半固態電池開始裝車 規模化量產為何這么難？

固態電池不僅具有高安全、高能量密度，而且高低溫性能也很優良，種種優勢讓人們對其充滿憧憬。固態電池的概念提出已有一段時間，但一直沒能量產，時間表可謂一拖再拖。此前，在全球范圍內，屢次有企業傳出固態電池的最新研發進展，但消息曝光后就又沒了下文。

最近，少數企業的半固態電池開始裝車應用，人們為之感到歡欣鼓舞的同時也在感嘆，固態甚至是半固態電池的規模化量產為何這么難?中南大學冶金學院教授張永柱告訴《中國汽車報》記者，衡量一款動力電池能否量產，主要衡量5項指標，能量密度、充放電倍率性能、成本、安全性和循環壽命。動力電池的實驗室研究成果，一般在某個階段取得一個或幾個指標上的重大突破，同時滿足5項指標要求才能量產，這個難度相當大。

固態電池被寄予厚望

三元鋰電池因為能量密度高于磷酸鐵鋰電池而受到行業的追捧。近幾年來，隨著鎳含量不斷提高，三元鋰電池的能量密度不斷刷新紀錄，達到300Wh/kg已不稀奇。然而，從理論上講，液態動力電池的能量密度越高，安全性越差。

盡管三元鋰電池的能量密度較高，在研發人員的不斷挖掘下，其“天花板”也開始顯現出來。國家“863計劃”節能與新能源汽車重大項目總體專家組專家肖成偉曾表示，高鎳材料、碳硅負極的鋰離子電池單體能量密度最高應該在300Wh/kg左右，正負不超過20Wh/kg。這意味著三元鋰電池提高鎳含量從而提升能量密度，不是未來長久的技術方向。

固態電池用鋰金屬代替石墨，不僅能量密度遠超三元鋰電池，體積也大幅縮小。張永柱告訴記者，從理論上看，固態電池的能量密度可以達到液態電池的10多倍，充電速度也能提高數十倍。

中國電動汽車基礎設施促進聯盟(以下簡稱“充電聯盟”)的調查數據顯示，高達87.9%的用戶充電時，選擇120kW及以上的大功率充電設施，而60kW以下的充電設施用戶選擇率僅為1.6%。充電聯盟信息部主任仝宗旗向記者介紹說，電動車主的焦慮已從續駛里程轉向了充電便利性。固態電池憑借優越的快充性能，車主們不再需要苦等數小時才充滿電，屆時電動汽車充電將像傳統汽車加油一樣便捷。

目前，社會上偶有電動汽車起火燃燒的新聞，面對燒成空殼的車輛，任何一位車主心里都不好受。雖然電動汽車在使用環節成本較低，但動力電池的安全性讓部分車主擔憂。固態電池高安全性的特點將為電動汽車“正名”。

量產難度大在哪兒

不過，來自實驗室的亮眼數據需要走向量產，才能真正讓企業和消費者受益。目前，市面上還沒有一款實現量產的固態電池。中科院物理所研究員李泓表示，固態電池有不同的技術路線，它們分別面對不同的難題。解決了這些問題，其實現性能指標的障礙將被掃除。

據介紹，硫化物電解質空氣穩定性極差，當其暴露于空氣中就會產生有毒氣體H₂S，同時伴隨著電解質結構的破壞和電化學性能的衰減，這導致了硫化物電解質的合成、儲存、運輸和后處理過程嚴重依賴惰性氣體或干燥室，大大增加了生產成本。大多數氧化物電解質具有較寬的電化學穩定“窗口”和更好的氧化穩定性，但為了保證剛性氧化物電解質與陰極材料的界面良好接觸，往往需要高溫燒結，這會導致嚴重的界面化學副反應。另外，有些氧化物電解質還存在鋰枝晶生長的問題。聚合物電解質在室溫條件下，離子電導率較低，這使得聚合物固態電池充電需要在高溫環境下完成，極大地限制了商業化。

硫化物、氧化物、聚合物是以往較多被人們提起的三條固態電池技術路線。李泓告訴記者，近兩年來，金屬鹵化物電解質由于具有寬電化學穩定“窗口”、良好的離子導電率以及與氧化物正極材料的高相容性等優點而受到越來越多的關注。但是，金屬鹵化物電解質也有難題需要解決，目前大多數高離子電導金屬鹵化物電解質的合成，都需要昂貴和稀缺的元素，極大地限制了金屬鹵化物固態電池的成本降低。

這樣看來，固態電池產業化困難重重。有些研究人員認為，固態電池商業化不能一步到位，研發及量產應分成多個步驟推進。寧德時代21C創新實驗室前瞻技術部部長郭永勝表示，按照正負極來分，固態電池可分成三代。第一代，正負極與以前一樣，現有的液態電解液換成固態電解質;第二代，正極不變，改變負極，負極不用石墨或硅，用金屬鋰替代從而提升能量密度;第三代，正負極都改變，比如負極用金屬鋰，正極換成不含鋰的高能量材料。

按照這樣的劃分，計劃幾年之后上市的奔馳EQG長續航版將搭載的是硅陽極固態電池。據外媒報道，硅陽極固態電池的能量密度將高達800Wh/L(約400Wh/kg)。

行業人士曾對固態電池的經濟性進行過分析，相比于現有的鋰電池，固態電池沒有優勢。一是原材料的成本太高，比如，鋰硫化物的價格是碳酸鋰的5～10倍。目前，碳酸鋰的價格已超過50萬元/噸，瘋狂上漲的碳酸鋰成本迫使汽車企業不得不多次提高產品售價，而更高價格的鋰硫化物恐怕會讓它們望而卻步;二是固態電池對于生產環境與原材料純度的要求太高，這導致生產工藝要求極其苛刻，生產成本大幅度提高。現有動力電池對生產車間溫度及溫度控制有著較高要求，導致企業投資建設生產基地動輒需要上百億元。這也意味著，企業收回成本的周期將加長。

應舉全力支持發展

日本企業在普通油電混合動力技術和市場化上領先全球，但在電動汽車發展上的表現并不突出。松下專注三元鋰電池的研發生產，日產推出了聆風，其他企業雖有少量電動汽車投放市場，但并沒有作為主打產品。總體上，日本汽車產業在電動汽車推廣上并不處于全球前列。為了擺脫這種境遇，日本汽車企業想在固態電池上打翻身仗一鳴驚人。

2018年，日本新能源產業技術開發機構曾宣布，豐田、本田、日產、松下等23家汽車、電池和材料公司以及京都大學和日本物理化學研究所等15個學術機構將聯合研發下一代電動汽車固態鋰離子電池，該項目預計總投資額為100億日元(約5.8億元人民幣)。

不僅日本汽車行業，歐洲、美國、韓國企業都對搶占固態電池這一新能源汽車未來的制高點寄予厚望。李泓說：“歐洲、日本、美國、韓國在固態電池領域都已啟動重大項目，投入巨資增強研發，政府和社會資本積極參與，未來的競爭將更加激烈。”

李泓認為，固態電池的研發涉及多學科，我國需要加強對高通量計算、大尺度動力學計算、材料力學、人工智能、高空間時間分辨多尺度在線檢測分析方法、電池材料精準制備、新一代的固態電池材料及電池設計與制造方法、熱失控條件與機理，以及創新材料體系和電芯設計的研究;需要借鑒類似歐、美、日的做法，建立國家級的先進固態電池創新中心、產學研聯盟，充分利用國家實驗室、國家重點實驗室、龍頭企業和初創企業研發中心的研發能力，共同推動固態電池的原始創新和基礎科學問題的深入研究，為我國在這一動力電池“兵家必爭之地”繼續取得優勢奠定基礎。