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固態(tài)電池商業(yè)化有多遠

經(jīng)濟日報發(fā)布時間:2024-07-08 09:08:46  作者:楊忠陽

  在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動的交通電動化加速轉(zhuǎn)型過程中,動力電池創(chuàng)新成為強化新能源汽車競爭水平、打造國家產(chǎn)業(yè)競爭力、穩(wěn)固企業(yè)競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。今年以來,無論是整車企業(yè),還是動力電池企業(yè),紛紛瞄準(zhǔn)新技術(shù)同時布局新一代動力電池——固態(tài)電池,并加快發(fā)布固態(tài)電池“上車”時間表。

  爭相發(fā)布“上車”時間表

  豐田汽車沉寂已久的固態(tài)電池又有動靜和希望了。6月28日,豐田公布新一代電動化技術(shù)進展,性能型鋰離子電池、普及型磷酸鐵鋰電池、高性能型鋰離子電池和全固態(tài)電池共4類新一代電池,將從2026年起依次投入市場。其中,全固態(tài)電池正以2027—2028年推出為目標(biāo)全力推進研發(fā)。據(jù)悉,搭載固態(tài)電池的車型續(xù)航里程將達到1000公里以上,實現(xiàn)快充只需10分鐘。

合肥力翔電池科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)車間,工人操作設(shè)備加工新能源動力電池配件。 袁 兵攝(中經(jīng)視覺)

江西省贛州市豪鵬科技有限公司生產(chǎn)車間,工人在拆解回收的動力電池。 胡江濤攝 (中經(jīng)視覺)

  此前,上汽集團旗下的智己汽車推出業(yè)內(nèi)首個準(zhǔn)900V超快充固態(tài)電池——第一代光年固態(tài)電池,并首搭智己全新轎車智己L6。隨后,上汽集團宣布“首條全固態(tài)電池生產(chǎn)線建成貫通倒計時500天正式啟動”,基于聚合物—無機物復(fù)合電解質(zhì)技術(shù)路線的上汽全固態(tài)電池,將于2026年實現(xiàn)量產(chǎn)。

  同時,廣汽集團在科技日發(fā)布全固態(tài)電池。據(jù)了解,該款全固態(tài)電池采用了第三代海綿硅負(fù)極和高面容量固態(tài)正極技術(shù),其能量密度可達到400Wh/kg以上,較當(dāng)前量產(chǎn)液態(tài)鋰離子電池,體積能量密度提升52%以上,質(zhì)量能量密度提升50%以上,可輕松實現(xiàn)超1000公里續(xù)航。廣汽集團表示,將在2026年完成全固態(tài)電池開發(fā),將首先搭載于旗下昊鉑車型。

  作為全球動力電池領(lǐng)軍企業(yè),寧德時代也在今年4月首次公布了全固態(tài)電池研發(fā)和量產(chǎn)時間表。“寧德時代的目標(biāo)是到2027年小批量生產(chǎn)全固態(tài)電池,因為大批量生產(chǎn)仍然會面臨成本等問題。”寧德時代首席科學(xué)家吳凱對此仍持謹(jǐn)慎態(tài)度,“如果用技術(shù)和制造成熟度作為評價體系(以1至9打分),公司的全固態(tài)電池研發(fā)目前處于4分的水平。”

  相較傳統(tǒng)鋰離子電池,全固態(tài)電池由于潛在的安全性、高能量密度、高功率特性和溫度適應(yīng)性等多維優(yōu)勢,被國際上普遍認(rèn)為是下一代新能源動力電池技術(shù)的首選方案。目前各國均加大投入攻關(guān)該顛覆性技術(shù)。梳理國內(nèi)外公司發(fā)布的全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)時間表,產(chǎn)業(yè)化主要集中在2027年至2030年。比如,韓國SK On稱,正在開發(fā)高分子氧化物復(fù)合和硫化物兩種固態(tài)電池,目標(biāo)是到2026年生產(chǎn)出原型產(chǎn)品,2028年實現(xiàn)商業(yè)化。而三星SDI也在開發(fā)一種沒有負(fù)極的固態(tài)電池,預(yù)計將于2027年量產(chǎn)。

  半固態(tài)電池不等于全固態(tài)電池

  近年來,隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,產(chǎn)業(yè)界越發(fā)認(rèn)識到傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的極限。比如,能量密度上限低,無法根除消費者的里程焦慮;整體電池質(zhì)量大;低溫運行不暢、高溫環(huán)境下又存在安全隱患等。因此,業(yè)界對固態(tài)電池“上車”的呼聲日益高漲。

  不過,就在企業(yè)加快發(fā)布固態(tài)電池“上車”時間表的同時,關(guān)于固態(tài)電池概念的爭議也隨之而來。智己汽車在推出固態(tài)電池“上車”的消息后,多位業(yè)內(nèi)人士向記者表示,智己汽車發(fā)布的光年固態(tài)電池實為半固態(tài)電池。

  這也得到了電池供應(yīng)商清陶能源聯(lián)合創(chuàng)始人李崢的證實:“為了增強固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)電性,清陶能源在電解質(zhì)中加入了10%的浸潤液,較傳統(tǒng)三元鋰電池減少了5%左右的總液體含量,智己汽車推出的光年固態(tài)電池實際上屬于半固態(tài)電池。”

  根據(jù)電解質(zhì)液含量的不同,電池可以分為液態(tài)(液體含量10wt%至25wt%)、半固態(tài)(液體含量5wt%至10wt%)、準(zhǔn)固態(tài)(液體含量0wt%至5wt%)和全固態(tài)(液體含量0wt%)四大類。“半固態(tài)電池是液態(tài)電池和固態(tài)電池之間的一種過渡產(chǎn)品,不能直接稱為固態(tài)電池。”全國乘聯(lián)會秘書長崔東樹明確表示。但現(xiàn)實情況是,大部分企業(yè)發(fā)布的新電池技術(shù)概念都在往這個“筐”里裝。

  目前,固態(tài)電池有三大主流技術(shù)路線,包括聚合物固態(tài)電池、氧化物固態(tài)電池和硫化物固態(tài)電池。日韓和歐美等海外企業(yè)更傾向于硫化物技術(shù)路線,致力于全固態(tài)電池的開發(fā),產(chǎn)業(yè)化進程相對緩慢;而國內(nèi)企業(yè)多數(shù)選擇氧化物技術(shù)路線,研發(fā)的產(chǎn)品多為半固態(tài)電池。

  “國內(nèi)無論是車企還是電池供應(yīng)商,當(dāng)前都具備了半固態(tài)電池的量產(chǎn)能力,預(yù)計在2025年可實現(xiàn)大批量‘上車’。不過,全固態(tài)電池仍然停留在正負(fù)極材料的突破階段,因存在材料還未解決的問題,導(dǎo)致近幾年內(nèi)都無法實現(xiàn)量產(chǎn)。”寧德時代董事長曾毓群說。

  “從全行業(yè)看,中國既要發(fā)展這種漸進性的半固態(tài)技術(shù)路線,又要防范激進型全固態(tài)技術(shù)路線帶來的顛覆性風(fēng)險。”或許正是因為民間存在這種爭議,中科院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高在談到固態(tài)電池時,特別強調(diào)了“半”與“全”的區(qū)別。

  在他看來,全固態(tài)電池落地產(chǎn)業(yè)化近期應(yīng)面向電池300Wh/kg(重量比能量)、600Wh/L(體積比能量)的目標(biāo),打通全固態(tài)電池全技術(shù)鏈。中期應(yīng)以面向500Wh/kg、1000Wh/L為目標(biāo),2035年前實現(xiàn)商業(yè)化。“規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時間,不是實驗室的樣品,更不是論文。所謂的近期就是3年至5年,中期就是5年至10年。”歐陽明高解釋。

  三大挑戰(zhàn)亟待破解

  與企業(yè)偏于樂觀相比,業(yè)內(nèi)專家對全固態(tài)電池商業(yè)化進程則略顯保守。“這是因為當(dāng)前全固態(tài)電池還難以兼顧續(xù)航和安全性的瓶頸,難以突破電池技術(shù)的玻璃天花板。”歐陽明高表示,全固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)具有跨學(xué)科的特性,技術(shù)門檻極高,涵蓋材料、界面、工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)備等問題。

  首先是全固態(tài)電池的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。目前,全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化仍需要從關(guān)鍵材料、界面、復(fù)合電極、單體電池不同層面進行解決。

  在材料層面,硫化物電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性差,批量生產(chǎn)難,基礎(chǔ)硫化鋰成本高。同時,硅碳負(fù)極存在體積膨脹大的問題,而鋰負(fù)極還不成熟。在界面層面,電極材料、固態(tài)電解質(zhì)的界面相容性不夠,包括界面的副反應(yīng)、固—固界面機械接觸等。在電極層面,高面載復(fù)合電極應(yīng)變條件下的電荷輸運緩慢。在電芯片層面,環(huán)境控制成本高,制作效率比較低。此外,車載工況下的電芯性能綜合評估也沒有相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)。

  其次是全固態(tài)電池的工藝設(shè)備挑戰(zhàn)。“如果我們用濕法工藝,大概能保留一半的現(xiàn)有設(shè)備。如果我們用干法工藝,三分之二的設(shè)備都不能用了,要換新設(shè)備。”歐陽明高稱。

  最后是產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)。從供給角度看,我國已基本構(gòu)建了完整的液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)生態(tài),涵蓋從上游礦產(chǎn)資源、材料制造、電池生產(chǎn)、整車應(yīng)用到回收利用等各個環(huán)節(jié)。液態(tài)鋰離子電池主要供應(yīng)鏈已實現(xiàn)自主可控。若發(fā)展全固態(tài)電池,將對現(xiàn)有電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈造成不小的沖擊。

  對于固態(tài)、液態(tài)電池取舍問題,歐陽明高還表示:“日本、歐洲發(fā)展全固態(tài)電池就是要顛覆中國的優(yōu)勢,我們恰恰相反,既要保優(yōu)勢、防顛覆,奮力攻克全固態(tài)電池,又要兼顧優(yōu)化液態(tài)鋰離子電池。”(記者 楊忠陽)


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