全固態電池產業化需以市占率突破1%為標志

摘要

全固態電池的研發是為了“防止被顛覆”，其產業化需以市占率突破1%為標志。

自推進以來，全固態電池的必要性和產業化始終是備受爭議的存在。

全固態電池的研發是為了“防止被顛覆”，其產業化需以市占率突破1%為標志。在近期舉辦的全固態電池創新發展高峰論壇上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高發表了上述觀點。

論壇上主流觀點認為，全固態電池產業化較可能在2030年取得突破。由于固態電池可同時滿足高安全性、高能量密度、高功率、高溫度適應性等，且材料選擇的范圍更高，具備“顛覆”液態電池的潛力。

不過，目前國內發展全固態電池產業面臨的挑戰是巨大的，具有跨學科的特性、技術門檻極高，包括材料界面、工藝、產業鏈、設備等，需要業界進行協同創新。

為什么需要全固態電池及產業化？

中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出，固態電池相對于液態電池是顛覆性技術，行業應提高重視程度、積極研發，以防范風險。

首先，動力電池行業雖然已進入產能過剩的階段， 電池成本不斷下降，但并沒有完全滿足終端電動汽車客戶的需求，如怎么在全壽命周期內不析鋰、不影響壽命、不發生安全事故，低溫續航，如何解決硅負極膨脹率高的問題、以提高負極中硅的含量、最終提高體積能量密度（磷酸鐵鋰電池）等。

其次，在新一輪技術創新周期中，行業已卷向“提質降本增效”，需要通過材料換代來實現。例如，行業內對于比能量的追求，并不單純是提升比能量，而是在期待“比能量提升的同時，成本不需要提升太多”的顛覆。因此，行業需要居安思危，電池需要平衡的性能體系，全固態電池具備技術“顛覆”的潛力。

東風汽車集團有限公司研發總院副院長史建鵬同樣認為，包括安全性、里程焦慮、能量密度在內的液態鋰電池三大痛點，受到現有材料體系已接近能量密度上限因素的限制，本質上沒有得到解決。

此背景下，產業希望構建新一代動力電池。其中，由于采用了固態電解質（不易燃、耐高溫、化學活性低），固態電池能大幅提升電池安全性；又因為固態電池可兼容高比能正負極，將打開能量密度天花板，故有望成為動力電池下一輪技術競賽的關鍵。

南方科技大學教授許曉雄認為，高安全、高性能、低成本是鋰二次電池產業發展的必然趨勢，高性能要求則囊括了高能量密度、高功率（可快充）、長壽命等，全固態電池有望實現以上高性能要求。

弗迪電池首席技術官孫華軍則提出，全固態電池產業化能帶來哪些價值，需要對標2030年液態電池會是什么狀態來思考，液態電池也在持續改進；而且要從系統層級來思考，囊括如重量能量密度、體積能量密度、成本維度等。

2. 全固態電池的量產標志是什么？

從全球全固態電池產業化路線圖來看，產業化時間聚焦在2027-2030年。

歐陽明高進一步指出，較為合適的產業化定義是全固態電池市占率達到1%。參照2023年2000萬左右的電動汽車銷量預期來看，即全固態電池裝車量超過20萬輛。

而一汽研究院院長王德平認為，全固態電池在2027或2030年的產業化，可能只是達到一定程度的小規模、小批量的示范性裝車。對固態電解質等關鍵問題的突破，有望加速產業化的進程。

孫華軍認同上述觀點并表示，新電池技術的應用遵循一定規律，如鋰電池先應用在電子消費產品上，經過長時間積累后才過渡到動力電池產品。按此推算，固態電池也應該先在其他領域應用，再逐漸擴展至電動汽車。

另據孫華軍披露，比亞迪10年來持續進行著固態電池的研發，主要走硫化物路線，目前已可實現保留10%電解質的相關產品。

3. 全球固態電池產業布局呈現出何種差異性？

歐陽明高總結，從全球固態電池產業布局來看，中國企業最多，然后是日本、韓國，實力強勁。美國主要是一些創業企業，與歐洲合作廣泛。

日本在電池與整車性能匹配結合方面較有優勢，已經搭建起官-產-學聯盟。如豐田、本田、日產，同時進行全固態電池研發和整車生產，其中豐田的研發進度最為深入。

韓國三大電池廠在全固態電池方面已取得實質性進展，尤其是三星，國內部分團隊的任務之一，便是復現三星的全固態電池。

美國以創業企業為主導，缺少車企、電池廠的力量，一方面靠資本市場支撐，一方面則靠歐洲車廠的合作，如Solid Power和寶馬合作等。

中國的固態電池技術路線相對多元化，以固液混合為主，以氧化物路線為主導。目前，國內半固態電池池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環壽命這些問題還需要解決。

全固態電池技術方面，國內外專利布局存在較大差距。豐田有超過1300項相關專利，截至2023年10月，國內公司有關全固態電池的專利未超過100項。

4. 固態電池整體上面臨什么挑戰？

據史建鵬總結，目前固態電池存在四大挑戰。

首先，固態電池所需，不只是在現有三元正極材料體系上去做增量或補充，而是更為復雜的高性能正極材料。短期內，正極材料沿用高鎳三元體系，安全性差且易發生熱失控，長期應向超高鎳、富鋰錳基、高壓尖晶石等材料迭代。關于高電壓下三元正極易產氣導致電池鼓包的問題，解決策略是通過單晶化、氧化物包覆、金屬摻雜等手段進一步提升電壓。

第二，固-固接觸的問題，既導致鋰離子傳輸電導率低，也影響電池能量密度，可通過引入電解質膜改性等策略來解決。而現有設備難以支撐制備20μm以下電解質膜，疊加上材料復雜，成本高居不下。 三是相應負極材料的開發。硅負極在充放電過程中體積膨脹大，粉化和分層現象嚴重，有待解決。而在鋰金屬負極的開發過程中，鋰枝晶生長、活性鋰不斷消耗，導致可逆性差；另受到工藝設備的影響，超薄鋰金屬負極的制備還存在困難。

第四，固態電池的制造工藝還需優化，部分生產設備需要定制。其中，正負極和電解質膜的生產設備為主要需要改造或全新研發的設備，尤其是中前段設備。疊片設備也需要做相應升級，與傳統液態電池生產設備的共用率約為70%?？偟膩砜?，目前搭建一條1GWh液態電池產線的成本約為1.5億，而固態電池產線搭建成本是其2倍。

具體到硫化物電解質全固態鋰電池上，許曉雄指出，該類電池的優勢是能量密度有望超過350Wh/kg、快充性能優、循環壽命長、工作溫區寬等，但同時也面臨著穩定性低、成本高、制造技術三大方面的挑戰。

其中，當硫化鋰價格低至50萬元/噸時，該類電池成本才有可能與液態相當。制造環節的挑戰則集中在干法制備工藝和裝備的突破上。

審核編輯：劉清