中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：固態(tài)電池作為一種新型高效能源存儲(chǔ)技術(shù)，是下一代電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵制高點(diǎn)。2024年1月以來，固態(tài)電池技術(shù)在提升續(xù)航能力和延長(zhǎng)使用壽命方面取得突破性進(jìn)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(shí)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(shí)，全球首家千兆級(jí)固態(tài)鋰陶瓷電池工廠在中國(guó)臺(tái)灣落成[3]，是全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的重要里程碑。本文梳理了近期主要國(guó)家（地區(qū)）電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略布局，并針對(duì)固態(tài)電池研發(fā)的三大技術(shù)路線，分析了其最新研發(fā)動(dòng)向和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。
一、主要國(guó)家（地區(qū)）固態(tài)電池研發(fā)相關(guān)規(guī)劃
自2021年以來，主要國(guó)家（地區(qū)）相繼推出電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)戰(zhàn)略，研發(fā)高能量密度固態(tài)電池并實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用是各主要國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)之一。美國(guó)在2021年發(fā)布《鋰電池2021—2030年國(guó)家藍(lán)圖》[4]，提出到2030年實(shí)現(xiàn)包括固態(tài)電池在內(nèi)的先進(jìn)電池技術(shù)的規(guī)?；a(chǎn)，固態(tài)電池目標(biāo)能量密度達(dá)到500瓦時(shí)每千克。日本在2022年8月更新的《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》[5]中，提出了到2030年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰電池的商業(yè)化，能量密度達(dá)到500瓦時(shí)每千克，占領(lǐng)新一代電池市場(chǎng)。韓國(guó)將電池技術(shù)視為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力之一，2021—2022年相繼發(fā)布《2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》和《二次電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》[6]，設(shè)定了2026年實(shí)現(xiàn)車用固態(tài)電池技術(shù)商業(yè)化的目標(biāo)。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(yīng)用）列為2030年優(yōu)先事項(xiàng)，并實(shí)現(xiàn)電堆成本控制在75歐元每千瓦時(shí)之內(nèi)。我國(guó)在2021年出臺(tái)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》中提出加快固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，并在2023年發(fā)布的《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中再次強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)固態(tài)電池等新型儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用。
各國(guó)政府加大研發(fā)投入加速固態(tài)電池技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。歐盟通過歐洲共同利益項(xiàng)目下一代鋰電池技術(shù)研發(fā)，在2022—2023年間額外投資了600~800萬(wàn)歐元（648~865萬(wàn)美元）用于解決固態(tài)電解質(zhì)相關(guān)的科學(xué)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(chǎn)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(fù)極電池等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并完善全固態(tài)電池量產(chǎn)制造體系[9]。我國(guó)在“十四五”期間也通過國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”專項(xiàng)，部署了兆瓦時(shí)級(jí)本質(zhì)安全固態(tài)鋰離子儲(chǔ)能電池的研發(fā)。
二、近期固態(tài)電池技術(shù)研究發(fā)展
目前在全球范圍內(nèi)，固態(tài)電池主要處于研發(fā)和小規(guī)模生產(chǎn)測(cè)試階段。相比于傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)電池可簡(jiǎn)化封裝、冷卻系統(tǒng)，電芯內(nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在有限空間內(nèi)進(jìn)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(fù)極）可提升70%以上（圖1）。根據(jù)不同電解質(zhì)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(zhì)固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展速度快，技術(shù)相對(duì)成熟，已率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用的小規(guī)模量產(chǎn)。然而，該技術(shù)受到較低電導(dǎo)率和有限性能上限的制約，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池表現(xiàn)出較為全面的性能優(yōu)勢(shì)，技術(shù)快速發(fā)展。硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池因其較高的電導(dǎo)率和出色的性能表現(xiàn)，被認(rèn)為最適合用于電動(dòng)汽車，商業(yè)化前景廣闊。然而，后兩種技術(shù)路線均面臨界面穩(wěn)定性差的研究難題。當(dāng)前，全球主要科研機(jī)構(gòu)針對(duì)電解質(zhì)材料和新型正負(fù)極開展了大量研究，并取得了一些突破性進(jìn)展。
圖1 動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展路線圖[10]
（1）研發(fā)兼顧高離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性的固體電解質(zhì)材料。2023年7月，日本東京工業(yè)大學(xué)Ryoji Kanno團(tuán)隊(duì)利用高熵材料設(shè)計(jì)了一種高離子電導(dǎo)率的硫化物固態(tài)電解質(zhì)，創(chuàng)下32毫西門子每厘米的全球最高鋰離子電導(dǎo)率記錄。此外，該團(tuán)隊(duì)還通過優(yōu)化制造工藝，實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)鋰電池每平方厘米超過20毫安時(shí)的面容量，是當(dāng)前全球最高水平[11]。8月，韓國(guó)SK On公司與檀國(guó)大學(xué)聯(lián)合成功研發(fā)出新款氧化物固態(tài)電解質(zhì)。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，新材料的鋰離子電導(dǎo)率提升了70%，具有全球最高水平[12]。10月，復(fù)旦大學(xué)、昆山杜克大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院合作，精準(zhǔn)合成了系列具有交替序列結(jié)構(gòu)的單鋰離子導(dǎo)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(dá)到了液態(tài)聚乙二醇電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率水平，并實(shí)現(xiàn)了超過1500小時(shí)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(guó)首爾國(guó)立大學(xué)研究人員提出了超離子三鹵化物電解質(zhì)固態(tài)電池的一般設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)引入Li3Y0.2Zr0.6Cl6時(shí)，離子電導(dǎo)率可達(dá)到1.19毫西門子每厘米[14]。2024年2月，中國(guó)科學(xué)院物理研究所和中山大學(xué)聯(lián)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(shí)現(xiàn)了2.2毫西門子每厘米的高離子電導(dǎo)率以及低電導(dǎo)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(fù)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(guó)立大學(xué)通過高能機(jī)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(shí)每克和1000毫瓦時(shí)每克，尤其是Li2MnO1.5F1.5材料在經(jīng)過180次以上的循環(huán)仍維持穩(wěn)定性能[16]。6月，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)制備了一種硬碳穩(wěn)定的鋰硅合金陽(yáng)極，這使得電池在高負(fù)載和高電流密度下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期循環(huán)。測(cè)試顯示，在5.86毫安每平方厘米的電流密度和5.86毫安時(shí)每平方厘米的負(fù)載下，電池能夠穩(wěn)定循環(huán)5000次，電池級(jí)能量密度達(dá)到每千克263瓦時(shí)，與商用鋰離子電池能量密度相當(dāng)[17]。10月，日本大阪產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所科研人員首次在全固態(tài)電池中應(yīng)用具有納米多孔硅纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了1474毫安時(shí)每克的可逆容量。該電池經(jīng)過40次循環(huán)后容量保持率仍高達(dá)85%，具有較高的工業(yè)應(yīng)用潛力[18]。2024年1月，哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)揭示了固態(tài)電池中鋰金屬和負(fù)極材料（硅、銀、鎂等）在界面反應(yīng)中表現(xiàn)出收縮敏感性新現(xiàn)象，并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)途徑[19]。
三、固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最新進(jìn)展
在硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池應(yīng)用方面，日本企業(yè)近期取得突破性進(jìn)展，如豐田、松下和日產(chǎn)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(huì)社在其橫濱技術(shù)中心完成了一項(xiàng)突破性技術(shù)的中試，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車用硫化物全固態(tài)電池電解質(zhì)的批量生產(chǎn)。同期，松下控股集團(tuán)首次向外界展示了其針對(duì)便攜式電子設(shè)備開發(fā)的全固態(tài)電池產(chǎn)品。該電池的充電速度超過現(xiàn)有電池20倍，且充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)1萬(wàn)至10萬(wàn)次[21]。10月，日產(chǎn)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(chǎn)Hyper Tourer”。此外，美國(guó)Solid Power在2023年第三季度財(cái)報(bào)中披露，該企業(yè)向?qū)汃R公司交付了首批A-1 EV電池，標(biāo)志著其固態(tài)電池產(chǎn)品正式進(jìn)入汽車驗(yàn)證測(cè)試階段。
在聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池應(yīng)用上，歐美企業(yè)研發(fā)成果表現(xiàn)較突出，包括法國(guó)博洛雷集團(tuán)、美國(guó)Factorial Energy等。2023年10月24日，F(xiàn)actorial Energy在美國(guó)馬薩諸塞州梅休恩投資5000萬(wàn)美元建設(shè)年產(chǎn)能為200兆瓦時(shí)的固態(tài)電池裝配線，該生產(chǎn)線也是美國(guó)最大固態(tài)電池生產(chǎn)線。生產(chǎn)的固態(tài)電池采用“Factorial電解質(zhì)系統(tǒng)技術(shù)”，能夠使電池續(xù)航里程提升20%到50%，同時(shí)擁有與現(xiàn)有鋰離子電池制造基礎(chǔ)設(shè)施兼容的嵌入式特性，便于在現(xiàn)有生產(chǎn)線中進(jìn)行集成。
在氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池的應(yīng)用研發(fā)方面，日本旭硝子株式會(huì)社在2023年3月發(fā)布了世界上首個(gè)主要零件全部由“結(jié)晶玻璃”制成的氧化物全固態(tài)鈉離子二次電池[22]。美國(guó)Quantum Scape在2023年第三季度財(cái)報(bào)中披露，首款商用氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池產(chǎn)品QSE-5已完成1000+次循環(huán)后容量保持率在95%以上的測(cè)試。2024年1月，中國(guó)臺(tái)灣電池制造商輝能科技推出專為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的106安時(shí)高硅陽(yáng)極固態(tài)電池，實(shí)現(xiàn)2吉瓦時(shí)的規(guī)劃年產(chǎn)能，并計(jì)劃2024年進(jìn)入量產(chǎn)階段[23]。
表1 主要國(guó)家代表性企業(yè)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
四、趨勢(shì)與展望
國(guó)際能源署預(yù)測(cè)[24]，預(yù)計(jì)在2025—2030年間，高能量密度固態(tài)電池技術(shù)將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。根據(jù)中國(guó)智庫(kù)EVTank的預(yù)測(cè)分析，預(yù)計(jì)到2030年，全球固態(tài)電池出貨量將達(dá)到614.1吉瓦時(shí)，在整體鋰電池中的滲透率將達(dá)到10%，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2500億元[25]。在如此強(qiáng)勁的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步加速，材料和工藝創(chuàng)新是商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。
未來，研發(fā)重點(diǎn)將聚焦在確保安全的基礎(chǔ)上提高動(dòng)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(gè)層面開展技術(shù)攻關(guān)。關(guān)鍵方向包括提升電解質(zhì)材料性能和制造工藝；在負(fù)極材料的開發(fā)上，短期內(nèi)聚焦于硅基材料的研究，長(zhǎng)期則轉(zhuǎn)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(yīng)用。同時(shí)，對(duì)材料生長(zhǎng)過程和表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控及提高鋰離子及電子傳輸效率，實(shí)現(xiàn)能量密度500瓦時(shí)每千克以上的全固態(tài)電池規(guī)?；a(chǎn)目標(biāo)。
