固態(tài)電池進(jìn)入“軍備競(jìng)賽”階段 2030年或迎大規(guī)模量產(chǎn)

近日，大眾汽車(chē)宣布已向斯坦福大學(xué)研發(fā)固態(tài)電池的衍生企業(yè)QuantumScape追加投資2億美元(約合14億元人民幣)，旨在加速推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化量產(chǎn)。

早在2012年，大眾汽車(chē)就與QuantumScape公司在固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域達(dá)成合作，并在2018年向其投資1億美元成為其最大股東。隨后雙方又共同成立了一家專(zhuān)注于固態(tài)電池研究的合資公司，將于2020年年內(nèi)設(shè)立試點(diǎn)工廠。雙方共同的目標(biāo)是使得固態(tài)電池真正能夠應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域，并預(yù)計(jì)在2025年建成一條為電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)固態(tài)電池的生產(chǎn)線。

固態(tài)電池引來(lái)各大企業(yè)爭(zhēng)相布局

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球范圍內(nèi)致力于固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的車(chē)企與動(dòng)力電池企業(yè)有20多家，其中不少企業(yè)都宣布要量產(chǎn)固態(tài)電池，并制定了相應(yīng)的發(fā)展路線計(jì)劃。

國(guó)際上，除了大眾汽車(chē)，寶馬、豐田、本田、日產(chǎn)、松下等車(chē)企及電池企業(yè)均在固態(tài)電池領(lǐng)域有所布局。其中，寶馬2017年就開(kāi)始牽手Soild Power開(kāi)發(fā)固態(tài)電池;豐田作為較早著手研發(fā)固態(tài)電池的車(chē)企之一，側(cè)重硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，有望在2022年推出搭載固態(tài)電池的車(chē)型;今年年初，豐田宣布與松下成立合資企業(yè)生產(chǎn)固態(tài)電池;同在今年年初，戴姆勒宣布與加拿大魁北克水電公司合作開(kāi)發(fā)固態(tài)電池技術(shù)，一旦達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)，將在戴姆勒旗下的電動(dòng)汽車(chē)上使用。

與國(guó)際主流車(chē)企扎堆布局固態(tài)電池不同，國(guó)內(nèi)布局固態(tài)電池的主力軍是動(dòng)力電池企業(yè)，傳統(tǒng)車(chē)企僅有北汽集團(tuán)與比亞迪兩家布局，新造車(chē)企業(yè)的布局者相對(duì)更多。

在國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)中，清陶能源、寧德時(shí)代、贛鋒鋰業(yè)、輝能、北京衛(wèi)藍(lán)、卡耐新能源等走在固態(tài)電池研發(fā)前列。據(jù)了解，清陶能源目前已開(kāi)發(fā)出全固態(tài)電池，單體能量密度可達(dá)到430Wh/kg，量產(chǎn)階段可達(dá)到300Wh/g以上;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)電池方向都有研究;贛鋒鋰業(yè)年產(chǎn)億瓦時(shí)級(jí)第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線已建成試產(chǎn);衛(wèi)藍(lán)新能源2019年在江蘇舉行了固態(tài)電池項(xiàng)目奠基，計(jì)劃于2020年建成年產(chǎn)0.1GWh固態(tài)電池生產(chǎn)線;輝能科技稱(chēng)2023 年將開(kāi)始全固態(tài)電池試產(chǎn)，2024年全固態(tài)電池量產(chǎn)。

傳統(tǒng)車(chē)企方面，北汽集團(tuán)旗下北汽產(chǎn)投于2019年8月完成了對(duì)清陶能源的投資，雙方將在固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化方面合作，但并未公布具體的量產(chǎn)落地時(shí)間。比亞迪表示，目前正在積極推進(jìn)固態(tài)電池項(xiàng)目商用。

新造車(chē)企業(yè)中，蔚來(lái)汽車(chē)、天際汽車(chē)、愛(ài)馳汽車(chē)已分別與輝能科技達(dá)成合作，共同研發(fā)固態(tài)電池。其中天際汽車(chē)在2019年初就推出了首款搭載固態(tài)電池的ME7樣車(chē)，不過(guò)目前并無(wú)最新進(jìn)展。近日，哪吒汽車(chē)宣布與清陶能源達(dá)成全面深度合作，共同推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)與應(yīng)用。

固態(tài)電池更安全、能量密度更高

進(jìn)入2020年，CTP電池、刀片電池、石墨烯電池和無(wú)鈷電池等新技術(shù)電池相繼推出。動(dòng)力電池技術(shù)領(lǐng)域雖迎來(lái)一系列突破，但是綜合考慮電池的安全性和續(xù)航里程，固態(tài)電池被認(rèn)為是未來(lái)十年內(nèi)最適合電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池。

中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高曾公開(kāi)表示，基于各國(guó)動(dòng)力電池技術(shù)路線的比較，短期來(lái)看是液態(tài)電解液的鋰離子電池，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負(fù)極，中長(zhǎng)期將從液態(tài)電解質(zhì)逐步過(guò)渡到全固態(tài)電池。

“與目前主流的三元鋰離子電池相比，固態(tài)電池可以提升電動(dòng)汽車(chē)的安全性，更高的能量密度能夠使電動(dòng)汽車(chē)擁有更長(zhǎng)的續(xù)航里程，并且能夠有效縮短電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間。”蓋世汽車(chē)研究院資深分析師表示。

首先，從電池結(jié)構(gòu)本身來(lái)講，使用固體電解質(zhì)的固態(tài)電池具有不可燃、不腐蝕、不揮發(fā)、不漏液等優(yōu)勢(shì)，可極大確保電池的安全性。由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成的鋰離子電池，其電解液易滲出，當(dāng)遇到正負(fù)極短路或者過(guò)充時(shí)溫度會(huì)快速升高，易引發(fā)電池燃燒、爆炸。且隨著能量密度提高，三元鋰電池鎳含量不斷提升，用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的鈷和錳含量相應(yīng)降低，安全問(wèn)題將愈發(fā)凸顯。

其次，用金屬鋰做負(fù)極的固態(tài)電池可匹配高電壓正極材料，進(jìn)一步提升能量密度。而現(xiàn)階段三元鋰電池電芯能量密度普遍在240-260Wh/Kg之間，高鎳三元鋰電池雖然可以達(dá)到300Wh/Kg，但都已接近極限，難以繼續(xù)提升。

此外，固態(tài)電池的封裝相對(duì)簡(jiǎn)單，能省掉電池包外殼、冷卻等系統(tǒng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)電池柔性化、異形化，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同形狀，靈活性更強(qiáng)。

固態(tài)電池量產(chǎn)尚存難點(diǎn)

需要指出的是，當(dāng)下國(guó)際主流車(chē)企、國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)以及造車(chē)新勢(shì)力，雖然都在固態(tài)電池領(lǐng)域進(jìn)行了前瞻布局，但是固態(tài)電池技術(shù)距離量產(chǎn)還需要解決諸多難點(diǎn)。

上述分析師坦言，固態(tài)電解質(zhì)在安全性與部分電化學(xué)性能上雖優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)，但由于其固體的形態(tài)，也存在著先天的缺陷。譬如，固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子遷移效率直接影響了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。據(jù)了解，目前絕大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低于液態(tài)電解質(zhì)，影響了固態(tài)電池的實(shí)用性能。

其次，在與電極的接觸上，液態(tài)電解質(zhì)可以最大限度地與電極保持接觸，而固態(tài)電解質(zhì)與電極之間很難做到完美貼合，如此一來(lái)，電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗就會(huì)上升，同樣影響固態(tài)電池的實(shí)用性能。

再次，如何在規(guī)模和成本之間找到平衡點(diǎn)，也是其量產(chǎn)路程中不得不考慮的重要問(wèn)題。

北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司資深工程師李久銘公開(kāi)表示，“目前固態(tài)電池材料體系、電芯、模組、智能制造技術(shù)尚未確定，產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成。”在他看來(lái)，只有安全性、能量密度、循環(huán)壽命、日歷壽命顯著提高，成本及功率特性接近甚至優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)電池技術(shù)才有競(jìng)爭(zhēng)力。

考慮到固態(tài)電池量產(chǎn)面臨的現(xiàn)實(shí)困難，以及新能源汽車(chē)對(duì)高安全、高能量密度動(dòng)力電池的迫切需求，作為折中方案，混合固液電解質(zhì)鋰電池將作為固態(tài)電池發(fā)展的過(guò)渡方案。歐陽(yáng)明高亦認(rèn)為，當(dāng)前有突破的、有產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)的是固態(tài)鋰離子電池，既電解質(zhì)中有固態(tài)也有液態(tài)。有測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，相比于三元鋰離子電池，目前的混合固液產(chǎn)品能量密度有所提升，安全性可大幅提高，是全固態(tài)電池技術(shù)尚未突破情況下的務(wù)實(shí)選擇。

根據(jù)蓋世汽車(chē)研究院《新能源汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)報(bào)告(2020版)》預(yù)測(cè)分析，2020年前后電池材料將主要向鎳三元+硅碳演變，到2025年富鋰錳基正極材料取得突破，到2030年電解質(zhì)方面取得突破后，有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池。國(guó)內(nèi)鋰電巨頭寧德時(shí)代亦認(rèn)為，全固態(tài)電池至少要到2030年才能進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。

雖然固態(tài)電池量產(chǎn)尚需時(shí)日，但是不難看出，沒(méi)能在這一輪動(dòng)力電池掌握住主動(dòng)權(quán)的企業(yè)，都早早地將目光鎖定在下一代動(dòng)力電池的賽道上，固態(tài)電池則早已進(jìn)入“軍備競(jìng)賽”階段。可以說(shuō)，下一個(gè)十年，誰(shuí)搶下了固態(tài)電池，誰(shuí)就搶下了在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機(jī)。