經濟觀察報 記者 周菊 隨著液態電池技術的開發接近極限,固態電池憑借高能量密度、長壽命及安全性等優勢,成為下一代電池技術的焦點,也是各大車企和電池企業競相研發的方向。近期,多家車企陸續公布了固態電池的量產時間表。
比亞迪鋰電池有限公司CTO孫華軍在2月15日舉行的第二屆中國全固態電池創新發展高峰論壇上表示,比亞迪計劃于2027年前后啟動全固態電池的批量示范裝車應用;中國第一汽車集團公司首席科學家王德平則透露,一汽全固態電池項目計劃在2027年實現小批量應用。在此之前,長安汽車、上汽集團和奇瑞汽車也均表示,計劃在2026年至2027年間實現固態電池的量產或裝車驗證。
從多家車企的表態看,2027年將是固態電池量產的關鍵時間節點。然而,寧德時代董事長曾毓群在去年3月的業績解讀會上表示,固態電池離商品化還很遠,如果以技術和制造成熟度作為評價體系(以1—9打分,1分為入門,9分為成熟),目前整個行業只到4分的水平。寧德時代首席科學家吳凱更是直言,目前全行業均不具備量產全固態電池的能力。
仍未找到完美的技術路線
固態電池與液態電池的最大區別在于電解質呈固態,這種改變使得固態電池在能量密度、安全性等方面具有顯著優勢。但固態電池的制造仍然存在一系列關鍵問題需要突破解決,其中最重要的是電解質技術路線的選擇。
目前,固態電池的電解質主要有硫化物、氧化物、聚合物、鹵化物等技術路線,但“電解質中目前沒有大家希望的六邊形戰士(即完美無缺的電解質),沒有任何一種能滿足所有的要求。”上海大學教授、中國全固態電池產學研協同創新平臺專家委員會副主任盧世剛表示。
其中,硫化物的離子電導率高,但化學穩定性差,容易與空氣中的水分和氧氣反應,部分硫化物在高溫下不穩定,存在安全隱患;氧化物則因為脆性大,加工難度高,且界面抗阻高與電極接觸不良;聚合物電解質容易加工,但離子電導率低,影響電池性能。鹵化物是固態電池中的新興材料,有比較好的離子電導率和穩定性,但脆性大不易組裝,且成本較高。
在這些并不完美的電解質中,硫化物和氧化物電解質是目前行業研發和專利布局的重點。豐田在固態電池上采用的就是硫化物電解質。武漢大學化學與分子科學學院教授艾新平指出:“硫化物是目前一個很好的切入點,但是其是否具備未來裝車的實際應用條件,以及安全性都還需要進一步的考證。”
除電解質外,固態電池的正極和負極也存在多種選擇。如正極材料有三元材料、富鋰錳基、磷酸鐵鋰、尖晶石等,負極材料有碳基材料、合金類材料、鈦酸鋰以及新型材料(如硅基、鋰金屬等)。但這些材料在性能、穩定性及成本方面各有優劣,尚未形成定論。
界面問題也是固態電池的一大技術難題。曾毓群曾指出,研發全固態電池的關鍵在于對材料和化學體系的研究,其中最難的就是“固—固界面”問題。因為固態電池中固體電解質與電極材料之間難以實現完全緊密接觸,接觸電阻較高,影響電池的充放電效率。且在充放電過程中,電極材料會不可避免地發生體積膨脹和收縮,導致原本的接觸變差。另外,界面反應還會破壞界面結構形成鋰枝晶,鋰枝晶持續生長可能穿透電解質,造成電池短路,引發大量產熱和熱失控。
在制造層面,固態電池的干法和濕法工藝也存在爭議。干法工藝具有工藝簡單、生產效率高的優點,但難以保證電解質與正負極材料的良好接觸;濕法工藝則能夠更好地保證界面接觸,但工藝復雜、成本高。此外,固態電池的生產技術要求更高,涉及高溫高壓等復雜條件,增加了設備投入和生產難度。這些因素都使得固態電池的量產之路充滿不確定性。
在不確定性中奔向量產
盡管固態電池的最佳技術路線并沒有確定,但為了搶占市場取得先發優勢,國內多家車企和電池生產商在固態電池的量產上持續進行著各自的研究。在已經公布量產計劃的車企中,各家的技術路線均有所不同。
其中,比亞迪采用的是硫化物復合電解質+高鎳三元正極+硅基負極的技術路線;奇瑞汽車采用氧化物固態電解質路線,正極材料采用高鎳三元材料或富鋰錳基材料,負極探索鋰金屬負極的應用;長安汽車采用氧化物復合固態電解質,正極采用富鋰錳基,負極選用復合鋰金屬基材料;廣汽集團則并行推進兩條研發路徑,一是基于硫化物的多元復合體系,二是基于聚合物的多元復合體系。寧德時代同時推進硫化物電解質和氧化物電解質技術路線。
車企和電池生產商在固態電池技術路線上的不同選擇,使得固態電池市場呈現出百家爭鳴的局面,但這正是其量產落地的不確定性的體現。究竟哪種技術路線將成為未來發展的主流?“全固態電池到了關鍵時期,需要確立技術路線,這關系到我國新能源汽車產業持續健康發展。”在此次固態電池論壇上,中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高表示。
歐陽明高指出,當前全固態電池的技術路線,要聚焦以硫化物電解質為主體電解質,匹配高鎳三元正極和硅碳負極的技術路線。他認為,在硫化物固態電解質方面,目前眾多企業已經建立了小批量供應能力,需要重點攻克大規模生產工藝,且目前全固態電池的主體電解質逐漸聚焦于硫化物的技術路線,包括豐田、本田等外資車企,以及寧德時代、比亞迪、吉利等中國企業。
對于固態電池中長期的發展路徑,歐陽明高指出,2025年至2027年,要以200—300Wh/kg的石墨/低硅負極硫化物全固態電池為發展目標為牽引,努力打通全固態電池的技術鏈。2027年至2030年,要以400Wh/kg和800Wh/L為目標,重點攻關高容量硅碳負極,面向下一代乘用車電池;2030年至2035年,則要以500Wh/kg和1000Wh/L為目標,重點攻關鋰負極,逐步向符合電解質、高電壓高比容量正極發展。
至于量產時間,多數車企瞄準了2027,有部分企業更是提出要在2026年進行量產。對此,無錫先導智能裝備股份有限公司營銷總經理葉正平表示,車企在2027年實現固態電池量產的目標還是比較冒險的,以采用硫化物電解質的比亞迪為例,硫化物的大規模生產是個巨大的挑戰,而且成本壓力也很大。
由于固態電池電解質可能使用一些高價稀有金屬,同時固態電池的生產要求和設備投入更高,導致固態電池總體成本高昂,這是固態電池量產應用的一大難題。不過隨著技術進步和規模量產,固態電池的有望下降。孫華軍表示,固態電池預計在2030年之后實現大規模應用時,有望與液態電池達到同價水平。
總體來看,固態電池作為新能源汽車市場的關注焦點,其量產之路仍然充滿爭議和挑戰,哪種方案將最終勝出還需時間來驗證。
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