中國儲能網訊：固態(tài)電池作為一種新型高效能源存儲技術，是下一代電池技術競爭的關鍵制高點。2024年1月以來，固態(tài)電池技術在提升續(xù)航能力和延長使用壽命方面取得突破性進展。日本大型電池企業(yè)麥克賽爾研發(fā)的圓柱形全固態(tài)電池容量超過傳統(tǒng)陶瓷封裝型電池的25倍[1]。大眾旗下電池子公司PowerCo發(fā)布公告，證實Quantum Scape固態(tài)電池在完成1000次充放電循環(huán)后仍能維持95%的原始容量[2]。同時，全球首家千兆級固態(tài)鋰陶瓷電池工廠在中國臺灣落成[3]，是全固態(tài)電池產業(yè)化的重要里程碑。本文梳理了近期主要國家（地區(qū)）電池產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略布局，并針對固態(tài)電池研發(fā)的三大技術路線，分析了其最新研發(fā)動向和產業(yè)進展。
一、主要國家（地區(qū)）固態(tài)電池研發(fā)相關規(guī)劃
自2021年以來，主要國家（地區(qū)）相繼推出電池產業(yè)相關戰(zhàn)略，研發(fā)高能量密度固態(tài)電池并實現商業(yè)應用是各主要國家的戰(zhàn)略目標之一。美國在2021年發(fā)布《鋰電池2021—2030年國家藍圖》[4]，提出到2030年實現包括固態(tài)電池在內的先進電池技術的規(guī)?；a，固態(tài)電池目標能量密度達到500瓦時每千克。日本在2022年8月更新的《蓄電池產業(yè)戰(zhàn)略》[5]中，提出了到2030年左右實現全固態(tài)鋰電池的商業(yè)化，能量密度達到500瓦時每千克，占領新一代電池市場。韓國將電池技術視為經濟發(fā)展的核心驅動力之一，2021—2022年相繼發(fā)布《2030二次電池產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》和《二次電池產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》[6]，設定了2026年實現車用固態(tài)電池技術商業(yè)化的目標。歐盟在2023年9月發(fā)布的《歐洲電池研發(fā)創(chuàng)新路線圖》和第三版《電池2030+路線圖》中[7]，繼續(xù)將第四代固態(tài)電池材料研發(fā)（交通應用）列為2030年優(yōu)先事項，并實現電堆成本控制在75歐元每千瓦時之內。我國在2021年出臺的《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》中提出加快固態(tài)動力電池技術研發(fā)及產業(yè)化，并在2023年發(fā)布的《關于推動能源電子產業(yè)發(fā)展的指導意見》中再次強調加強固態(tài)電池等新型儲能電池產業(yè)化技術攻關，推進先進儲能技術及產品規(guī)?；瘧谩?
各國政府加大研發(fā)投入加速固態(tài)電池技術及其產業(yè)化進程。歐盟通過歐洲共同利益項目下一代鋰電池技術研發(fā)，在2022—2023年間額外投資了600~800萬歐元（648~865萬美元）用于解決固態(tài)電解質相關的科學難題[8]。日本政府通過綠色創(chuàng)新基金支持全固態(tài)電池的開發(fā)，2022年5月，向日產汽車和本田汽車等提供約1510億日元(約10億美元)資金資助，確保新型電池包括鹵代電池、鋅負極電池等技術優(yōu)勢，并完善全固態(tài)電池量產制造體系[9]。我國在“十四五”期間也通過國家重點研發(fā)計劃“儲能與智能電網技術”專項，部署了兆瓦時級本質安全固態(tài)鋰離子儲能電池的研發(fā)。
二、近期固態(tài)電池技術研究發(fā)展
目前在全球范圍內，固態(tài)電池主要處于研發(fā)和小規(guī)模生產測試階段。相比于傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)電池可簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，電芯內部為串聯結構，在有限空間內進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態(tài)鋰離子電池（石墨負極）可提升70%以上（圖1）。根據不同電解質類型，固態(tài)電池可分為聚合物固態(tài)電池、氧化物固態(tài)電池和硫化物固態(tài)電池三種類型。其中，聚合物電解質固態(tài)電池技術發(fā)展速度快，技術相對成熟，已率先實現了商業(yè)化應用的小規(guī)模量產。然而，該技術受到較低電導率和有限性能上限的制約，限制了其大規(guī)模應用。氧化物電解質固態(tài)電池表現出較為全面的性能優(yōu)勢，技術快速發(fā)展。硫化物電解質固態(tài)電池因其較高的電導率和出色的性能表現，被認為最適合用于電動汽車，商業(yè)化前景廣闊。然而，后兩種技術路線均面臨界面穩(wěn)定性差的研究難題。當前，全球主要科研機構針對電解質材料和新型正負極開展了大量研究，并取得了一些突破性進展。
圖1 動力電池技術發(fā)展路線圖[10]
（1）研發(fā)兼顧高離子電導率和穩(wěn)定性的固體電解質材料。2023年7月，日本東京工業(yè)大學Ryoji Kanno團隊利用高熵材料設計了一種高離子電導率的硫化物固態(tài)電解質，創(chuàng)下32毫西門子每厘米的全球最高鋰離子電導率記錄。此外，該團隊還通過優(yōu)化制造工藝，實現了全固態(tài)鋰電池每平方厘米超過20毫安時的面容量，是當前全球最高水平[11]。8月，韓國SK On公司與檀國大學聯合成功研發(fā)出新款氧化物固態(tài)電解質。與現有產品相比，新材料的鋰離子電導率提升了70%，具有全球最高水平[12]。10月，復旦大學、昆山杜克大學和美國麻省理工學院合作，精準合成了系列具有交替序列結構的單鋰離子導電含氟共聚物全固態(tài)電池。該聚合物全固態(tài)鋰金屬電池達到了液態(tài)聚乙二醇電解質的鋰離子電導率水平，并實現了超過1500小時的室溫鋰剝離/沉積循環(huán)和可逆的固態(tài)鋰金屬電池室溫充放電循環(huán)[13]。11月，韓國首爾國立大學研究人員提出了超離子三鹵化物電解質固態(tài)電池的一般設計標準。當引入Li3Y0.2Zr0.6Cl6時，離子電導率可達到1.19毫西門子每厘米[14]。2024年2月，中國科學院物理研究所和中山大學聯合開發(fā)了一種新型鋰超離子氯化物固態(tài)電池，在室溫下實現了2.2毫西門子每厘米的高離子電導率以及低電導率活化能壘（Zr和Hf類比分別為0.31和0.33eV），有助于固態(tài)電池良好的循環(huán)和倍率性能[15]。
（2）開發(fā)高比容量和耐久性的正負極電極材料。富鋰錳基氧化物作為高容量正極材料易受到氧損失引起的電壓衰減影響。2023年5月，日本橫濱國立大學通過高能機械研磨法合成的含氟鋰錳氧化物（Li2MnO2F和Li2MnO1.5F1.5）顯示出較高的可逆容量和能量密度，分別為350毫安時每克和1000毫瓦時每克，尤其是Li2MnO1.5F1.5材料在經過180次以上的循環(huán)仍維持穩(wěn)定性能[16]。6月，中國科學院物理研究所研究團隊制備了一種硬碳穩(wěn)定的鋰硅合金陽極，這使得電池在高負載和高電流密度下實現了長期循環(huán)。測試顯示，在5.86毫安每平方厘米的電流密度和5.86毫安時每平方厘米的負載下，電池能夠穩(wěn)定循環(huán)5000次，電池級能量密度達到每千克263瓦時，與商用鋰離子電池能量密度相當[17]。10月，日本大阪產業(yè)技術研究所科研人員首次在全固態(tài)電池中應用具有納米多孔硅纖維網絡結構的復合負極，實現了1474毫安時每克的可逆容量。該電池經過40次循環(huán)后容量保持率仍高達85%，具有較高的工業(yè)應用潛力[18]。2024年1月，哈佛大學研究團隊揭示了固態(tài)電池中鋰金屬和負極材料（硅、銀、鎂等）在界面反應中表現出收縮敏感性新現象，并設計出一種活性三維支架，以快速電鍍和剝離大量厚鋰金屬層。該設計不僅規(guī)避了硅膨脹，而且還為固態(tài)電池中鋰金屬的快速穩(wěn)定循環(huán)提供了超快反應途徑[19]。
三、固態(tài)電池產業(yè)應用最新進展
在硫化物電解質固態(tài)電池應用方面，日本企業(yè)近期取得突破性進展，如豐田、松下和日產等。2023年7月，豐田汽車成功制造出充電10分鐘可續(xù)航1200公里的固態(tài)電池[20]。9月，日本旭硝子株式會社在其橫濱技術中心完成了一項突破性技術的中試，該技術能夠實現車用硫化物全固態(tài)電池電解質的批量生產。同期，松下控股集團首次向外界展示了其針對便攜式電子設備開發(fā)的全固態(tài)電池產品。該電池的充電速度超過現有電池20倍，且充放電循環(huán)次數可達1萬至10萬次[21]。10月，日產汽車發(fā)布了配備全固態(tài)電池的多用途汽車概念車“日產Hyper Tourer”。此外，美國Solid Power在2023年第三季度財報中披露，該企業(yè)向寶馬公司交付了首批A-1 EV電池，標志著其固態(tài)電池產品正式進入汽車驗證測試階段。
在聚合物電解質固態(tài)電池應用上，歐美企業(yè)研發(fā)成果表現較突出，包括法國博洛雷集團、美國Factorial Energy等。2023年10月24日，Factorial Energy在美國馬薩諸塞州梅休恩投資5000萬美元建設年產能為200兆瓦時的固態(tài)電池裝配線，該生產線也是美國最大固態(tài)電池生產線。生產的固態(tài)電池采用“Factorial電解質系統(tǒng)技術”，能夠使電池續(xù)航里程提升20%到50%，同時擁有與現有鋰離子電池制造基礎設施兼容的嵌入式特性，便于在現有生產線中進行集成。
在氧化物電解質固態(tài)電池的應用研發(fā)方面，日本旭硝子株式會社在2023年3月發(fā)布了世界上首個主要零件全部由“結晶玻璃”制成的氧化物全固態(tài)鈉離子二次電池[22]。美國Quantum Scape在2023年第三季度財報中披露，首款商用氧化物電解質固態(tài)電池產品QSE-5已完成1000+次循環(huán)后容量保持率在95%以上的測試。2024年1月，中國臺灣電池制造商輝能科技推出專為電動汽車設計的106安時高硅陽極固態(tài)電池，實現2吉瓦時的規(guī)劃年產能，并計劃2024年進入量產階段[23]。
表1 主要國家代表性企業(yè)固態(tài)電池產業(yè)化進展
四、趨勢與展望
國際能源署預測[24]，預計在2025—2030年間，高能量密度固態(tài)電池技術將實現商業(yè)化。根據中國智庫EVTank的預測分析，預計到2030年，全球固態(tài)電池出貨量將達到614.1吉瓦時，在整體鋰電池中的滲透率將達到10%，市場規(guī)模將達到2500億元[25]。在如此強勁的市場驅動下，固態(tài)電池技術的創(chuàng)新和轉化應用將會進一步加速，材料和工藝創(chuàng)新是商業(yè)應用的關鍵。
未來，研發(fā)重點將聚焦在確保安全的基礎上提高動力電池能量密度和使用壽命，在材料、界面、傳輸和系統(tǒng)四個層面開展技術攻關。關鍵方向包括提升電解質材料性能和制造工藝；在負極材料的開發(fā)上，短期內聚焦于硅基材料的研究，長期則轉向金屬鋰材料的迭代開發(fā)；正極材料的研發(fā)則專注于提升能量密度，逐步過渡到高電壓材料的應用。同時，對材料生長過程和表面結構進行精細調控及提高鋰離子及電子傳輸效率，實現能量密度500瓦時每千克以上的全固態(tài)電池規(guī)模化生產目標。
