固態(tài)電池輕松續(xù)航1000公里，燃油車的末日來了嗎？

2023年6月，北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司（以下簡稱衛(wèi)藍新能源）宣布360Wh/kg鋰電池電芯正式交付蔚來汽車；2024年3月25日，上汽旗下智己汽車披露，行業(yè)首個準900V超快充固態(tài)電池即將量產上車；4月2日，太藍新能源也宣布，在“車規(guī)級全固態(tài)鋰電池”的研發(fā)方面取得重大進展，成功制備出實測能量密度達到720Wh/kg的超高能量密度體型化全固態(tài)鋰金屬電池。

據蔚來創(chuàng)始人李斌實測，150kWh（即150度電）電池包行駛距離達1044公里。據悉，該電池包的電芯能量密度為360Wh/kg，電池包能量密度為260Wh/kg。

若720Wh/kg能量密度電芯真的量產，或許2000公里續(xù)航也不是夢。不過，目前固態(tài)電池需要使用多種新型材料，底層材料學問題尚待解決。此外，還存在生產工藝不成熟、產業(yè)鏈配套需降低成本等問題。

固態(tài)電池概念受熱捧

實際上，目前各大廠商推出的固態(tài)電池，大多為固態(tài)、液態(tài)混合電池，或稱半固態(tài)電池。盡管仍未達到全固態(tài)，但半固態(tài)電池的推出仍然意義非凡。

此前，動力電池廠商技術提升主要體現在結構優(yōu)化領域。不管是刀片電池、短刀片電池，還是CTB（電池車身一體化）、4680電池，主要是電池包層面結構優(yōu)化，而非電芯層面能量密度提升。

而固態(tài)、半固態(tài)電池，是真正通過化學材料的改變，提升能量密度、改進安全性能等方面。

從液態(tài)電池走向固態(tài)、半固態(tài)，最核心是電解質的改變。4月7日，孚能科技研究院固態(tài)組專家表示：“半固態(tài)或固態(tài)是指電解質從液態(tài)向固態(tài)化發(fā)展的技術路線，隨著液態(tài)電解液用量的減少，鋰離子電池的安全性得到大幅提升，也讓更高能量密度材料體系的應用成為可能?！?/span>

4月7日，鑫欏資訊主編呂真真在微信上表示：“固態(tài)電池體系包括聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系、鹵化物體系和復合電解質體系。目前行業(yè)內主流是前三者?！?/span>

當下資本市場熱炒的三祥新材，就屬于氧化物體系。3月25日至4月3日，三祥新材區(qū)間漲幅達85.09%。

據了解，三祥新材主要業(yè)務為鋯系制品、鑄造改性材料等工業(yè)新材料的研發(fā)、生產和銷售，主要產品為電熔氧化鋯、海綿鋯、氧氯化鋯及特種陶瓷等。

氧化物體系中，鋰鑭鋯氧（LLZO）由氫氧化鋰、氧化鑭、氧化鋯混合燒結而成。對于公司是否向固態(tài)/半固態(tài)電池廠商供應氧化鋯等電解質材料，4月7日三祥新材工作人員回復稱：“目前我們（鋯基材料）只有送樣?！睂τ诰唧w送樣哪些固態(tài)電池廠商，是否送樣衛(wèi)藍新能源、清陶能源等，其表示“無法告知”。

同樣被熱炒的，還有老牌正極材料廠商當升科技。3月25日至4月3日，當升科技區(qū)間漲幅達24.37%。

據當升科技2023年年報，公司在固態(tài)鋰電正極材料商業(yè)化應用方面走在了行業(yè)前列，超高鎳產品銷量同比實現數倍增長，年內累計出貨數百噸，持續(xù)提升在“輝能”、“清陶”、衛(wèi)藍新能源、贛鋒鋰電等固態(tài)電池客戶的供應份額，并成功配套用于上汽集團、VinFast（越南車企）等全球一線車企固態(tài)車型上。

固態(tài)電池：“安全不爆炸、能量密度大”

據乘聯會數據，2024年3月，新能源車在零售市場滲透率超過40%。盡管如此，新能源車仍然因為起火、自燃、冬季續(xù)航焦慮、電池老化等問題為一些人詬病。

但若固態(tài)電池成功量產，上述很多問題將得以解決。孚能科技研究院固態(tài)組專家認為：“目前所使用的有機液態(tài)電解質在鋰離子電池充放電過程中會不可避免地發(fā)生副反應，影響鋰離子電池的使用壽命；同時，液態(tài)電解質中的有機溶劑具有易燃性和高腐蝕性，抗氧化性較差，因此存在熱失控的風險?！?/span>

對于固態(tài)電池相對液態(tài)電池的優(yōu)勢，其表示：“首先是安全性的提升。只有在實現本征（物質本身的特征）安全的基礎上才可以應用高電壓正極和鋰金屬負極等高性能材料，最終達成更高能量密度的目標，取得性能與成本的兼顧，才能制造出滿足TWh（億千瓦時）時代需求的動力電池?！?/span>

呂真真表示：“理論上，固態(tài)、半固態(tài)電池有以下幾個方面的優(yōu)勢：固態(tài)電解質更耐高溫，可拓寬工作溫度（區(qū)間），無需添加冷卻子系統(tǒng)；固態(tài)電解質無可燃液態(tài)電解液，可提高使用的安全性；固態(tài)電池可簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，實現電芯內部的串聯結構，提升體積能量密度?！?/span>

因此，呂真真認為：“基于這些優(yōu)勢，也就意味著固態(tài)、半固態(tài)在應用方面可以在較大倍率下進行充放電，縮短充電時間，提高功率輸出；可在過充過放、過熱、沖擊、穿刺等極端條件下使用；減少電池組的尺寸和重量提高電池的續(xù)航里程?！?/span>

也有投資者把固態(tài)電池的優(yōu)勢總結為“安全不爆炸、能量密度大”。

智慧芽提供的數據顯示，截至4月7日，全球固態(tài)電池相關專利已超過1.5萬件，其中授權發(fā)明專利超過5500件。從技術維度看，該領域的專利主要聚焦于固體電解質、正電極、負電極等細分技術領域。

目前，全球在固態(tài)電池相關領域布局專利數量（包括取得、在審和失效量）靠前的企業(yè)有豐田自動車株式會社、株式會社LG新能源、株式會社村田制作所、現代自動車株式會社、起亞自動車株式會社等。

中國企業(yè)在固態(tài)電池相關領域布局專利數量靠前的有北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司、蜂巢能源科技股份有限公司（以下簡稱蜂巢能源）、蜂巢能源科技（無錫）有限公司、浙江鋒鋰新能源科技有限公司、國聯汽車動力電池研究院有限責任公司等。

而發(fā)明人排名分析中，陳少杰、俞會根位列前十。結合上述公司專利布局排名，這兩人或為蜂巢能源固態(tài)電池開發(fā)部部門總監(jiān)陳少杰，以及衛(wèi)藍新能源總經理俞會根。

快充電池能否解決離子電導性問題？

“安全不爆炸、能量密度大”，固態(tài)、半固態(tài)電池看起來很完美，但在其發(fā)展中仍存在不少挑戰(zhàn)。

首先是電解質材料。具體來看，固態(tài)、半固態(tài)電池由于技術路線的不同，各種電解質技術路線優(yōu)缺點也不同。呂真真梳理道：

聚合物體系主要使用材料是PEO（聚環(huán)氧乙烷）等，其優(yōu)勢為柔韌性好、質量輕、成本低、易于加工；劣勢為常溫下離子電導率低，電化學窗口窄。歐美企業(yè)多采用該體系路線。

氧化物體系主要使用材料是石榴石（Garnet）、鈉離子導體（NASICON）等，其優(yōu)勢為循環(huán)性能良好，電化學穩(wěn)定性高；劣勢為離子電導率較低，界面接觸性差。國內企業(yè)多采用該體系路線。

硫化物體系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS（均為一種硫化物電解質）等，其優(yōu)勢為離子電導率較高，劣勢為與空氣接觸形成有毒的硫化氫，材料生產對工藝的要求極高，成本較高。目前主要是日韓企業(yè)采用該體系路線。

根據東方證券研報，硫化物固態(tài)電解質因極高的鋰離子電導率受到廣泛關注，如LGPS、LSP-SC（均為一種硫化物電解質）室溫下的離子電導率已與傳統(tǒng)液態(tài)電解質媲美。以LGPS為例，其離子電導率為12mS/cm（毫西門子/厘米）。而氧化物體系中，主流為LLZO（一種固態(tài)電解質），其離子電導率為0.51mS/cm?？梢钥闯?，LLZO的離子電導率大幅低于LGPS。

東方證券表示，電解質的功能是為鋰離子在正負極之間傳輸搭建通道，決定鋰離子運輸是否順暢的指標被稱為離子電導率。在電極與電解質界面上，傳統(tǒng)液態(tài)電解質與正、負極的接觸方式為液-固接觸，界面潤濕性良好，界面之間不會產生大的電阻，而固態(tài)電解質與正負極之間以固-固界面接觸，接觸面積小，緊密性較差，離子電導率通常比液態(tài)電解質低兩個數量級。這一特性導致了電池的快充性能受限。

有趣的是，智己汽車聯合清陶能源推出的，卻是接近900V的快充電池。智己汽車表示，采用“超高離子電導率復合固態(tài)電解質”，以及行業(yè)首創(chuàng)的“干法固態(tài)電解質一體成型”工藝技術。

4月1日，智己汽車聯席CEO劉濤在其微博表示：“是時候來給大家介紹一位智己的超級伙伴，那就是：清陶能源?！?/span>

劉濤稱：固態(tài)電池技術要量產非常非常難，有很多很多材料和工藝方面要突破，但最終，我們與這群中國頂級的人才攻破了難關，聯合開發(fā)出第一代固態(tài)電池。

據清陶能源官網，其固態(tài)電解質材料有氧化物固態(tài)電解質粉體、復合固態(tài)電解質膜。從介紹可，清陶能源或屬于氧化物電解質路線。而根據上述研報，氧化物電解質離子電導率既低于液態(tài)電解質。

對于固態(tài)、半固態(tài)電池離子電導率較低的問題，孚能科技研究院固態(tài)組專家表示：“半固態(tài)電解質由于保留少量電解液，可以彌補導電率低和界面接觸差的問題，但活性物質的添加也同時制約了更高能量密度材料體系的應用。從全固體電解質看，原位生長固態(tài)電解質包覆層可以有效改善固-固界面接觸，此外還可通過熱壓或冷壓工序減少孔隙率以提高電極的物理接觸?！?/span>

固態(tài)電池難點：使用正極、負極新材料

除了固態(tài)電解質材料，固態(tài)、半固體還需使用新的正極、負極材料。

呂真真認為：“首先，來自于底層材料學的問題尚待解決。電解液從液態(tài)變成固態(tài)不會帶來能量密度的提升。但固態(tài)電池體系提供了更高的安全冗余度和對新型正負極材料的相性，可以用到更高容量的負極材料或者正極材料。但如果這些材料的膨脹、穩(wěn)定性、首效等本質問題沒有解決——例如界面阻抗大、離子電導率低、正負極相容性差等，仍然會限制產品級固態(tài)電池性能的發(fā)揮?！?/span>

2021年1月有報道曾提到，有業(yè)內人士認為：“（半固態(tài)電池）由于使用固態(tài)電解質，相對液態(tài)電解質能量密度肯定是下降的?！?/span>

即單純使用固態(tài)電解質，電池能量密度反而下降。如要提升能量密度，需要使用能量密度更高的正極、負極材料。

孚能科技研究院固態(tài)組專家認為：“目前，由于固態(tài)電解質電導率及界面浸潤不如液態(tài)電解液，需要增加正極、負極中固態(tài)電解質的體積百分比來保證鋰離子導電能力。比如硫化物全固態(tài)電池的正負極極片需加入一定比例的固態(tài)電解質才能保證電性能，會降低活性物質占比并增加極片體積，從而導致質量能量密度和體積能量密度的下降?！?/span>

目前，液態(tài)電解質電池使用的是三元正極材料、磷酸鐵鋰正極材料、磷酸錳鐵鋰正極材料、石墨負極材料。那么，固態(tài)電池又將使用哪些不一樣的材料呢？

孚能科技研究院固態(tài)組專家認為：“從產業(yè)化角度看，目前正極主要有高電壓高鎳三元、富鋰錳基、超高鎳三元、鎳錳酸鋰等材料，負極材料以硅基和鋰金屬為主。從發(fā)展階段看，液態(tài)電解質向半固態(tài)發(fā)展，仍會保留電解液和隔膜；在全固態(tài)階段，固態(tài)電解質將替代電解液，隔膜是否被替代則取決于最終量產的技術路線?！?/span>

也就是說，固態(tài)、半固態(tài)電池的正極主要是三元材料和富鋰錳基，而不是如今份額最大的磷酸鐵鋰正極材料。

據東方證券研報，截至2023年底，容百科技、當升科技、貝特瑞高鎳產能分別為25萬噸、8.2萬噸和6.3萬噸。

關于負極材料，杉杉科技研究院相關負責人4月7日表示稱：“半固態(tài)可以采用石墨作為負極，但是為了提高能量密度，則需要搭配硅碳負極。硅碳的主要優(yōu)勢是比容量高，對于提高體積能量密度質量能量密度都很有效?！?/span>

負極提升能量密度主要有“摻硅補鋰”，除了硅碳負極，提升負極比容量的方式還有預鋰化。

對此，杉杉科技研究院相關負責人表示：“是否使用預鋰化，主要取決于電芯廠的能量密度要求；預鋰化分為材料預鋰化和極片預鋰化；對于材料預鋰化來說，主要是提升材料的首次庫倫效率，有利于提高電池的能量密度?！?/span>

據東方證券研報，貝特瑞硅氧、硅碳負極已有0.6萬噸/年產能，在建4萬噸/年產能；璞泰來硅氧、硅碳在建產能為1.2萬噸；杉杉股份硅氧、硅碳在建產能為4萬噸。

杉杉科技研究院相關負責人表示：“杉杉自主開發(fā)的新型硅碳產品具有高首效、高容量、低膨脹和長循環(huán)的特點，預計2024年8月份實現量產，目前國內外客戶均在評測?！?/span>

目前，半固態(tài)選擇硅碳作為負極材料。而未來的全固態(tài)電池，或將使用鋰金屬作為負極材料。據東方證券研報，硅基材料是負極重要迭代方向，鋰金屬負極或為長期目標。

值得一提的是，鋰業(yè)龍頭天齊鋰業(yè)已經開始布局鋰金屬負極。2022年5月20日晚間，天齊鋰業(yè)公告，其子公司天齊創(chuàng)鋰科技（深圳）有限公司與衛(wèi)藍新能源簽署《合作協(xié)議》。雙方計劃共同出資設立合資公司，以共同從事預鋰化負極材料及回收、金屬鋰負極及鋰基合金（復合）負極材料、預鋰化試劑（原材料）及預鋰化制造設備產品的研發(fā)、生產和銷售等相關業(yè)務。

除了材料問題，呂真真提到，硫化物的規(guī)模化合成目前成本還比較高。此外，其也提到制備工藝的改變?！叭虘B(tài)電池的制備工藝相較于液態(tài)電池有比較大的改變，這對于整個行業(yè)是一個較大的顛覆。這種重大顛覆由一家企業(yè)去推動是比較困難的，需要整個產業(yè)鏈的帶動。”呂真真表示。

孚能科技研究院固態(tài)組專家也認為：“高性能固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)，研發(fā)上主要是進一步提升解決電導率低、固-固界面、金屬負極等普遍技術難點。產業(yè)化上，全固態(tài)鋰電池與正極材料體系兼容度高，對負極、隔膜、電解液造成了一定影響，要解決產業(yè)鏈配套以降低成本……”

固態(tài)電池技術的發(fā)展為電動汽車行業(yè)帶來了新的解決方案，其高能量密度和改進的安全特性預示著未來電動汽車可能擁有更長的續(xù)航能力和更高的可靠性。隨著固態(tài)電池、半固態(tài)電池的發(fā)展，燃油車或將面臨更大壓力。

綜上所述，要實現固態(tài)電池的商業(yè)化，還需要克服一系列技術和生產方面的挑戰(zhàn)。這包括提高電解質的離子電導率、優(yōu)化電極與電解質之間的界面接觸、降低生產成本以及建立相應的產業(yè)鏈配套。

（稿件來源：每經網）