中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：固態(tài)電池是未來電池技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一，被廣泛認(rèn)為是具有顛覆性的下一代動(dòng)力電池。
“固態(tài)電池普及之日，就是燃油車退出歷史舞臺(tái)之時(shí)。”這句長期流傳于市場的預(yù)言始終激勵(lì)著動(dòng)力電池企業(yè)不斷在該領(lǐng)域取得突破。就在近半年，被譽(yù)為“鋰電池圣杯”的固態(tài)電池，發(fā)展速度在驟然加快。
今年6月，在日本舉行的技術(shù)發(fā)布會(huì)上，豐田表示計(jì)劃將在2027年開始為電動(dòng)汽車生產(chǎn)固態(tài)電池，并稱已經(jīng)取得了解決電池耐久性問題的 "技術(shù)突破 "和 "材料解決方案"，這將使由固態(tài)電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的續(xù)航能力達(dá)到1200公里，充電時(shí)間縮短至10分鐘。
10月23日，英國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道稱，在電池材料方面取得突破之后，豐田在制造技術(shù)方面也取得了進(jìn)展，這將使其能夠在 2027 年或 2028 年大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池。
10月25日，美國固態(tài)電池公司Quantum Scape更新了其全固態(tài)電池循環(huán)的數(shù)據(jù)，再次刷新了全固態(tài)電池循環(huán)性能測試結(jié)果。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，按照C/3充電以及C/2放電的測試條件，進(jìn)行100%SOC循環(huán)，電池循環(huán)1000周，能量保持率仍達(dá)到95%以上，就連Quantum Scape自己都喜出望外。
11月初，另一家美國固態(tài)電池巨頭Solid Power在披露其三季報(bào)時(shí)表示，已向?qū)汃R公司交付了第一批A-1電動(dòng)汽車電池，并透露寶馬方面演示車項(xiàng)目的交付已步入正軌，這意味著公司的固態(tài)電池正式進(jìn)入了裝車驗(yàn)證階段。寶馬希望在2025年之前推出第一輛基于Solid Power電池技術(shù)的原型車。
最新的進(jìn)展來自于正在如火如荼舉辦的廣州國際車展。11月17日，廣汽集團(tuán)宣布固態(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。
固態(tài)電池有什么特別之處？各大廠商為何紛紛押注固態(tài)電池？國內(nèi)進(jìn)展如何？
01.固態(tài)電池獨(dú)特在何處？
鋰電池由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜四大主材組成，起到輸送離子、傳導(dǎo)電流的作用。但傳統(tǒng)鋰電池的液態(tài)電解質(zhì)中，有機(jī)溶劑具有易燃性、高腐蝕性，同時(shí)抗氧化性較差、無法解決鋰枝晶問題，因此存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，也限制了高電壓正極、鋰金屬負(fù)極等高能量材料的使用。
圖說：固態(tài)電池與目前主流液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)對(duì)比
來源：旺財(cái)鋰電，中國銀河證券
固態(tài)電池則是指使用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電解液的鋰電池，按照固態(tài)電解質(zhì)用量可分為半固態(tài)電池和全固態(tài)電池。通常將電池內(nèi)液體含量 10%作為區(qū)分半固態(tài)電池和液態(tài)電池的分界線，而全固態(tài)電池將完全使用固態(tài)電解質(zhì)，液體含量將降為 0%。聚合物、氧化物、硫化物是目前固態(tài)電池三大類固體電解質(zhì)。
圖說：固態(tài)電解質(zhì)的性能及結(jié)構(gòu)要求
來源：姚忠冉等：鋰離子電池氧化物固態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展
與目前主流液態(tài)電解質(zhì)鋰電池相比，固態(tài)電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：
1） 固態(tài)電解質(zhì)本身不可燃，抑制鋰枝晶生長提高安全性。固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)，具備不可燃、無腐蝕、無揮發(fā)等特性，可在更高倍率和更高溫度運(yùn)行，同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)具備高機(jī)械強(qiáng)度，鋰枝晶生長緩慢且難刺透，進(jìn)一步提升了電池安全性能。
2） 兼容高比容量正負(fù)極，極大提升能量密度。固態(tài)電池電化學(xué)穩(wěn)定性窗口寬，可能搭配負(fù)載 5V 電壓，適配硅基、金屬鋰等負(fù)極材料，進(jìn)而大幅提升電芯能量密度。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)可將電解液的隔膜功能合二為一，從而降低電池厚度，提升電芯能量密度。
3） 重量減輕，易于回收。固態(tài)電池可以實(shí)現(xiàn)多層正極、固態(tài)電解質(zhì)和負(fù)極材料堆積，有效簡化封裝，使得整體電池包的重量和體積得以縮減。固態(tài)電解質(zhì)在回收處理也時(shí)更加方便。
圖說：液態(tài)-固態(tài)電池材料體系及能量密度發(fā)展趨勢
來源：東吳證券研究所
02.豐田：希望通過固態(tài)電池彎道超車
上世紀(jì)70年代，全球遭遇石油危機(jī)，豐田憑借“節(jié)能”而名聲大噪，一舉奠定了燃油車時(shí)代的霸主地位。
面對(duì)當(dāng)下的新能源狂潮，電動(dòng)化“落后生”豐田一直希望通過提早布局固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)行彎道超車。其布局固態(tài)電池最早可以追溯到2008年，當(dāng)時(shí)該公司宣布和英國創(chuàng)業(yè)公司伊利卡 (Ilika) 合作共同研發(fā)固態(tài)電池材料。2017年時(shí)豐田便宣布在2020年生產(chǎn)固態(tài)電池，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。但2021年又改口稱“全固態(tài)電池進(jìn)展并不樂觀?！?
在經(jīng)歷了反復(fù)跳票之后，豐田的固態(tài)電池之夢(mèng)終于在今年見到了曙光。
圖說：豐田正在開發(fā)的全固態(tài)電池
來源：豐田
今年6月，在日本舉行的技術(shù)發(fā)布會(huì)上，豐田表示力爭在2027-2028年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化生產(chǎn)，并稱已經(jīng)取得了解決電池耐久性問題的 "技術(shù)突破 "和 "材料解決方案"，這將使由固態(tài)電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的續(xù)航能力達(dá)到1200公里，充電時(shí)間縮短至10分鐘。
7月，在固態(tài)電池技術(shù)取得突破后，豐田表達(dá)了從電池尺寸到成本和重量均減半的決心。豐田碳中和研發(fā)中心總裁Keiji Kaita表示，簡化電池材料的生產(chǎn)流程將降低下一代技術(shù)的成本，并徹底改變目前電池的現(xiàn)狀：“對(duì)于豐田的液態(tài)和固態(tài)電池，我們的目標(biāo)是徹底改變目前電池太大、太重、太貴的狀況，我們的目標(biāo)是將所有這些因素減半?！?
圖說：豐田電池技術(shù)路線圖
來源：豐田
9月，豐田公布了先進(jìn)電池技術(shù)路線圖。豐田表示，最近的進(jìn)步克服了固態(tài)電池耐用性方面的挑戰(zhàn)，已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)⒐虘B(tài)電池投入大規(guī)模生產(chǎn)，目標(biāo)是到 2027-2028 年電池可投入商業(yè)使用。與此同時(shí)，豐田已經(jīng)在開發(fā)更高規(guī)格的鋰離子固態(tài)電池，目標(biāo)是與高性能電池相比，續(xù)航里程提高 50%。
10月12日，豐田和出光興產(chǎn)宣布，將合作量產(chǎn)純電動(dòng)汽車（EV）用的新一代“全固態(tài)電池”。豐田計(jì)劃2027~2028年推出配備全固態(tài)電池的汽車，通過與擁有材料制造技術(shù)的出光合作，提高開發(fā)速度。此次，兩家企業(yè)將開展合作的是硫化物類固態(tài)電解質(zhì)，具有柔軟、容易與其他材料緊密接合和容易量產(chǎn)的特點(diǎn)。
10月底，英國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，在電池材料方面取得“突破”之后，豐田在制造技術(shù)方面也取得了進(jìn)展，這將使其能夠以與現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池相同的速度制造下一代固態(tài)電池，這標(biāo)志著全球這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化競賽的一個(gè)里程碑。
不過，要實(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)，還需要克服其他技術(shù)障礙，豐田的工程師表示：“我們?nèi)匀恍枰诖_保電池材料的數(shù)量和質(zhì)量方面取得突破。”
03.寶馬、大眾：投資創(chuàng)業(yè)公司，合作開發(fā)固態(tài)電池
與豐田完全自研固態(tài)電池不同，寶馬、大眾、奔馳、通用等其他歐美汽車巨頭選擇了通過投資初創(chuàng)企業(yè)進(jìn)行固態(tài)電池布局。
2021年5月，福特、寶馬在固態(tài)電池初創(chuàng)公司 Solid Power 的 B 輪融資中，領(lǐng)投 1.3 億美元。提前下注未來固態(tài)電池市場。福特更是參與了 Solid Power 的 A 輪融資。這筆融資，將被用于擴(kuò)大 Solid Power 的汽車電池生產(chǎn)規(guī)模，以實(shí)現(xiàn)未來與客戶車輛的整合。
2023年1月，寶馬集團(tuán)公布，將與 Solid Power 啟動(dòng)下一階段全固態(tài)電池的聯(lián)合研發(fā)。SolidPower 將向?qū)汃R授權(quán)電池設(shè)計(jì)和制造工藝，幫助寶馬在慕尼黑附近的工廠建設(shè)中試線。寶馬計(jì)劃，第一輛采用全固態(tài)電池的原型車在 2025 年之前推出，2030 年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)。
11月初，Solid Power在披露其三季報(bào)時(shí)表示，已向?qū)汃R公司交付了第一批A-1電動(dòng)汽車電池，并透露寶馬方面演示車項(xiàng)目的交付已步入正軌，這意味著公司的固態(tài)電池正式進(jìn)入了裝車驗(yàn)證階段。此前，Solid Power 于 2022 年夏季建立了第一條硫化物電解質(zhì)材料的全固態(tài)電池試點(diǎn)生產(chǎn)線，每年生產(chǎn)約 15,000 塊電池，其中大部分用于汽車資格測試。
稍早前的10月底，另一家美國固態(tài)電池公司Quantum Scape更新了其全固態(tài)電池循環(huán)的數(shù)據(jù)，再次刷新了全固態(tài)電池循環(huán)性能測試結(jié)果。
圖說：Quantum Scape A0原型電池最新測試結(jié)果
來源：Quantum Scape
此次測試的為24層A0原型電池，根據(jù)某知名整車廠提供的測試數(shù)據(jù)，按照C/3充電以及C/2放電的測試條件，進(jìn)行100%SOC循環(huán)，電池循環(huán)1000周，能量保持率仍達(dá)到95%以上，就連Quantum Scape自己都喜出望外。
Quantum Scape的背后則是大眾，大眾已向 Quantum Scape 累計(jì)投資3億美元，并成為其最大的股東。Quantum Scape 于2022年向大眾交付了第一批A樣原型氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池供測試，在公司的演示材料中，其產(chǎn)品能量密度可達(dá)350Wh/kg、1000Wh/L，并已能實(shí)現(xiàn)1000次循環(huán)下80%+的容量保持率，遠(yuǎn)超商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。此外，QS還宣布已與大眾合作啟動(dòng)生產(chǎn)線的建設(shè)，預(yù)計(jì)在2025年可投產(chǎn)。
圖說：相關(guān)車企布局推動(dòng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
來源：高工鋰電，中國銀河證券
04.國內(nèi)欣欣向榮，飛速發(fā)展
當(dāng)前半固態(tài)電池處于產(chǎn)業(yè)前夕，我國主流廠商也已提前積極布局固態(tài)電池相關(guān)研發(fā)生產(chǎn)線。國內(nèi)布局固態(tài)電池的企業(yè)眾多，既有傳統(tǒng)老牌電池企業(yè)，也有上游原材料企業(yè)，還有背靠頂級(jí)科研院所的專業(yè)化固態(tài)電池公司。各企業(yè)路線選擇也非常豐富：硫化物路線代表企業(yè)有寧德時(shí)代、蜂巢能源等；氧化物路線代表企業(yè)有贛鋒鋰業(yè)、輝能科技等；聚合物路線代表企業(yè)有衛(wèi)藍(lán)新能源等。
圖說：固態(tài)（半固態(tài)）電池企業(yè)研發(fā)進(jìn)程規(guī)劃
來源：鑫欏鋰電，中銀證券
位列其中的衛(wèi)藍(lán)新能源和清陶能源分別綁定了蔚來和上汽集團(tuán)等車企，二者都帶有國家科研院所的背景，衛(wèi)藍(lán)新能源是中國科學(xué)院物理研究所固態(tài)電池技術(shù)唯一的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，清陶能源則脫胎于清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
值得注意的是，由于目前全固態(tài)電池技術(shù)和工藝難題仍未完全解決，且成本較高，因此，我國電池企業(yè)普遍選擇“從液態(tài)到半固態(tài)再到固態(tài)”的漸進(jìn)式發(fā)展路線。
“相比于半固態(tài)，全固態(tài)電池肯定更具優(yōu)勢。但現(xiàn)在全固態(tài)在技術(shù)上還沒有完全被攻克。”伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究部總經(jīng)理吳輝此前接受《中國能源報(bào)》記者采訪時(shí)提到，“所以，目前業(yè)內(nèi)普遍將目光聚焦于一種折中產(chǎn)品，也就是還含有一部分電解液的半固態(tài)電池?！?
與此同時(shí)，國內(nèi)車企也積極推進(jìn)半固態(tài)電池裝車試驗(yàn)，希望憑借性能優(yōu)勢打出差異供給以提升競爭力，券商普遍認(rèn)為2023年有望成為半固態(tài)電池裝車元年。東風(fēng)、蔚來、賽力斯已宣布將于今年實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池裝車，長安深藍(lán)、廣汽埃安、高合等汽車品牌普遍規(guī)劃2025年前裝車半固態(tài)電池。
05.寫在最后
雖然固態(tài)電池具有高能量密度、高安全性等特點(diǎn)，但在商業(yè)化進(jìn)程中也面臨著制造工藝復(fù)雜、成本高企等挑戰(zhàn)。韓國新能源研究機(jī)構(gòu) SNE報(bào)告曾指出，即便到了量產(chǎn)階段，全固態(tài)電池的成本至少也是鋰離子電池的兩倍，跟新能源汽車行業(yè)追求的降本背道而馳。高盛也曾在此前的報(bào)告中指出，固態(tài)電池“未來十年擴(kuò)大規(guī)模的道路相對(duì)艱難”。
已有固態(tài)電池技術(shù)儲(chǔ)備的“帶頭大哥”寧德時(shí)代對(duì)固態(tài)電池的看法，也不那么樂觀。7月6日舉行的2023年中國汽車論壇上，寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司首席科學(xué)家吳凱對(duì)豐田的固態(tài)電池規(guī)劃評(píng)價(jià)道：“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。但是到2027年，我也沒法預(yù)測。以寧德時(shí)代的技術(shù)水平而言，也很有難度?！?
固態(tài)電池能否如約而至，撐起燃油車“終結(jié)者”、鋰電池“圣杯”的名號(hào)，讓我們拭目以待。
