“中國要不要發(fā)展全固態(tài)電池？中國是目前液態(tài)鋰離子電池的領(lǐng)先國家，好像也不用擔(dān)心。就算是全固態(tài)電池搞出來，就算是2030年產(chǎn)業(yè)化，要想替代液態(tài)鋰離子電池50%市場份額，至少需要二十到三十年?！?/p>

1月21日，中國全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)于北京正式成立，在大會(huì)的主題演講中，中科院院士歐陽明高再次提醒國內(nèi)電池產(chǎn)學(xué)研同行，要對(duì)完全不使用液態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池對(duì)于現(xiàn)有鋰離子電池的替代保持高度警惕。

對(duì)此，他以電動(dòng)車對(duì)燃油車的替代為例，“國內(nèi)電動(dòng)車現(xiàn)在對(duì)燃油車也就只替代了30%，全球就驚呼中國車要領(lǐng)先了。2016年左右，我國的新能源汽車市場占有率達(dá)到1%的時(shí)候，全球開始向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向?！睔W陽明高說?！安恍枰?0%，到1%就已經(jīng)預(yù)警了?！?/p>

在歐陽明高看來，“對(duì)于汽車技術(shù)而言，1%是很重要的市場份額，所以全固態(tài)電池的市占份額不需要替代到50%，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義?！?/p>

根據(jù)全球資訊機(jī)構(gòu)SNE research去年發(fā)布的報(bào)告，到2030年，全球液態(tài)鋰離子電池供應(yīng)量將從2023年的687GWh增加到2943GWh，增加4.3倍，占電池市場的95%以上，全固態(tài)電池的供應(yīng)量則會(huì)從2025年開始的0.2GWh，增加到131GWh，市場滲透率將達(dá)到4%左右。

全固態(tài)電池為何具有技術(shù)顛覆潛力？

據(jù)介紹，全球關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)研究始于上世紀(jì)70年代。近十年來，以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為代表的新型固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展迅猛，電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率趕上甚至超過液態(tài)電解質(zhì)。

標(biāo)志性事件是2011年東京工業(yè)大學(xué)的Kanno教授發(fā)明硫化物固態(tài)電解質(zhì)。2016年，Kanno將離子電導(dǎo)率提升至25mS/cm，2023年最高達(dá)到32mS/cm。而在2012年，日本豐田試制了全固態(tài)電池，隨后不斷有企業(yè)加入從而引發(fā)了這一輪全固態(tài)電池的全球競爭。

“現(xiàn)在大家越來越有共識(shí)，全固態(tài)電池是下一代電池的首選方案之一，被列入中國、美國、歐盟、日韓等主要國家的發(fā)展戰(zhàn)略，也成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點(diǎn)?！睔W陽明高說。

在歐陽明高看來，全固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的潛力，首先是由于高安全性。硫化物固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性可以保持到300°C，液態(tài)電解質(zhì)是100°C就要蒸發(fā)。

其次是高能量密度。不僅從單體電池，而且從電池模組的角度也有潛力，因?yàn)槿虘B(tài)電池可以做成雙極板，不需要太多電池外殼，就像燃料電池一樣串疊起來就可以，因此能夠從單體和模組兩個(gè)方面都可以提升能量密度。

再次是高功率特性。歐陽明高介紹，現(xiàn)在液態(tài)鋰離子電池的離子傳導(dǎo)是運(yùn)載模式，需要溶劑化，再要脫溶劑化?！巴ㄋ字v就是離子在液態(tài)電解質(zhì)中移動(dòng)需要‘坐船’，但是鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)中是跳躍模式，傳遞速率更高，從而導(dǎo)致充電速度可以大幅度提高。”歐陽明高說。

其后是溫度適應(yīng)性?，F(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池在低溫環(huán)境下續(xù)航里程不理想。液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)率和溫度直接相關(guān)，而全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30°C和100°C的范圍內(nèi)都不會(huì)凝固，不會(huì)氣化，所以溫度適應(yīng)性很好，也不需要很復(fù)雜的熱管理，不會(huì)在冬天容量大幅下降。

最后是材料的選擇范圍更廣，因?yàn)楣虘B(tài)電池的電化學(xué)窗口寬，例如鹵化物抗氧化特性非常好，可以適應(yīng)高壓，硫化物適應(yīng)低電壓，把這兩種材料配合起來，就可以做成電化學(xué)窗口很寬的電池，把電壓進(jìn)一步提升。

最重要的是，這樣一些特性在固態(tài)電池中可以同時(shí)滿足。因此歐陽明高認(rèn)為，全固態(tài)電池是動(dòng)力電池重要的發(fā)展方向之一。

中日韓美全固態(tài)電池競爭現(xiàn)狀，中國為何還要發(fā)力？

2023年以來，全球全固態(tài)電池技術(shù)的競爭日趨激烈。據(jù)歐陽明高介紹，從全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局來看，中國的企業(yè)最多。其次是日本，日本企業(yè)雖然不多，但是實(shí)力很強(qiáng)。

“日本是舉國家之力推動(dòng)全固態(tài)電池商業(yè)化。日本有官-產(chǎn)-學(xué)聯(lián)盟，豐田、本田、日產(chǎn)三家車企，既做全固態(tài)電池研發(fā)又做整車生產(chǎn)，在電池與整車性能匹配結(jié)合方面比較有優(yōu)勢(shì)。其中豐田起步最早、研發(fā)最深，日產(chǎn)、本田近期發(fā)布了各自試生產(chǎn)和產(chǎn)品上線的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

韓國的研發(fā)以國內(nèi)三大電池商為主，LG新能源、sk on、三星SDI。三家電池商在全固態(tài)電池技術(shù)方面也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，尤其是三星。美國以初創(chuàng)電池企業(yè)為主，以資本市場和歐洲車廠為支撐。例如Solid Power和寶馬合作，Quantum Scape和大眾合作?；井a(chǎn)業(yè)化時(shí)間都是在2027-2030。

而在中國國內(nèi)，據(jù)介紹，目前業(yè)內(nèi)固態(tài)電池技術(shù)路線跟日、韓、美不同，技術(shù)是以固液混合電解質(zhì)為主，即氧化物和聚合物電解質(zhì)等結(jié)合，硫化物全固態(tài)電解質(zhì)在國內(nèi)并不是主導(dǎo)技術(shù)路線。

在歐陽明高看來，半固態(tài)電池中，固液混合的電化學(xué)原理與液態(tài)鋰離子電池是相同的，不屬于顛覆性技術(shù)?！鞍牍虘B(tài)電池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命這些問題還需要解決。即便大規(guī)模生產(chǎn)，還需要提高良品率、降低電池成本，而且充電倍率一般會(huì)有所下降，循環(huán)壽命也會(huì)很難跟液態(tài)鋰電池比較?！睔W陽明高說。

不僅如此，在全固態(tài)電池專利技術(shù)方面，目前國內(nèi)外專利的布局差距較大，據(jù)介紹，豐田汽車目前有全固態(tài)電池專利1300多項(xiàng)。根據(jù) “智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫”數(shù)據(jù)，截止2023年10月，中國國內(nèi)公司有關(guān)全固態(tài)電池的專利，不足一百項(xiàng)。

歐陽明高認(rèn)為，從全行業(yè)看，中國既要發(fā)展這種漸近性的半固態(tài)技術(shù)路線，又要防范激進(jìn)型全固態(tài)技術(shù)路線帶來的顛覆性風(fēng)險(xiǎn)。

“這種風(fēng)險(xiǎn)在哪里？就像十幾年前汽車電動(dòng)化轉(zhuǎn)型時(shí)期，就是在選擇是混合動(dòng)力還是純電驅(qū)動(dòng)，”歐陽明高說，“后來我國的國家汽車戰(zhàn)略選擇了純電驅(qū)動(dòng)，包括了純電動(dòng)和插電混動(dòng)，而把油電混動(dòng)不作為主要的方式，這個(gè)情形和今天是類似的。全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化面臨材料提升等難題，需要協(xié)同創(chuàng)新

歐陽明高坦言，目前國內(nèi)發(fā)展全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學(xué)科的特性、技術(shù)門檻極高，包括材料界面、工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)備等。

首先是全固態(tài)電池的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。

在科學(xué)方面，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化仍然面臨一系列的科學(xué)難題，需要從關(guān)鍵材料、界面、復(fù)合電極、單體電池不同層面進(jìn)行解決?！袄绮牧蠈用?，硫化物電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性很差，批量生產(chǎn)很難，基礎(chǔ)硫化鋰很貴，需要壓低價(jià)格。此外，硅碳負(fù)極體積膨脹大，而鋰金屬負(fù)極現(xiàn)在還不成熟?！睔W陽明高說。

在界面層面，電極材料、固態(tài)電解質(zhì)的界面相容性，包括界面的副反應(yīng)，固-固界面機(jī)械接觸和體積變化等，要尋找新的材料作為過渡層，這些都要材料的創(chuàng)新。

在電極層面，高面載復(fù)合電極應(yīng)變條件下的電荷輸運(yùn)緩慢，此外還有機(jī)械失效等問題。

在電芯層面，電池制作的環(huán)境控制成本高，因?yàn)榭諝夥€(wěn)定性問題，目前電芯只能在手套箱里面做，制作效率比較低。此外，全固態(tài)電池電芯做大做厚很難，最后車載工況下的電芯性能綜合評(píng)估目前也沒有相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

其次是全固態(tài)電池的工藝設(shè)備挑戰(zhàn)。

據(jù)歐陽明高介紹，在制作工藝上，如果全固態(tài)電池制造用濕法工藝，大概能保留一半的現(xiàn)有液體鋰離子電池制造設(shè)備。如果用干法工藝，三分之二的現(xiàn)有設(shè)備都不能用，要用新設(shè)備。這就需要電池設(shè)備廠商同步。

再次是電池產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)。

“中國電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侨蜃顝?qiáng)大的。但是現(xiàn)在如果做全固態(tài)電池，那么從原料到基材生產(chǎn)、電芯/電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用到電池回收，全生命周期的產(chǎn)業(yè)鏈都會(huì)造成巨大的沖擊?！睔W陽明高說。

“這些問題都需要一個(gè)個(gè)解決。當(dāng)然也不要被這些困難所壓倒，雖然它面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。但中國全固態(tài)電池的研發(fā)目前來看認(rèn)識(shí)還不統(tǒng)一、力量比較分散、產(chǎn)學(xué)研不協(xié)調(diào)，需要聯(lián)合起來建立協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，共同突破全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)?！睔W陽明高說。

而也就是在1月21日，中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)的支持指導(dǎo)下的中國全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)成立，來自“政－產(chǎn)－學(xué)－研－金”各界重要代表200余人參加成立大會(huì)。

其中包括全國政協(xié)常委、經(jīng)濟(jì)委員會(huì)副主任苗圩，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱，上汽集團(tuán)副總裁祖似杰，比亞迪首席科學(xué)家廉玉波，以及多位重量級(jí)中國科學(xué)院、中國工程院院士等。

據(jù)歐陽明高介紹，這個(gè)平臺(tái)包括三個(gè)子平臺(tái)：科研服務(wù)平臺(tái)、基礎(chǔ)研發(fā)平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)協(xié)作平臺(tái)。

其中科研服務(wù)平臺(tái)主要工作包括政策研究、公眾宣傳、資金籌措、成果轉(zhuǎn)化等；基礎(chǔ)研發(fā)的平臺(tái)包括基礎(chǔ)研究、建立合作數(shù)據(jù)庫等；產(chǎn)業(yè)協(xié)作平臺(tái)包括工藝裝備、測試平臺(tái)合作等。

在歐陽明高看來，人工智能正在改變材料的研發(fā)范式，將大幅度加速全固態(tài)電池的研發(fā)速度，會(huì)對(duì)2030左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性。    

“展望中國動(dòng)力電池材料體系的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，低成本電池很重要，這是產(chǎn)業(yè)主體，但是同時(shí)我們也要高比能電池?！睔W陽明高說?！拔覀円獌深^發(fā)力，光一頭不行。高比能電池中， 2030年左右全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破的可能性極大，我們要敲響警鐘，全力以赴，只爭朝夕?！?/p>