中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：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年底，成立于2010年的半固態(tài)鋰電池研發(fā)企業(yè)24M對(duì)外宣布，獲得D輪2180萬(wàn)美元融資，資本方來(lái)自高級(jí)陶瓷制造商京瓷集團(tuán)和全球貿(mào)易公司伊藤忠商事。
這家公司從曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)后來(lái)衰落的美國(guó)磷酸鐵鋰電池企業(yè)A123分拆出來(lái)，由中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家蔣業(yè)明博士創(chuàng)立，目標(biāo)是為電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)價(jià)格合理的高能量密度電池，將從2019年開(kāi)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。
24M是新一輪全球動(dòng)力電池競(jìng)賽中的一個(gè)縮影。從全球來(lái)看，中國(guó)、日本、韓國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的諸多車企和電池企業(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——固態(tài)電池領(lǐng)域的“寧德時(shí)代”，后者是中國(guó)創(chuàng)業(yè)板估值最高的公司。
不過(guò)，中國(guó)化學(xué)與物理電源協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)劉彥龍對(duì)“大出行下半場(chǎng)”（wx：investchuxing)分析，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客服的障礙，預(yù)計(jì)真正量產(chǎn)至少要在五年之后。
為何搶注下一代鋰電池
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更高的要求。
2017年中國(guó)政府11月發(fā)布的 《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》規(guī)劃提出，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的單體能量密度在2020年達(dá)到 300Wh/kg，2025年達(dá)到 400Wh / kg,2030年達(dá)到500Wh/kg。
這對(duì)現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池而言是一個(gè)很高的目標(biāo)。 “特斯拉用的電池目前是全球能量密度最高的動(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)300Wh／kg，而國(guó)內(nèi)一般電芯廠家的單體能量密度在230Wh／kg左右，到2020年實(shí)現(xiàn)國(guó)家要求的300Wh/kg挑戰(zhàn)很大。” 清陶能源董事長(zhǎng)馮玉川解釋，但固態(tài)電池就相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
作為下一代電池技術(shù)的固態(tài)電池，對(duì)很多人而言是一個(gè)比較模糊的概念。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，固態(tài)鋰電池是相對(duì)液態(tài)鋰電池而言，是指結(jié)構(gòu)中不含液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的儲(chǔ)能器件。具體來(lái)說(shuō)，它由“正極材料+負(fù)極材料和電解質(zhì)”組成，而液態(tài)鋰電池則由正極材料+負(fù)極材料+電解液和隔膜組成。
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)杰對(duì)“大出行下半場(chǎng)”（wx：investchuxing)介紹，固態(tài)鋰電池采用金屬鋰作為負(fù)極，固體無(wú)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%。
馮玉川分析，“全固態(tài)鋰電池單體的能量密度在實(shí)驗(yàn)室可以到430Wh/kg以上，在中試階段可達(dá)375Wh/kg，在量產(chǎn)階段可以輕松達(dá)到300Wh/kg以上?！?
在能量密度之外，安全性是固態(tài)電池的更大優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)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，是我們公認(rèn)可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。
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(wèn)題的有效方法，也符合未來(lái)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(guò)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)北京理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)碩士研究生楊豪等人的研究，在全固態(tài)鋰電池中, 由于這種鋰金屬負(fù)極的設(shè)計(jì), 一方面電池的重量能量密度和體積能量密度將得到進(jìn)一步的提升, 且其正極材料可以延伸到更多的其他材料; 另一方面, 鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用也帶來(lái)了鋰枝晶生長(zhǎng)所引起的安全問(wèn)題。 而固態(tài)電解質(zhì)具有良好的機(jī)械性能,能有效地防止鋰枝晶的穿透并抑制其生長(zhǎng), 兼具電解質(zhì)和隔膜的功能。
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)，如本文開(kāi)篇提到的24M這家公司的產(chǎn)品。
全球固態(tài)電池最新進(jìn)展
正是因?yàn)楣虘B(tài)電池具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，世界多國(guó)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)公司紛紛投資固態(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(guó)立研究機(jī)構(gòu)——新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)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)在固體電池方面的研究開(kāi)始的較早，水平較高，尤其是在硫系固態(tài)電解質(zhì)方面，日本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(guó)，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(kāi)發(fā)核心電池技術(shù)，將成立一個(gè)規(guī)模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)，來(lái)打造下一代電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。
2018年11月，德國(guó)總理默克爾將計(jì)劃撥發(fā)10億歐元用于支持德國(guó)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(kāi)發(fā)下一代的固態(tài)電池。德國(guó)政府的這一舉措是為了減少德國(guó)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)展固體電池，可能從2024或2025年開(kāi)始批量生產(chǎn)。
在法國(guó)，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(guó)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，且比能量不夠高，未顯示出相較于液態(tài)電解質(zhì)電池的優(yōu)勢(shì)。
美國(guó)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(guó)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350Wh/kg。一些初創(chuàng)的電池企業(yè)如Sakit 3、SEEO、Quantum Scape和SolidPower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(kāi)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(lái)，蘋(píng)果公司就已經(jīng)開(kāi)始布局全固態(tài)電池技術(shù)的專利。2017年，美國(guó)專利商標(biāo)局公布了蘋(píng)果一項(xiàng)與固態(tài)電池充電技術(shù)相關(guān)的新專利。
相比世界其他各國(guó)，中國(guó)的固態(tài)電池進(jìn)展要更快。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”課題在去年年底通過(guò)驗(yàn)收。這一技術(shù)突破將進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)全固態(tài)鋰電池的規(guī)模應(yīng)用，有望讓新能源汽車?yán)m(xù)航更久，更安全。
在企業(yè)方面，作為全球最大的動(dòng)力電池和新能源汽車生產(chǎn)國(guó)，中國(guó)動(dòng)力電池企業(yè)和車企則表示了對(duì)動(dòng)力電池最濃厚的興趣。
在上市公司領(lǐng)域，當(dāng)升科技表示，正在持續(xù)關(guān)注固態(tài)鋰電前沿技術(shù)信息，并已開(kāi)展前瞻性開(kāi)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，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(kāi)展了相關(guān)的研發(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)，提高兼容的問(wèn)題；比亞迪，曾于2017年8月申請(qǐng)了一種全固態(tài)鋰離子電池正極復(fù)合材料及固態(tài)鋰離子電池發(fā)明專利，并在2018年1月表示正在積極推進(jìn)固態(tài)電池項(xiàng)目商用；國(guó)軒高科2018年3月對(duì)外表示，半固態(tài)電池技術(shù)已處于實(shí)驗(yàn)室向中試轉(zhuǎn)換階段；贛鋒鋰業(yè)2018年3月表示，正在對(duì)固態(tài)電池進(jìn)行廣泛試驗(yàn)工作，擬在2018年12月建成第一代固態(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，中科院物理所背景、中科院院士陳立泉和北汽新能源原總工俞會(huì)根投資的背景衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司，在江蘇溧陽(yáng)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(guó)首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線已于11月正式投產(chǎn)。
固態(tài)電池尚在研發(fā)階段
盡管全球的固態(tài)電池研發(fā)和投資熱鬧非凡，但整體來(lái)看車用固態(tài)電池尚處于研發(fā)階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未進(jìn)入量產(chǎn)階段。
“盡管固態(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(wèn)題尚待解決?！眲虐钯Y本合伙人王榮進(jìn)“大出行下半場(chǎng)”（wx：investchuxing)分析。
中科院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員崔光磊認(rèn)為，現(xiàn)在的固態(tài)電池停留在研發(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、日歷失效等失效行為，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(lái)看，清陶新能源材料研究院院長(zhǎng)何泓材對(duì)“大出行下半場(chǎng)”（wx：investchuxing)分析，固態(tài)電池研發(fā)和生產(chǎn)的主要挑戰(zhàn)在于：高離子導(dǎo)電率固態(tài)電解質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)；固體與固體之間的接觸界面高阻抗和穩(wěn)定性問(wèn)題；固態(tài)電池特需設(shè)備的開(kāi)發(fā)等。只有這些挑戰(zhàn)都能找到解決方案，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(méi)能實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
青域基金創(chuàng)始人徐政軍對(duì)“大出行下半場(chǎng)”（wx：investchuxing)解釋，國(guó)內(nèi)好多科研院所像中科院青島能源所、寧波材料所、物理所等都在做，產(chǎn)業(yè)龍頭寧德時(shí)代也在做，但都還在實(shí)驗(yàn)室樣品階段。外面?zhèn)鞯乃^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，電解質(zhì)不是全固態(tài)的，是固液混合的。
因此，王榮進(jìn)預(yù)測(cè)，固態(tài)電池的應(yīng)用演進(jìn)路徑為，先在消費(fèi)電子經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證后才有可能電動(dòng)車上使用, 再經(jīng)過(guò)1-2年整車測(cè)試驗(yàn)證,預(yù)計(jì)整體所需時(shí)間至少為5-7年。
