文/袁素
固態(tài)電池已成為全球新一輪動(dòng)力電池競(jìng)賽中的投資熱點(diǎn)。
2018年年底，成立于2010年的半固態(tài)鋰電池研發(fā)企業(yè)——美國24M公司對(duì)外宣布，該公司已獲得D輪2180萬美元融資，資本方來自高級(jí)陶瓷制造商日本京瓷集團(tuán)和全球貿(mào)易公司伊藤忠商事。
這家公司系從曾經(jīng)的行業(yè)龍頭——美國磷酸鐵鋰電池企業(yè)A123分拆出來，由中國臺(tái)灣科學(xué)家蔣業(yè)明博士創(chuàng)立。該公司宣稱將從2019年開始建立一個(gè)小型產(chǎn)業(yè)化工廠，希望在2020年交付首批產(chǎn)品，為電動(dòng)汽車開發(fā)價(jià)格合理的高能量密度電池。
24M是新一輪全球動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)競(jìng)賽的一個(gè)縮影。從全球來看，中國、日本、韓國、德國、法國、美國、英國、澳大利亞等國家的諸多汽車企業(yè)和電池企業(yè)紛紛下注固態(tài)電池，希望打造下一個(gè)超級(jí)明星公司。
不過，中國化學(xué)與物理電源協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)劉彥龍等業(yè)界人士認(rèn)為，固態(tài)電池現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室階段，在研發(fā)上還面臨比較多的難以克服的障礙，預(yù)計(jì)真正量產(chǎn)至少要在五年之后。
搶注下一代
電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展對(duì)動(dòng)力電池的能量密度和安全性提出了越來越高的要求。
2017年11月中國政府發(fā)布的 《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的單體能量密度在2020年達(dá)到 300瓦時(shí)/千克， 2025年達(dá)到400瓦時(shí)/千克，2030年達(dá)到500瓦時(shí)/千克。
這對(duì)現(xiàn)有液態(tài)鋰電池而言是一個(gè)很高的目標(biāo)?！疤厮估玫碾姵啬壳笆侨蚰芰棵芏茸罡叩膭?dòng)力電池，2018年初特斯拉宣布與松下聯(lián)合研發(fā)的21700單體能量密度達(dá)300瓦時(shí)/千克，而國內(nèi)一般電芯廠家的單體能量密度在230瓦時(shí)/千克左右，到2020年實(shí)現(xiàn)國家要求的300瓦時(shí)/千克挑戰(zhàn)很大。” 清陶能源公司董事長(zhǎng)馮玉川解釋，固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就相對(duì)容易，“全固態(tài)鋰電池單體的能量密度在實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到430瓦時(shí)/千克以上，在中試階段可達(dá)375瓦時(shí)/千克，在量產(chǎn)階段可以輕松達(dá)到300瓦時(shí)/千克以上?！?
據(jù)中科院物理所研究員、固態(tài)離子學(xué)課題組組長(zhǎng)黃學(xué)杰介紹，固態(tài)鋰電池采用金屬鋰作為負(fù)極，固體無機(jī)或高分子材料作為電解質(zhì)，能量密度比采用同類型正極材料的鋰電子電池高20%～30%。
除能量密度外，安全性是固態(tài)電池的更大優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示，目前液態(tài)鋰電池選擇使用的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是公認(rèn)可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。
據(jù)清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮分析，固態(tài)電解質(zhì)不易燃，還不會(huì)產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也符合未來電池發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)較高的機(jī)械強(qiáng)度也能有效地抑制電池循環(huán)過程中鋰枝晶的刺穿，使鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用成為可能。
根據(jù)固態(tài)電池中固態(tài)電解質(zhì)的狀態(tài)，可以將固態(tài)電池分為全固態(tài)和半固態(tài)電池，前者的電解質(zhì)是純固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì)，后者就是一半固態(tài)電解質(zhì)、一半液態(tài)電解質(zhì)，如前述的24M這家公司的產(chǎn)品。
加速布局中
正是因?yàn)楣虘B(tài)電池具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，世界多國政府都高度重視固態(tài)電池的研發(fā)，上市公司和創(chuàng)業(yè)公司紛紛投身固態(tài)電池這一全新賽道。
其中，日本在全球遙遙領(lǐng)先。2018年7月，日本國立研究機(jī)構(gòu)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)對(duì)外宣布，啟動(dòng)第二階段固態(tài)鋰離子電池研發(fā)項(xiàng)目，并為此斥資100億日元(約合人民幣5.9億元)，成員包括23家整車及電池、材料廠商，另外還有15家大學(xué)及公共研究機(jī)構(gòu)，計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)。
日本企業(yè)在固態(tài)電池方面的研究起步較早，水平也較高，尤其是在硫系固態(tài)電解質(zhì)方面，豐田汽車公司近日披露了其全固態(tài)電池的框架，并計(jì)劃于本世紀(jì)20年代初實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
在韓國，三大蓄電池廠商LG化學(xué)、三星SDI和SK創(chuàng)新2018年11月對(duì)外宣布，聯(lián)手開發(fā)核心電池技術(shù)，將成立一個(gè)規(guī)模為1000億韓元的基金，計(jì)劃在固態(tài)電池、鋰金屬電池和鋰硫電池領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，打造下一代電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。
2018年11月，德國總理默克爾宣布計(jì)劃下?lián)?0億歐元用于支持德國的一家電池生產(chǎn)商，同時(shí)也將資助一家電池研發(fā)機(jī)構(gòu)，用于開發(fā)下一代固態(tài)電池。德國政府的這一舉措是為了減少德國車企對(duì)于中日韓電池供應(yīng)商的依賴。其中，大眾和寶馬公司也在大力發(fā)展固態(tài)電池，可能從2024或2025年開始批量生產(chǎn)。
在法國，博洛雷（Bolloré）公司一直致力于聚合物全固態(tài)電池的研究，其子公司Bat Scap生產(chǎn)的PEO基固態(tài)鋰離子電池用于電動(dòng)汽車，是國際上第一個(gè)采用固態(tài)鋰電池的電動(dòng)汽車案例，但該聚合物固態(tài)電池需要在80℃下工作，且能量密度不夠高，未顯示出相較于液態(tài)電解質(zhì)電池的優(yōu)勢(shì)。
美國則主攻基于聚合物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池的研發(fā)路線，美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）提出，在2020年將電芯能量密度提高至350瓦時(shí)/千克。一些初創(chuàng)電池企業(yè)如Sakit 3、SEEO、Quantum Scape和Solid Power等紛紛宣布在高能量密度全固態(tài)鋰電池研發(fā)方面取得重大進(jìn)展。其中，2015年Sakti 3表示將開發(fā)出能量密度為當(dāng)前鋰電池2倍的全固態(tài)電池，而成本只要鋰電池的五分之一。自 2012 年以來，蘋果公司就開始布局全固態(tài)電池技術(shù)的專利。2017年，美國專利商標(biāo)局公布了蘋果一項(xiàng)與固態(tài)電池充電技術(shù)相關(guān)的新專利。
相比而言，中國的固態(tài)電池進(jìn)展更快。在研發(fā)層面，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所牽頭承擔(dān)的納米先導(dǎo)專項(xiàng)“全固態(tài)電池”課題在2018年年底通過驗(yàn)收。
在企業(yè)方面，中國動(dòng)力電池企業(yè)和車企也表示了最濃厚的興趣。
在上市公司領(lǐng)域，當(dāng)升科技表示，已開展前瞻性開發(fā)工作，預(yù)計(jì)2025年以后固態(tài)鋰電可逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；寧德時(shí)代公司在聚合物固態(tài)鋰金屬電池和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展相關(guān)研發(fā)工作并取得了初步進(jìn)展，其在固態(tài)電池上的思路是對(duì)正極材料做了保護(hù)，提高兼容性問題；比亞迪公司于2017年8月申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利，表示積極推進(jìn)固態(tài)電池項(xiàng)目商用；贛鋒鋰業(yè)2018年3月宣稱，正在對(duì)固態(tài)電池進(jìn)行廣泛試驗(yàn)，將在2019年上半年建成第一代固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線，在2019年12月完成3億元固態(tài)鋰電池銷售，并推動(dòng)第二代固態(tài)鋰電池技術(shù)成熟化，實(shí)現(xiàn)第三代固態(tài)鋰電池可研。
在創(chuàng)業(yè)公司領(lǐng)域，擁有中科院物理所背景，由中國工程院院士陳立泉、北汽新能源前高管俞會(huì)根投資的衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司，在江蘇溧陽成立了江蘇衛(wèi)藍(lán)新能源電池有限公司，正在建設(shè)電池中試線；已經(jīng)完成B輪融資的清陶(昆山)能源發(fā)展有限公司在2018年11月對(duì)外宣布，其建成的全國首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線已于當(dāng)月正式投產(chǎn)。
商業(yè)化還需五年
盡管全球的固態(tài)電池研發(fā)和投資熱鬧非凡，但整體來看，車用固態(tài)電池尚處于研發(fā)階段，遠(yuǎn)未進(jìn)入量產(chǎn)階段。
“雖然固態(tài)電池具有高安全性、高能量密度、循環(huán)次數(shù)高、相對(duì)較輕等特點(diǎn)，但界面阻抗大(電解質(zhì)跟材料界面是固—固狀態(tài)，不利于鋰離子傳輸)、快充難度大(高阻抗、低導(dǎo)電率導(dǎo)致內(nèi)阻大)、成本高等一系列問題尚待解決。”勁邦資本合伙人王榮進(jìn)如此分析。
中科院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊認(rèn)為，現(xiàn)在的固態(tài)電池還停留在研發(fā)階段，主要是因?yàn)楣虘B(tài)電池存在容量衰減、內(nèi)阻增加、內(nèi)路短、熱失控、日歷等失效行為，降低了電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性和可靠性。
從實(shí)操的角度來看，清陶新能源材料研究院院長(zhǎng)何泓材認(rèn)為，固態(tài)電池研發(fā)和生產(chǎn)的挑戰(zhàn)主要在于：高離子導(dǎo)電率固態(tài)電解質(zhì)材料的開發(fā)、固體與固體之間的接觸界面高阻抗和穩(wěn)定性、固態(tài)電池特需設(shè)備的開發(fā)等。只有對(duì)這些挑戰(zhàn)都找到解決方案，固態(tài)電池才能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。不少創(chuàng)業(yè)公司可能僅僅在其中一兩點(diǎn)上有自己的解決方案，最終還是沒能實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
青域基金創(chuàng)始人徐政軍的解釋是，國內(nèi)雖然有不少科研院所、產(chǎn)業(yè)龍頭都在布局研發(fā)，但大都還在實(shí)驗(yàn)室樣品階段。媒體宣傳的所謂固態(tài)電池，都不是真正的“全固態(tài)鋰電池”，很多都是半固態(tài)鋰電池，采用固液混合電解質(zhì)技術(shù)。
在王榮進(jìn)看來，固態(tài)電池的應(yīng)用演進(jìn)路徑是：先要在消費(fèi)電子領(lǐng)域推廣，經(jīng)過充分的驗(yàn)證后， 再經(jīng)過1～2年整車測(cè)試驗(yàn)證，才能真正在汽車上使用，這一過程至少還需要5～7年。
