劃在2027財(cái)年開始運(yùn)營一座大型固體電解質(zhì)試點(diǎn)工廠，年產(chǎn)能將達(dá)到數(shù)百噸，并逐步推向市場。2030年之后，公司的全固態(tài)電池將達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)階段，以提供給數(shù)萬輛汽車。
10月，日產(chǎn)汽車研究部門副總裁土井和弘在東京車展現(xiàn)場介紹了全固態(tài)電池的電池技術(shù)，該技術(shù)可以讓電動(dòng)汽車的電池具有“幾乎是現(xiàn)有電池兩倍的能量密度”，并將充電時(shí)間縮短到傳統(tǒng)電池的三分之一，還可以在室溫到100℃的范圍內(nèi)正常工作，不需要專門的冷卻系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)劃，日產(chǎn)第一座試驗(yàn)性生產(chǎn)工廠仍然計(jì)劃于明年開始運(yùn)營，而首款采用固態(tài)電池技術(shù)的量產(chǎn)車型預(yù)計(jì)于2028年推出。
中日美韓展開競賽
一直以來，由于具有超高能量密度、耐高溫抗穿刺的超高安全性以及寬溫域工作窗口等眾多優(yōu)點(diǎn)，固態(tài)電池都被稱為是最具潛力的“下一代動(dòng)力電池”，有望成為動(dòng)力電池終極解決方案。因此，中日韓美都在這一領(lǐng)域開展“軍備競賽”。
三星SDI副總裁Michael Son近日指出：“全固態(tài)電池在材料和工藝方法上與傳統(tǒng)電池不同，這為電池制造商帶來了許多挑戰(zhàn)?！彼嘎?，公司計(jì)劃在2027年前開始大規(guī)模生產(chǎn)全固態(tài)電池，并已經(jīng)與多家汽車制造商就生產(chǎn)問題進(jìn)行了討論。SK集團(tuán)的SK On也在進(jìn)行突破性的全固態(tài)電池研究，該公司正開發(fā)兩種類型的全固態(tài)電池，其高能量密度和更快的充電時(shí)間將極大地提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛能力。
美國也不甘落后，美國全固態(tài)電池企業(yè)Solid Power于11月15日表示，公司已生產(chǎn)出首批固態(tài)電池A樣品，并將其交付給寶馬汽車，后者計(jì)劃于2025年前推出基于Solid Power技術(shù)的第一輛原型車。再加上Quantum Scape及時(shí)更新了其固態(tài)電池測試數(shù)據(jù)；Factorial Energy宣布其在波士頓郊區(qū)的采用聚合物電解質(zhì)的固態(tài)電池制造工廠正式運(yùn)營，一時(shí)間，硝煙四起，蔓延全球。
“固態(tài)電池的競爭呈現(xiàn)出全球角力的態(tài)勢(shì)，日韓、歐美、中國等均在積極布局以期望搶占先機(jī)?！睒I(yè)內(nèi)人士提出，盡管當(dāng)前我國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)處于全球領(lǐng)先地位，但在全固態(tài)領(lǐng)域等迭代技術(shù)上與日韓企業(yè)還存在差距。例如全固態(tài)電池的專利數(shù)量對(duì)比中，豐田就以1300余件位列全球第一，前十名也都是日韓企業(yè)。中國企業(yè)仍然“雄心勃勃”，僅輝能科技、衛(wèi)藍(lán)新能源、贛鋒鋰業(yè)、清陶能源、太藍(lán)新能源等5家企業(yè)，固態(tài)電池產(chǎn)能的規(guī)劃就總共達(dá)到了256.2GWh。
“我們要‘吃著碗里看著鍋里’，給予固態(tài)電池足夠的重視?！敝袊妱?dòng)汽車百人會(huì)副理事長董揚(yáng)認(rèn)為，日本在研發(fā)和專利方面的優(yōu)勢(shì)，不一定意味著日本在固態(tài)電池領(lǐng)域的勝勢(shì)。一方面，我國目前固態(tài)動(dòng)力電池研究并不落后，在世界科學(xué)期刊發(fā)表文章數(shù)已居世界第一；另一方面，日本雖然在研發(fā)方面處于強(qiáng)勢(shì)，但中國有全球最大的新能源汽車市場，未來在固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化方面有望實(shí)現(xiàn)反超。
最大挑戰(zhàn)是成本
與傳統(tǒng)電池相比，全固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)明顯。首先，全固態(tài)電池更小、更輕。其次，全固態(tài)電池能夠提供比傳統(tǒng)鋰離子電池高2.5倍的能量密度，可使設(shè)備長時(shí)間工作而不用頻繁充電。
此外，全固態(tài)電池充電時(shí)間更短，充電速度比目前的電池快4至6倍，且續(xù)駛里程更長——充電不到10分鐘便可驅(qū)動(dòng)汽車持續(xù)行駛1200公里，續(xù)駛里程是現(xiàn)有電動(dòng)汽車的2.4倍。最讓人“心動(dòng)”的是，由于采用不含任何易燃成分的固體電解質(zhì)，全固態(tài)電池完全沒有起火風(fēng)險(xiǎn)，因此更加安全，壽命也更長。全固態(tài)電池還具有出色的熱穩(wěn)定性，能夠承受較低或較高的溫度，在低溫環(huán)境中儲(chǔ)電能力強(qiáng)，使其在寒冷的冬日或長途旅行中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。
但遺憾的是，全固態(tài)電池技術(shù)還處于研發(fā)階段，目前面臨的問題包括成本高、技術(shù)成熟度低、產(chǎn)能不足等，尤其是豐田早在2011年就宣布將在2015～2020年期間推出固態(tài)電池，可到今天還沒有看到量產(chǎn)固態(tài)電池搭載在汽車上。
“汽車行業(yè)對(duì)動(dòng)力電池一致性、安全性、穩(wěn)定性、成本控制等各方面要求都很高，任何一項(xiàng)新技術(shù)導(dǎo)入到車輛上，需要極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證過程?！鼻逄漳茉纯偨?jīng)理李崢此前曾表示，本質(zhì)上說，固態(tài)電池一定是向著更高安全性和更高能量密度發(fā)展，因此更要考慮包括能量密度是否有優(yōu)勢(shì)、安全裝車的可行性、產(chǎn)品有沒有競爭力、成本經(jīng)濟(jì)性可不可控等方面的問題。只有具備這些條件，固態(tài)電池才會(huì)有競爭優(yōu)勢(shì)。
“最大的挑戰(zhàn)在于成本?！毖芯繖C(jī)構(gòu)報(bào)告指出，由于電解質(zhì)材料變化、少部分工藝改變、量產(chǎn)質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)不足等因素，導(dǎo)致目前混合固液電池成本仍較高。根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研和測算，以NCM811液態(tài)電芯和NCM811混合固液電芯為例，混合固液電芯成本相比液態(tài)電芯成本增加約80％，其中固態(tài)電解質(zhì)成本是主要新增成本，也是混合固液電池中的主要成本中心，占比約達(dá)50％；少部分工藝改動(dòng)、量產(chǎn)質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)不足、尚未進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)等因素也導(dǎo)致混合固液電池成本增高。而全固態(tài)電池成本相比混合固液電池會(huì)進(jìn)一步增加，一方面，由于固態(tài)電解質(zhì)用量的增加，另一方面，由于全固態(tài)電池工藝與液態(tài)電池相比變化較大，新增設(shè)備折舊攤銷、產(chǎn)品質(zhì)量控制能力缺乏、工程驗(yàn)證周期長等因素也會(huì)加大成本。
2025～2030年是窗口期
中國工程院外籍院士孫學(xué)良表示，未來10年，將是全固態(tài)電池研發(fā)的關(guān)鍵機(jī)遇期，全固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)和應(yīng)用，窗口期在2025～2030年間。
事實(shí)上，這也是業(yè)內(nèi)的普遍看法。中國科學(xué)院院士歐陽明高在第八屆動(dòng)力電池應(yīng)用國際峰會(huì)上也表達(dá)了相同的觀點(diǎn)：“自2000年起，鋰離子電池開始在動(dòng)力方面應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2030年將會(huì)有一次全方位的技術(shù)革新?！睔W陽明高認(rèn)為，2000年開始的第一個(gè)10年，主要是解決鋰離子電池動(dòng)力化的安全問題，現(xiàn)在還在繼續(xù)解決；2010年起的第二個(gè)10年，隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增大，提質(zhì)增效需求推動(dòng)了動(dòng)力電池全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)革新、數(shù)字化轉(zhuǎn)型；而第三個(gè)10年，電池超高比能量的需求催生新材料的換代，也就是以固態(tài)電解質(zhì)研發(fā)為核心的全固態(tài)電池技術(shù)。
“動(dòng)力電池的最終目標(biāo)，是要做到本質(zhì)安全，這要通過全固態(tài)電池的開發(fā)來實(shí)現(xiàn)?！睔W陽明高表示，“目前安全電池已經(jīng)做到了產(chǎn)業(yè)化，為動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池提供了新方法。我們正在開發(fā)下一代智能電池，將安全技術(shù)、智能技術(shù)全部結(jié)合起來，預(yù)計(jì)在2025年左右產(chǎn)業(yè)化。全固態(tài)電池也在研發(fā)之中，預(yù)計(jì)在2027～2030年間可以規(guī)模產(chǎn)業(yè)化?！彼麖?qiáng)調(diào)，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化后，也需要30年才能被替代。
華創(chuàng)證券研報(bào)稱，國內(nèi)半固態(tài)電池已率先產(chǎn)業(yè)化，并裝車量產(chǎn)加速驗(yàn)證，但全固態(tài)電池的大規(guī)模裝車仍需時(shí)日。相較之下，電子消費(fèi)領(lǐng)域已經(jīng)有所突破。例如聚合物固態(tài)電池，又被成為鋰聚合物電池，從2007年的第一代iPhone開始，蘋果發(fā)布的iPhone、iPad就被廣泛使用，大疆多款無人機(jī)也搭載了鋰聚合物電池；而氧化物、硫化物體系則有望在近期取得突破，2023年3月，小米發(fā)布了預(yù)研的固態(tài)電池技術(shù)，采用的是正極涂覆氧化物電解質(zhì)，適配鋰金屬負(fù)極。2023年5月，韓媒報(bào)道稱，三星SDI在加大動(dòng)力電池研發(fā)的同時(shí)，也計(jì)劃將開發(fā)的硫化物固態(tài)電池應(yīng)用在智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上。
還有其他選項(xiàng)嗎
當(dāng)然，也并非所有的人都對(duì)固態(tài)電池抱持看好的態(tài)度。例如在中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組組長陳永翀看來，按照目前的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況，液態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用于新能源汽車的安全性問題實(shí)際已經(jīng)基本解決了（70分），當(dāng)然我們希望安全水平能夠提升到85分至95分之間的水平，但這可以通過其他技術(shù)進(jìn)步方式解決，而不一定要通過固態(tài)電解質(zhì)解決。韓國咨詢機(jī)構(gòu)SNE research也表示，到2030年，液態(tài)鋰離子電池在動(dòng)力電池的市場仍將占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，即使全固態(tài)電池成功批量生產(chǎn)，由于成本問題很難解決，市場滲透率也會(huì)非常低，達(dá)到4％左右。
寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱更是直言：“全固態(tài)電池目前還有些核心問題亟待解決。如果豐田說現(xiàn)在能量產(chǎn)全固態(tài)電池，我表示懷疑。目前全行業(yè)誰都不具備量產(chǎn)全固態(tài)電池的能力。至于到2027年能否量產(chǎn)，作為技術(shù)人員，我也很難說得準(zhǔn)確?！睂?duì)于豐田提出的成本減半目標(biāo)，吳凱認(rèn)為，電池成本減半其實(shí)很難做到，即使固態(tài)電池完全不需要電解液和隔膜，成本也降不了一半。
行業(yè)專家直言，全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)之一是超長的續(xù)駛里程，但近年來由于電池技術(shù)日新月異，目前市場上在售的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程在500公里左右的比比皆是，甚至部分車型向著1000公里續(xù)駛里程邁進(jìn)，例如極氪推出了極氪001千里續(xù)航版，奔馳純電EQS在CLTC工況下的續(xù)駛里程也超過800公里，更不用說插電式混合動(dòng)力汽車和增程式電動(dòng)汽車也在同時(shí)“搶占”市場。另一方面，電池技術(shù)還在飛速發(fā)展中，例如寧德時(shí)代的麒麟電池、神行超充電池等都可能對(duì)全固態(tài)電池構(gòu)成競爭壓力，特別是寧德時(shí)代近期公布的凝聚態(tài)電池，其車規(guī)級(jí)應(yīng)用版本有望在今年年內(nèi)具備量產(chǎn)能力。
據(jù)寧德時(shí)代介紹，凝聚態(tài)電池不是半固態(tài)電池，更不是過渡產(chǎn)品。主要優(yōu)點(diǎn)之一是高能量密度，其單體能量密度高達(dá)500Wh/kg，相當(dāng)于松下2170圓柱電池的近兩倍，刀片電池的近3倍；優(yōu)點(diǎn)之二就是安全，相比液態(tài)電解質(zhì)，凝聚態(tài)電解質(zhì)不易燃、零揮發(fā)，顯著提升了電池的熱穩(wěn)定性，做到了高比能的情況下還具備高安全性。另外，該產(chǎn)品還具備優(yōu)秀的充放電性能。
此外值得一提的是，進(jìn)入2023年，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化明顯提速，由于成本優(yōu)勢(shì)、性能優(yōu)勢(shì)、儲(chǔ)量豐富，鈉離子電池近年來不斷“走紅”。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中科海鈉、華陽股份、鵬輝能源、多氟多、孚能科技、欣旺達(dá)、美聯(lián)新材已公開宣稱最快將在2023年以后形成鈉離子電池量產(chǎn)能力。
或許正如通用汽車發(fā)言人Phil Lienert所說，最終，可能永遠(yuǎn)不會(huì)有一種電池技術(shù)適用于所有電動(dòng)汽車，電池的類型將與車輛和特定的銷售市場相匹配。Phil Lienert認(rèn)為：“當(dāng)你擁有像我們這樣龐大而多樣化的客戶陣容時(shí)，你需要在相同的基礎(chǔ)工程中擁有多種可以共存的解決方案?！?
