固態(tài)電池離商用化還有多遠？

劉文婷 高宏

自2018年5月起，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省出資16億日元，聯(lián)合豐田、本田等汽車廠商及電池、材料廠商，共同研發(fā)固態(tài)電池，將固態(tài)電池上升到國家戰(zhàn)略高度，欲搶占行業(yè)發(fā)展先機。近年來，固態(tài)電池在材料結(jié)構(gòu)和性能上不斷取得突破，被認為是未來替代鋰離子動力電池的最終解決方案。為此，我國在提升技術(shù)相對成熟的鋰離子電池性能的同時，也應加快固態(tài)電池的技術(shù)研發(fā)、儲備及應用，建立電動汽車的多類型動力電池供應體系。

研發(fā)取得新進展

固態(tài)電池使用固體電極材料和固體電解質(zhì)材料，是不含有任何液體的鋰電池。主要包括全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)金屬鋰電池。與傳統(tǒng)鋰電池一樣，固態(tài)電池由正極、負極、電解質(zhì)等各單元構(gòu)成，工作原理相同。兩者構(gòu)成的差異主要在于電解質(zhì)固態(tài)化。

固態(tài)電池是動力電源傳統(tǒng)鋰電池的潛在競爭者。固態(tài)電池突破傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)短板，有望解決目前困擾動力電池行業(yè)的兩大“挑戰(zhàn)”——安全隱患和能量密度低，成為電動汽車傳統(tǒng)鋰電池的有力競爭者。固態(tài)電池優(yōu)勢明顯：一是安全性高。由于固態(tài)電池的電解質(zhì)固態(tài)化，不含易燃易爆、易揮發(fā)等成分，可徹底消除傳統(tǒng)電池因漏液引發(fā)的電池冒煙、起火等，以及在充放電過程中生成鋰枝晶造成的安全隱患，被稱為最安全電池體系。二是能量密度高。目前，市場上應用的磷酸鐵鋰電池單體能量密度約為120-140Wh/kg，三元電池單體能量密度約為130-220Wh/kg。受制于現(xiàn)有體系架構(gòu)和關(guān)鍵正極材料影響，這兩種電池均難以滿足我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中提出的到2025年、2030年鋰電池能量密度分別達到400Wh/kg、500Wh/kg的需求。而固態(tài)電解質(zhì)電化學窗口寬，可以兼容金屬鋰負極和新研發(fā)的高電勢正極材料，適配性強，能極大地提升能量密度空間。目前，固態(tài)電池可提供的能量密度約為300-400Wh/kg，且具有循環(huán)性強、適用范圍廣、柔性強、回收方便等優(yōu)勢。

發(fā)達國家研發(fā)應用不斷取得新突破。日本豐田、美國Sakti3、法國Bolloré為全球固態(tài)電池研發(fā)三巨頭，分別代表了硫化物、氧化物和聚合物三大固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)開發(fā)方向。日本是固態(tài)電池研發(fā)最早且技術(shù)最為成熟的國家，以豐田公司為代表。豐田已推出能量密度為400Wh/L的全固態(tài)鋰離子電池，計劃于2020年全面實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，并將全固態(tài)電池應用于RAV4車型，將行駛里程提高至500公里。豐田以擁有30項固態(tài)電池的專利數(shù)量居全球首位。在美國，Sakti3公司已研發(fā)出能量密度達到1000Wh/kg的固態(tài)電池，若實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)后，成本只有當前鋰電池的20%。在法國，Bolloré公司研發(fā)的固態(tài)電池已經(jīng)批量應用于共享電動汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus”，總體應用超過3000輛，這是全球首次用于電動汽車的商業(yè)化全固態(tài)電池。在我國，中科院青島能源所已自主研發(fā)6Ah大容量三元固態(tài)鋰電池，并用于深潛器進行馬里亞納海溝探測；中科院化學研究所成功開發(fā)出新型雙功能聚合物電解質(zhì)，可用于室溫固態(tài)金屬鋰電池。

產(chǎn)業(yè)化尚需時日

固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)瓶頸制約固態(tài)電池的發(fā)展。固態(tài)電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如安全性能、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、高低溫性能以及使用壽命等。固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展主要遵循兩條路線，一是聚合物路線；二是無機物路線，無機物又可分為氧化物和硫化物。但現(xiàn)階段兩種技術(shù)路線均存短板。具體是：聚合物固體電解質(zhì)雖高溫工作性能較好，但室溫電導率較低、電壓較低，限制了其大規(guī)模商業(yè)化應用；氧化物化學穩(wěn)定性好，但室溫離子電導率較低。硫化物具有較高的室溫離子電導率，但是其環(huán)境穩(wěn)定性差。這兩種作為無機物固態(tài)電池最大的問題是能量密度相對較低，與現(xiàn)有電池相比尚無經(jīng)濟性優(yōu)勢。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應用尚需時日。目前，固態(tài)電解質(zhì)電導率總體偏低，導致固態(tài)電池倍率性能較低、充電速度慢，成本較高，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化應用。一是充電速度慢。由于固態(tài)電池的電解質(zhì)材料均為固體，導電過程中是點接觸，因此電極與電解質(zhì)之間有效接觸較弱，界面阻抗過大，造成電池內(nèi)阻急劇增大、充電過程中能量損失較快，從而充電時間長。二是規(guī)模化制備工藝有待提高。固態(tài)電池生產(chǎn)工藝尚未成熟。三是生產(chǎn)成本高。目前，液態(tài)鋰電池生產(chǎn)成本在200-300美元/千瓦時，而固態(tài)電池尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成本非常高。按照美國Sakti3公司預測，其最終會把以氧化物技術(shù)研發(fā)的固態(tài)電池成本降低至100美元/千瓦時，但Sakti3并沒有公布具體時間計劃。

核心技術(shù)亟需突破

緊跟技術(shù)發(fā)展新動向，著力突破關(guān)鍵材料和工藝技術(shù)。發(fā)展固態(tài)電池是搶占全球車用動力電池技術(shù)制高點的重要舉措，我國應抓住電動汽車快速發(fā)展的有利時機，鼓勵在固態(tài)電池領(lǐng)域具有基礎(chǔ)優(yōu)勢的科研機構(gòu)，緊跟國際技術(shù)發(fā)展新趨勢，進一步加強固態(tài)電池在工作過程中的固-固界面結(jié)構(gòu)特征、離子傳輸、空間電荷層等機理研究；重點突破高離子電導率的聚合物、氧化物、硫化物等關(guān)鍵電解質(zhì)材料，以及電極與固體電解質(zhì)膜的大面積、高速度制造等電芯技術(shù)，從而降低界面電阻，提高電池高倍率容量。

加大政府財稅支持及科研投入力度。加強產(chǎn)業(yè)投資專項基金、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)投資基金等對固態(tài)電池的支持。發(fā)揮風險基金等作用，鼓勵社會資本投向固態(tài)電池創(chuàng)新型企業(yè)和基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)化培育等項目。

開展國際合作，加快引進固態(tài)電池先進技術(shù)。鼓勵企業(yè)依托我國巨大的市場需求優(yōu)勢，與美國Sakti3和Seeo、日本豐田等擁有先進固態(tài)電池技術(shù)的企業(yè)開展合作，利用技術(shù)外溢效應，帶動我國固態(tài)電池自主創(chuàng)新發(fā)展。