中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：靠著能量密度、安全性能等方面的優(yōu)勢，固態(tài)電池被視作下一代電動(dòng)汽車發(fā)展的“終極解決方案”。固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。傳統(tǒng)鋰離子電池使用液態(tài)電解質(zhì)作為離子遷移通道，通過隔膜隔離正極和負(fù)極以防止短路；固態(tài)電池則用固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)，基本原理與液態(tài)電池相似，即帶電離子在正極和負(fù)極之間往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)充放電過程。
目前液態(tài)鋰離子電池是全球鋰離子電池的主流技術(shù)，生產(chǎn)工藝及供應(yīng)鏈成熟，伴隨著技術(shù)更新迭代，液態(tài)電池已接近能量密度上限（200~300瓦時(shí)/千克），并且存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池具有輕量化、安全性和能量密度高、使用溫域?qū)挕⒀h(huán)壽命長、快速充放電等優(yōu)勢，能夠解決新能源汽車?yán)m(xù)航和安全性問題。本版推出專題，為您解讀固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景，敬請關(guān)注。
本版文圖由 中石化（上海）石油化工研究院有限公司 楊學(xué)萍 周夢瑾 提供
固態(tài)電池逐漸量產(chǎn)并進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用
隨著電池技術(shù)的進(jìn)步及新能源汽車滲透率的提升，固態(tài)電池（當(dāng)前主要是半固態(tài)電池）逐漸實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2023年全球固態(tài)電池出貨量約7吉瓦時(shí)，市場規(guī)模約90億元，主要為半固態(tài)電池。研究機(jī)構(gòu)EVTank預(yù)計(jì)全固態(tài)電池有望在2030年前后全面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，到2030年全球固態(tài)電池的出貨量將達(dá)到614.1吉瓦時(shí)，在整體鋰電池中的滲透率預(yù)計(jì)在10%左右，市場規(guī)模將超過4000億元。
我國高度重視固態(tài)電池領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)布局，出臺(tái)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》等政策都明確提出加快固態(tài)電池的研發(fā)應(yīng)用。在政策支持下，我國固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得了顯著進(jìn)展，半固態(tài)電池作為過渡階段的產(chǎn)物，在2023年實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)學(xué)意義上的產(chǎn)業(yè)化。
截至2023年底，東風(fēng)汽車、賽力斯、蔚來等車企均已實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池搭載及批量生產(chǎn)。從電池端企業(yè)來看，衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)、孚能科技等企業(yè)均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車。尤其是2023年底，中國臺(tái)灣企業(yè)輝能科技的固態(tài)電池生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，這是全球首條實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的全固態(tài)電池生產(chǎn)線，增強(qiáng)了業(yè)界對(duì)固態(tài)電池量產(chǎn)的信心。
高工產(chǎn)研鋰電研究所（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2023年國內(nèi)固態(tài)電池出貨量約為2.5吉瓦時(shí)，預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)固態(tài)電池出貨量將達(dá)13吉瓦時(shí)，至2030年出貨量將超200吉瓦時(shí)，占全球市場的比例將維持在35%左右。
固態(tài)電池將與液態(tài)電池長期共存互補(bǔ)
隨著市場對(duì)高性能電池的需求不斷增長，固態(tài)電池作為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，吸引了大量資金和技術(shù)投入，但目前仍處于產(chǎn)業(yè)化初期階段，在固態(tài)電池的材料、構(gòu)造、加工等方面依然有諸多問題亟待解決。
固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)主要有以下方面：一是固-固界面接觸時(shí)，存在內(nèi)阻較大，循環(huán)性能、倍率性能差等問題；二是加工工藝難度大，如硫化物固態(tài)電解質(zhì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，同時(shí)涉及薄膜沉積等與現(xiàn)有液態(tài)鋰電池完全不同的生產(chǎn)工藝，電芯工藝放大及大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)尚未解決；三是固態(tài)電解質(zhì)成本高，固態(tài)電池生產(chǎn)過程成本占比超過50%，而目前液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)過程成本占比僅為20%~30%。
由于全固態(tài)電池仍面臨技術(shù)和成本等問題，因此半固態(tài)電池作為過渡技術(shù)，循環(huán)、倍率、低溫性能可滿足實(shí)用化需求，與現(xiàn)有鋰離子電池體系兼容性高，能利用現(xiàn)有生產(chǎn)線，率先迎來規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用。半固態(tài)電池在降低電解液含量的同時(shí)引入固態(tài)電解質(zhì)，部分提升了安全性，但也導(dǎo)致倍率性能變差問題，需要通過添加導(dǎo)電劑和調(diào)控電解質(zhì)配方等方式彌補(bǔ)材料性能缺陷。
未來5~10年是固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵窗口期。固態(tài)電池技術(shù)將朝著大容量、大型化、穩(wěn)定性、安全性等方向發(fā)展。在技術(shù)層面，重點(diǎn)解決固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率偏低、固-固界面接觸性差、穩(wěn)定性不足、金屬鋰易導(dǎo)致枝晶生長等問題。如果固態(tài)電池能夠解決界面工程和規(guī)?；a(chǎn)難題，跨越從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的技術(shù)與成本鴻溝，則有望引領(lǐng)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入新紀(jì)元，形成萬億元級(jí)市場。固態(tài)電池的發(fā)展路徑可能呈漸進(jìn)式，與液態(tài)電池長期共存互補(bǔ)：液態(tài)電池主要應(yīng)用于對(duì)成本敏感、對(duì)能量密度和安全性要求相對(duì)較低的領(lǐng)域；固態(tài)電池則在對(duì)安全性、能量密度要求極高的領(lǐng)域更具競爭力，兩者發(fā)揮各自的優(yōu)勢，應(yīng)用于不同場景，滿足多元化市場需求。
固態(tài)電池的主要性能
與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池使用不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液的電解質(zhì)，解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池電解液泄漏、電極短路等問題，降低了熱失控現(xiàn)象的發(fā)生概率，具有較高的安全性。此外，固態(tài)電池還擁有更高的能量密度，循環(huán)壽命更長，充電速度更快，有望成為推動(dòng)能源清潔轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
（1）能量密度更高。能量密度是衡量動(dòng)力電池的重要指標(biāo)，電池的能量密度越高，意味著在相同體積或重量下可以存儲(chǔ)更多的能量。由于使用固態(tài)電解質(zhì)，全固態(tài)電池不需要使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰作為負(fù)極，可以明顯減少負(fù)極材料的用量，提高整個(gè)電池的能量密度。
（2）體積相對(duì)更小。在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，電解液和隔膜占據(jù)了電池近40%的體積和25%的質(zhì)量。如果使用固態(tài)電解質(zhì)取代電解液和隔膜，正負(fù)極之間的距離甚至可以縮短為只有幾到十幾微米，大大降低了電池的厚度，推動(dòng)電池向小型化、薄膜化轉(zhuǎn)型。
（3）材料柔性更佳。如果厚度可以薄到毫米級(jí)以下，即使是脆性的陶瓷材料，也會(huì)變得具有柔性。因此，輕薄的全固態(tài)電池，柔性程度也會(huì)有明顯的提高。通過使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料，制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
（4）使用更加安全。傳統(tǒng)鋰離子電池可能在大電流下出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞，以及有機(jī)電解液有發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒等安全風(fēng)險(xiǎn)。通過采用全固態(tài)電池技術(shù)，可以避免產(chǎn)生類似的安全問題。
固態(tài)電池的應(yīng)用領(lǐng)域
目前固態(tài)電池尚未大規(guī)模應(yīng)用。業(yè)內(nèi)預(yù)測國內(nèi)市場大規(guī)模商用還需5~10年，多數(shù)固態(tài)電池產(chǎn)品處于驗(yàn)證期，實(shí)際出貨量小。固態(tài)電池主要應(yīng)用于以下三大領(lǐng)域：
（1）消費(fèi)電子
固態(tài)電池具有安全性與柔性優(yōu)勢，有望率先應(yīng)用于對(duì)成本敏感度較小的微電池領(lǐng)域，如智能穿戴、植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等，待技術(shù)進(jìn)步后向高端消費(fèi)電池領(lǐng)域滲透。
（2）新能源汽車
隨著固態(tài)電池產(chǎn)品成熟，將持續(xù)往下游動(dòng)力電池領(lǐng)域滲透進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。動(dòng)力電池尤其是新能源汽車動(dòng)力電池行業(yè)將是未來一段時(shí)間我國固態(tài)電池主要需求領(lǐng)域。固態(tài)電池的應(yīng)用也對(duì)整車的熱管理設(shè)計(jì)、一體化集成、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、全生命周期監(jiān)測和管理提出了新的需求，需要整車企業(yè)和電池企業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、共同改進(jìn)。另外，當(dāng)前以液態(tài)電池為核心的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)非常成熟，切入固態(tài)電池賽道后，從原材料、基材生產(chǎn)、電芯/電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用到電池回收，各環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生影響。
（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)
全固態(tài)電池被公認(rèn)有望突破電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)瓶頸，是滿足未來發(fā)展需求的新興技術(shù)方向。在電化學(xué)儲(chǔ)能方面，鋰電池占電化學(xué)儲(chǔ)能比重達(dá)80%。結(jié)合國家對(duì)能源發(fā)展的指導(dǎo)方針，電化學(xué)儲(chǔ)能在用戶側(cè)、可再生能源并網(wǎng)配套等領(lǐng)域的需求有望迎來快速增長，這也將拉動(dòng)固態(tài)電池的高速發(fā)展。
固態(tài)電池的組成與主要類型
固態(tài)電池主要由正極、負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)三部分組成。其中，正極材料通常采用鋰鈷氧化物、鎳錳鈷酸鋰、富鋰錳基等，負(fù)極材料通常采用金屬鋰或碳材料，固態(tài)電解質(zhì)采用硫化物、氧化物、聚合物等固體材料。根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)用量，固態(tài)電池可分為半固態(tài)電池和全固態(tài)電池。通常情況下，液體質(zhì)量占比低于10wt%（質(zhì)量百分比）的電池是半固態(tài)電池，能量密度高于350瓦時(shí)/千克；液體質(zhì)量占比降為0的電池是全固態(tài)電池，能量密度高于500瓦時(shí)/千克。
其中，固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心組成部分，可同時(shí)作為電池隔膜及電池電解質(zhì)。電解質(zhì)的核心作用是在正負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子。理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)滿足電子電導(dǎo)率高、界面阻抗低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性高、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。當(dāng)前研發(fā)中的固態(tài)電解質(zhì)主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術(shù)路線。
