“全固態(tài)電池有可能2030年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化……，產(chǎn)品性能上具有技術(shù)顛覆的潛力……，我們要居安思危。”中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高在談及中國(guó)為何要發(fā)展全固態(tài)電池時(shí)說(shuō)到。

歐陽(yáng)明高認(rèn)為，對(duì)于汽車技術(shù)而言，1%是很重要的市場(chǎng)份額，所以不需要替代到50%，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義。

2024年1月21日，中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)（CASIP）在北京舉行揭牌儀式。該創(chuàng)新平臺(tái)旨在發(fā)揮帶動(dòng)作用，積極引導(dǎo)和組織整車、動(dòng)力電池、關(guān)鍵材料企業(yè)和有關(guān)高校、科研院所開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新，來(lái)推動(dòng)全固態(tài)電池技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

歐陽(yáng)明高在會(huì)上詳細(xì)分析了固態(tài)電池的技術(shù)進(jìn)展情況、發(fā)展前景以及現(xiàn)有難點(diǎn)。他反復(fù)強(qiáng)調(diào)，2030年左右，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破的可能性極大，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)需要敲響警鐘，重視全固態(tài)電池的技術(shù)的發(fā)展，謹(jǐn)防全固態(tài)電池帶來(lái)的顛覆性變革。

硫化物電解質(zhì)引領(lǐng)固態(tài)電池新一輪發(fā)展

先來(lái)看下固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程。

固態(tài)電池是有幾條技術(shù)路線并存的。早期，固態(tài)電解質(zhì)采用氧化物，日本叫酸化物，但是由于材料穩(wěn)定性較差，沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展，被放棄了。

另一個(gè)就是硫化物固態(tài)電解質(zhì)，初期和二期的硫化物表現(xiàn)也不是很好，真正爆發(fā)的是第三期硫化物。

技術(shù)路線上，還有鹵化物固態(tài)電解質(zhì)和石榴石型氧化物路線等。

技術(shù)進(jìn)展方面，上世紀(jì)60年代開(kāi)始至今，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率數(shù)量級(jí)從剛開(kāi)始10-8到10-7到10-3，現(xiàn)在到10-2 S/cm。前期的固態(tài)電解質(zhì)都是在10-4、10-5，基于這些固態(tài)電解質(zhì)制成的電池一直無(wú)法滿足實(shí)用要求。1992年液態(tài)鋰離子電池發(fā)明后，迅速產(chǎn)業(yè)化并在2000年后逐步應(yīng)用于電動(dòng)汽車，引發(fā)了新能源汽車革命。

近十年來(lái)以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為代表的新型固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展迅猛，離子電導(dǎo)率趕上甚至超過(guò)液態(tài)電解質(zhì)。2011年，東京工業(yè)大學(xué)的Kanno教授發(fā)現(xiàn)了一種具有三維Li離子通道的硫化物電解質(zhì)Li10GeP2S12 (LGPS), 其電化學(xué)窗口高達(dá)5V以上，室溫下鋰離子電導(dǎo)率達(dá)12mS/cm，與有機(jī)電解液基本相當(dāng)。2016年，他繼續(xù)創(chuàng)造奇跡，將離子電導(dǎo)率提升至25mS/cm，2023年最高達(dá)到32mS/cm，不過(guò)該固態(tài)電解質(zhì)中含有鍺元素，成本比較高。

目前成本較低的硫化物固態(tài)電解質(zhì)也在研究中，鋰磷硫氯是目前用的比較多的固態(tài)電解質(zhì)。

隨著硫化物電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率接近甚至超過(guò)液態(tài)鋰離子電池，進(jìn)入了新一輪的全固態(tài)電池的全球競(jìng)爭(zhēng)。

全固態(tài)電池的論文在2011年之后呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，原先是在三五百篇，現(xiàn)在到三五千篇，增長(zhǎng)了十倍。

超越液態(tài)電池性能的潛力

在解決了導(dǎo)電率這一關(guān)鍵問(wèn)題后，固態(tài)電池在其他性能上的優(yōu)勢(shì)就值得重視了。

用歐陽(yáng)明高的話說(shuō)，全固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的性能潛力。歐陽(yáng)明高強(qiáng)調(diào)，不是說(shuō)目前固態(tài)電池具備這個(gè)能力，有這個(gè)潛力。

從幾個(gè)方面可以看出。

首先，高安全性。從液態(tài)到固態(tài)，硫化物固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性可以保持到300°C，液態(tài)電解質(zhì)是100°C就要蒸發(fā)了，所以它增加了200°C的安全空間，“我們也專門做過(guò)全固態(tài)電池的安全性，至少可以提升200°C，這個(gè)對(duì)我們正常的工作范圍是有安全保障的。”

其次，高能量密度。當(dāng)然固態(tài)電池現(xiàn)在并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高能量密度，但是它有這個(gè)潛力。不僅從單體電池，而且從電池模組的角度也有這個(gè)潛力，因?yàn)樗梢宰龀呻p極板。現(xiàn)在的液態(tài)單體電池必須把它包起來(lái)，否則電解液漏液就會(huì)短路。將來(lái)是固態(tài)電解質(zhì)，不需要包起來(lái)了，既然不需要包起來(lái)，就沒(méi)有必要用那么多外殼，就像燃料電池一樣串疊起來(lái)就可以。它從單體和模組兩個(gè)方面都可以提升能量密度。

第三，高功率特性。目前液態(tài)鋰離子電池的離子傳導(dǎo)是叫運(yùn)載模式，通俗講就是離子在液態(tài)電解質(zhì)中移動(dòng)需要“坐船”，但是鋰離子在固態(tài)電解液中間是跳躍模式，它傳遞速率更高，這就導(dǎo)致充電的速度可以大幅度提高，這就是它的高功率特性。這個(gè)快充和現(xiàn)在的快充不一樣，現(xiàn)在的充電速度如果太快就會(huì)析鋰，負(fù)極電位低到零就會(huì)析鋰，因?yàn)殇囯x子都堆在負(fù)極的門口進(jìn)不去，就會(huì)導(dǎo)致極化增加、電位下降，導(dǎo)致析鋰。這個(gè)問(wèn)題到全固態(tài)電池之后是可以解決的。

第四，是溫度適應(yīng)性。現(xiàn)在的液態(tài)電池在低溫環(huán)境下續(xù)航里程不理想。液態(tài)電解質(zhì)，鋰離子導(dǎo)率和溫度直接相關(guān)，全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30°C和100°C的范圍內(nèi)都不會(huì)凝固，不會(huì)氣化，所以溫度適應(yīng)性很好，不需要搞那么復(fù)雜的熱管理，也不會(huì)因?yàn)槎齑蠓娜萘肯陆怠?/p>

此外，材料的選擇范圍更廣了，因?yàn)楣虘B(tài)電池的電化學(xué)窗口要寬，例如，鹵化物抗氧化特性非常好，可以適應(yīng)高壓。再如，硫化物適應(yīng)低電壓。現(xiàn)在也有人把這兩個(gè)配合起來(lái)，就可以做成電化學(xué)窗口很寬的電池，這樣可以把電壓進(jìn)一步提升。

與液態(tài)電池不同，固態(tài)電池的不同特性可以同時(shí)被滿足。液態(tài)電池往往一方面性能好了，另外一方面性能就不好了。例如，液態(tài)電池比能量高了，但是充電速率降下來(lái)了，也可能是電池壽命縮短了。再如，充電倍率性能提升了，可能循環(huán)壽命就降下來(lái)了，固態(tài)電池不是這樣的，如果充電倍率提升，電池壽命反而會(huì)有增長(zhǎng)趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明，全固態(tài)電池1C循環(huán)1000次，5C反而可以循環(huán)10000次，它與液態(tài)電池的特性是不一樣的。因此，全固態(tài)電池是動(dòng)力電池重要的發(fā)展方向之一。

全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局

目前，全固態(tài)電池是公認(rèn)的下一代電池的首選方案之一，被列入中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日韓等主要國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略，也成為下一代電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵制高點(diǎn)。

從全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局來(lái)看，中國(guó)的企業(yè)大概最多，然后是日本。日本企業(yè)雖然不多，但是實(shí)力很強(qiáng)。美國(guó)主要是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)。歐洲主要是和美國(guó)的創(chuàng)業(yè)企業(yè)合作，然后韓國(guó)也不多，但是力量很強(qiáng)。

首先看日本，日本是舉國(guó)家之力推動(dòng)全固態(tài)電池商業(yè)化，他們也有官-產(chǎn)-學(xué)聯(lián)盟，豐田、本田、日產(chǎn)，既做全固態(tài)電池研發(fā)又搞整車生產(chǎn)，在電池與整車性能匹配結(jié)合方面會(huì)比較有優(yōu)勢(shì)。

豐田、本田和日產(chǎn)先后發(fā)布了產(chǎn)業(yè)化時(shí)間表，豐田做的是最早也最深的，現(xiàn)在日產(chǎn)也發(fā)布了他們?cè)嚿a(chǎn)和產(chǎn)品上線的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，他們整體的一個(gè)行動(dòng)。

另外就是韓國(guó)。韓國(guó)的汽車廠倒是不積極，但是韓國(guó)有三大電池廠，應(yīng)該說(shuō)目前是全球居于第二位的電池產(chǎn)業(yè)大國(guó)，雖然它的電池廠不多，但是這三家實(shí)力很強(qiáng)，在全固態(tài)電池方面這三家都還是取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。尤其是三星，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還有很多單位在復(fù)現(xiàn)它們做出的全固態(tài)電池。

美國(guó)方面，則是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)為主導(dǎo)。美國(guó)的大企業(yè)并沒(méi)有介入太多，他們的汽車廠也沒(méi)介入，他們沒(méi)什么電池廠，所以基本上都是靠創(chuàng)業(yè)企業(yè)。

那么這些初創(chuàng)企業(yè)靠什么支撐？

歐陽(yáng)明高認(rèn)為，他們一方面靠股市，另一方面靠歐洲車廠。比如Solid Power和寶馬合作，比如說(shuō)Quantum Scape和大眾合作，最近兩家都發(fā)布了消息，尤其是Quantum Scape股市漲得很好，因?yàn)椋饲八鼈儼l(fā)布了一個(gè)產(chǎn)品。

總之，目前很多公司都發(fā)布了全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)路線圖，產(chǎn)業(yè)化時(shí)間基本都是在2027-2030年。歐陽(yáng)明高認(rèn)為，大家都聚焦到這個(gè)時(shí)間，這不是偶然，是有一定共識(shí)的。

中國(guó)固態(tài)電池技術(shù)路線相對(duì)多元化。中國(guó)以固液混合為主，國(guó)外以全固態(tài)為主。固液混合就是氧化物和聚合物電解質(zhì)等的結(jié)合為主，硫化物在國(guó)內(nèi)并不是主導(dǎo)技術(shù)路線。

國(guó)內(nèi)做固態(tài)電池的單位是很多的，有很多原先也是做全固態(tài)的，后來(lái)轉(zhuǎn)向半固態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈也比較完整，而且現(xiàn)在很多原先是創(chuàng)業(yè)企業(yè)做，現(xiàn)在好多主流電池廠也都在做固液混合、半固態(tài)。有些企業(yè)也在嘗試裝車。

半固態(tài)電池的特點(diǎn)是固液混合的電化學(xué)原理與液態(tài)鋰離子電池還是相同的，不屬于顛覆性技術(shù)，是提升安全性的技術(shù)之一。半固態(tài)電池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命這些問(wèn)題還需要解決。大規(guī)模生產(chǎn)，還需要提高良品率、降低電池成本，而且充電倍率一般會(huì)有所下降，循環(huán)壽命也會(huì)很難跟液態(tài)的進(jìn)行比較，這是需要解決的問(wèn)題。

全固態(tài)電池技術(shù)方面，目前國(guó)內(nèi)外專利的布局差距是比較大的，豐田是1300多項(xiàng)。我國(guó)近五年在加速，截止2023年10月，國(guó)內(nèi)公司有關(guān)全固態(tài)電池的專利，最高沒(méi)到一百項(xiàng)。

要不要發(fā)展全固態(tài)電池？

目前中國(guó)是電池的領(lǐng)先國(guó)家，好像也不用擔(dān)心。就算是全固態(tài)電池搞出來(lái)，就算是2030年產(chǎn)業(yè)化，要想替代液態(tài)鋰離子電池50%市場(chǎng)份額至少需要20—30年。

但是歐陽(yáng)明高也指出，電動(dòng)車現(xiàn)在也就只替代了30%，全球就驚呼中國(guó)車要領(lǐng)先了，不需要到50%，到1%就已經(jīng)預(yù)警了。“當(dāng)年我們新能源汽車市場(chǎng)占有率達(dá)到1%的時(shí)候，大概2016年全球開(kāi)始向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向，對(duì)于汽車技術(shù)而言1%是很重要的市場(chǎng)份額，所以市占份額不需要替代到50%，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義。”

因此，中國(guó)既要發(fā)展這種漸近性的半固態(tài)技術(shù)路線，又要防范激進(jìn)型全固態(tài)技術(shù)路線帶來(lái)的顛覆性風(fēng)險(xiǎn)。

在歐陽(yáng)明高看來(lái)，目前液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)取得輝煌的成就，十年來(lái)動(dòng)力電池能量密度提升3倍，成本下降80%以上。中國(guó)電池的產(chǎn)量也接近全球70%，這個(gè)值得驕傲和肯定。可是如今，電池行業(yè)也面臨產(chǎn)能過(guò)剩、行業(yè)內(nèi)卷的問(wèn)題。

現(xiàn)在電池行業(yè)，一方面是電池的成本不斷下降，技術(shù)門檻比較低，門檻低來(lái)的人就多，很多民營(yíng)企業(yè)有錢的都要進(jìn)來(lái)。另一方面，中國(guó)的電池技術(shù)沒(méi)有完全滿足電動(dòng)車客戶的需求，比如說(shuō)超級(jí)快充，350千瓦以上，怎么在全壽命周期內(nèi)不析鋰、不影響壽命、不發(fā)生安全事故，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)；低溫續(xù)航、體積能量密度，也都是挑戰(zhàn)。

歐洲德國(guó)廠家都提出在2026年，負(fù)極硅的含量要達(dá)到接近50%，國(guó)內(nèi)主流硅含量只有百分之幾，因?yàn)榕蛎浡侍撸?0%怎么達(dá)到？50%的硅這對(duì)壽命會(huì)有極大影響。

為什么要這么做？

歐陽(yáng)明高表示，這是因?yàn)閯?dòng)力電池體積能量密度還要進(jìn)一步提升，畢竟磷酸鐵鋰電池的體積能量密度還是偏低的。當(dāng)然，這不是沒(méi)有技術(shù)方案，但是產(chǎn)業(yè)面臨著技術(shù)門檻不斷提高的挑戰(zhàn)。

在歐陽(yáng)明高看來(lái)，鋰離子電池的技術(shù)創(chuàng)新周期大概30年。鋰離子電池從手機(jī)到動(dòng)力電池是從2000年左右開(kāi)始的。第一個(gè)十年，從手機(jī)電池到動(dòng)力電池，首先要處理的問(wèn)題就是安全。現(xiàn)在還在繼續(xù)解決，但有的領(lǐng)先企業(yè)基本上解決了。現(xiàn)有的比能量下應(yīng)該可以解決，但是比能量再提升呢？大家會(huì)反問(wèn)比能量為什么還要提升？問(wèn)題是如果比能量提升了，成本不用提升太多呢，是不是就要顛覆？

歐陽(yáng)明高認(rèn)為，近十年來(lái)，智能化技術(shù)逐步在電池行業(yè)應(yīng)用，近幾年現(xiàn)在還在解決，行業(yè)內(nèi)卷急需提質(zhì)降本增效，用什么辦法？數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即電池全生命周期全鏈條智能化。

現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始的十年是材料換代的新周期。為什么鋰離子電池能夠應(yīng)用到汽車上？早期三元和鐵鋰電池剛剛裝車時(shí)候起火事件頻發(fā)，那時(shí)候鋰離子電池根本不被看好。中國(guó)新能源汽車國(guó)家科技專項(xiàng)到2005年才勉強(qiáng)把鋰離子電池作為重點(diǎn)，在這之前還是鉛酸電池和鎳氫電池。

后來(lái)由于磷酸鐵鋰和三元電池材料創(chuàng)新，鋰離子電池成為動(dòng)力電池的主流。現(xiàn)在我們又到了新一輪材料創(chuàng)新周期了。“這個(gè)周期大概要到2030年左右，也就是全固態(tài)電池有可能2030年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”

全固態(tài)電池難題

全固態(tài)電池目前面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學(xué)科的特性、技術(shù)門檻極高，包括材料界面、工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)備等。

一是，科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。

科學(xué)難題方面，需要從關(guān)鍵材料、界面、復(fù)合電極、單體電池不同層面進(jìn)行解決。例如，材料層次，硫化物電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性很差，批量生產(chǎn)很難，基礎(chǔ)硫化鋰很貴。

歐陽(yáng)明高認(rèn)為，首先要把硫化鋰價(jià)格壓下去。現(xiàn)在自己做比買要便宜80%，所以做硫化鋰需要把規(guī)模做上去，把成本壓下來(lái)，不然的話大家都自己做。其次，硅碳負(fù)極的問(wèn)題是體積膨脹大，而鋰負(fù)極現(xiàn)在還不成熟。

界面放面，電極材料、固態(tài)電解質(zhì)的界面相容性，包括界面的副反應(yīng)，固-固界面機(jī)械接觸和體積變化等，制備的過(guò)程中加5000個(gè)大氣壓以上。而且這個(gè)界面很復(fù)雜，有空間電荷層等，要尋找新的材料作為過(guò)渡層，這些都要材料的創(chuàng)新。

電極層面，高面載復(fù)合電極應(yīng)變條件下的電荷輸運(yùn)緩慢，電解質(zhì)本身10個(gè)mS/cm可以做，做成隔膜就不行了，做成復(fù)合電極就更差了。還有機(jī)械失效等問(wèn)題。

電芯片層面，環(huán)境控制成本高，因?yàn)榭諝夥€(wěn)定性問(wèn)題，只能在手套箱里面做，這也是大問(wèn)題。等靜壓壓制方式的效率低， 5000個(gè)大氣壓壓制，這個(gè)制作效率比較低。另外電芯做大做厚很難，然后還有車載工況下的電芯性能綜合評(píng)估目前也沒(méi)有相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

二是，全固態(tài)電池的工藝設(shè)備挑戰(zhàn)。

全固態(tài)電池如果采用濕法工藝，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，都要用新設(shè)備，這也是我們面臨的問(wèn)題。所以我們必須要設(shè)備廠商同步。

三是，產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)。

中國(guó)電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侨蜃顝?qiáng)大的。但是現(xiàn)在如果做全固態(tài)電池，那么我們從原料到基材生產(chǎn)、電芯/電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用到電池回收，全生命周期的產(chǎn)業(yè)鏈都會(huì)造成巨大的沖擊。

所以這些問(wèn)題都需要一個(gè)個(gè)解決。當(dāng)然我們也不要被這些困難所壓倒，雖然它面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)取得重大的進(jìn)展。但中國(guó)全固態(tài)電池的研發(fā)目前來(lái)看認(rèn)識(shí)還不統(tǒng)一、力量比較分散、產(chǎn)學(xué)研不協(xié)調(diào)，需要聯(lián)合起來(lái)建立協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，共同突破全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，這就是要建平臺(tái)的目的。

展望未來(lái)

歐陽(yáng)明高認(rèn)為，人工智能正在改變材料的研發(fā)范式，將大幅度加速全固態(tài)電池的研發(fā)速度。材料科學(xué)的研發(fā)范式正在被顛覆，Alpha Go顛覆了圍棋、Alpha Fold顛覆了蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)、Alpha Geometry顛覆了數(shù)學(xué)。

最近《Nature》文章顯示，谷歌的DeppMind的AI+DFT，還有無(wú)人實(shí)驗(yàn)室全套機(jī)器人+AI，短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了220萬(wàn)個(gè)可能的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、40多萬(wàn)個(gè)材料合成。“我們已經(jīng)處于一個(gè)新的時(shí)代，人工智能的時(shí)代，不要用過(guò)去推論未來(lái)，這個(gè)時(shí)代會(huì)顛覆材料的創(chuàng)新模式，也就不是以前的試錯(cuò)法，將來(lái)是24小時(shí)的黑燈實(shí)驗(yàn)室，還有大算力的計(jì)算平臺(tái)幫助研究人員計(jì)算，這會(huì)大大加速。這會(huì)對(duì)2030左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性。”