论坛｜警惕激进型全固态电池的颠覆风险
来源：中国能源观察 时间：2024-02-29 18:29
余璇
“10年来动力电池能量密度提升3倍，成本下降80%以上，我国电池产量占全球近70%，但也面临产能过剩、行业内卷的现状。2023年锂离子电池价格腰斩，盈利的动力电池企业只有两三家。当前行业需要提质增效，用创新技术穿越周期。”1月22日，在“中国全固态电池产学研协同创新平台”成立大会暨中国全固态电池创新发展高峰论坛上，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高指出。
在欧阳明高看来，当前超级快充、低温续航、体积能量密度等新需求虽有技术方案，但也面临技术门槛不断提高的挑战。我国需要跨越创新周期，迎接国际新一轮电池技术竞争。
目前全球全固态电池的研发现状是怎样的？我国全固态电池发展前景如何？欧阳明高进行了深入阐述与分享。
全固态电池研发的全球“执念”
关于固态电解质的研究，我国在前期做了大量的基础工作，但无论是氮化锂、硫化物还是卤化物，都尚未达到理想状态。
“这些固态电解质制成的电池一直无法满足实用要求。”欧阳明高坦言，直到1992年，随着液态锂离子电池诞生并迅速产业化，液态锂离子逐步应用于电动汽车，随后引发了新能源汽车革命。
欧阳明高表示，近10年来，以硫化物固态电解质为代表的新型固态电解质发展迅猛，离子电导率甚至超过液态电解质。
据介绍，2011年，东京工业大学Ryoji Kanno教授课题组合成了一种硫化物固态电解质Li10GeP2S12（LGPS），有效增强了锂离子电导率，甚至电导率与有机电解液基本相当，但该固态电解质中含有锗元素，成本比较高。
“目前已经发展了成本较低的硫化物固态电解质，其中锂磷硫氯是应用比较多的。”欧阳明高表示，在Ryoji Kanno教授课题组合成的固态电解质出现后，2012年，丰田试制了全固态电池，随后不断有企业加入，从而引发了新一轮全固态电池的全球竞争。
“现在大家越来越有共识，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，被列入中国、美国、欧盟、日本、韩国等主要地区的发展战略，也成为下一代电池技术竞争的关键制高点。”欧阳明高强调。
据了解，从全球全固态电池产业布局来看，我国企业占比最多，其次是日本。
日本方面，在全固态电池领域耕耘多年，技术创新不断加速，量产时间表逐渐明确，虽然全固态电池企业不多，但实力很强。
“日本应该说是举国家之力推动全固态电池商业化，他们也有‘官—产—学’联盟，丰田、本田、日产等企业既做全固态电池研发，也在做整车生产，在电池与整车性能匹配结合方面比较有优势。”欧阳明高称。
美国方面，以初创公司为主，加速全固态电池产业创新，欧洲则是主要和美国的创业企业合作。
“美国与日本不同，基本上是一些创业企业，美国一向是以创业企业为主导的。”欧阳明高分析称。
谈及创业公司的资金支持，欧阳明高表示，美国创业公司一方面靠股市支撑，另外一方面靠欧洲车厂支撑。
此外，韩国全固态电池企业数量也不多，但是LG新能源、三星SDI和SK On三大电池企业力量很强，目前正持续投入研发，开始建设全固态电池生产线。
“韩国应该说是目前全球位居第二的电池产业大国，虽然其电池企业不多，但是有三家企业实力是很强的，在全固态电池方面这三家企业都取得了实质性的进展。尤其是三星，现在国内还有很多企业在复现其做出的全固态电池。”欧阳明高坦言。
据分析，目前全球全固态电池产业路线不止一家公司布局，而是许多具有实力的公司集体布局，预计产业化时间集中在2027—2030年。换而言之，聚焦在这个时间，是有一定共识的。
亟须研发全固态电池巩固产业链优势
那么，我国要不要发展全固态电池？这是欧阳明高阐述的关键问题。
“因为全固态电池具有技术颠覆的性能潜力，不是说它有这个能力，是有这个潜力。”欧阳明高认为。
一是高安全性。从液态到固态，硫化物固态电解质的热稳定性可以保持到300摄氏度，液态电解质100摄氏度就要蒸发，所以硫化物固态电解质增加了200摄氏度的安全空间，对正常工作范围更有安全保障。
二是高能量密度。虽然现在并没有实现高能量密度，但全固态电池有这个潜力。不论是从单体电池，还是从电池模组的角度都有这个潜力，因为其可以做成双极板，从单体和模组两方面都可以提升能量密度。
三是高功率特性。现在液态锂离子电池的离子传导被称为运载模式，整个过程需要溶剂化再脱溶剂化，通俗讲就是离子在液态电解质中移动需要“坐船”。但是锂离子在固态电解液中是跳跃模式，传导速率更高，充电速度也大幅度提高，这就是高功率特性。这种快充和现在的快充相比将会大不一样，不会因为充电速度太快而析锂。
四是温度适应性。现在液态电池在低温环境下续航里程不理想，是因为液态电解质中锂离子电导率和温度直接相关，全固态电池的电解质在-30摄氏度到100摄氏度范围内都不会凝固、气化，所以温度适应性更好，不需要很复杂的热管理，也不会因为寒冷电池容量大幅下降。
五是材料选择范围更广。固态电池的电化学窗口更宽，可以把不同特性结合起来，制作成电化学窗口很宽的电池，进一步提升电压。
“以上这些特性可以同时满足，不像液态电池一方面性能好了，另外一方面性能就不好了。比如充电倍率性能提升了，可能循环寿命就降下来了。但固态电池不是这样的，如果充电倍率性能提升，循环寿命反而会有增长趋势。所以全固态电池是动力电池重要的发展方向之一。”欧阳明高强调。
记者了解到，目前我国固态电池技术路线呈现多元化，以固液混合为主，国际上多以全固态为主。固液混合主要是氧化物和聚合物电解质等结合，硫化物在国内并不是主导技术路线。当前国内固态电池产业链比较完整，部分主流电池企业都在做固液混合、半固态电池，也有企业在尝试装车。半固态电池的特点是固液混合电化学原理，与液态锂离子电池相同，不属于颠覆性技术，是提升安全性的技术之一。目前半固态电池正在试装车，但是良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命等问题仍需解决。
从全行业看，目前我国既要发展渐进型半固态技术路线，又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。
“目前我国是电池发展的领先国家，就算全固态电池2030年能产业化，要想替代液态锂离子电池50%市场份额也需要20到30年。”欧阳明高指出，就像电动汽车也就只替代了30%，全球就惊呼中国电动汽车要领先了。不需要到50%，到1%就已经预警了。2016年，新能源汽车市场占有率达到1%的时候，全球就开始向电动汽车转向。对于汽车技术而言，1%是很重要的市场份额，不需要替代到50%，替代1%就已具有突破性意义。
欧阳明高表示，现在，我国液态锂离子电池产业发展成就辉煌，10年来能量密度提升3倍，成本下降80%以上，电池产量接近全球70%，可是如今电池行业也面临产能过剩、行业内卷。
一方面是低成本电池的成本不断下降，且技术门槛越低，涌进来的人就越多，但仍没有完全满足电动车客户的需求。比如超级快充350千瓦以上，怎么在全寿命周期内不析锂、不影响寿命、不发生安全事故，这是很大的挑战。其次，低温续航也是一个挑战。此外，还要进一步提升体积能量密度。
另一方面，锂离子电池技术创新周期大概是30年，第一个10年，从手机电池到动力电池，现在还在继续解决安全问题。近10年来，智能化技术逐步在电池行业应用，行业内卷亟须数字化转型提质降本增效，电池全生命周期期待全链条智能化。
在欧阳明高看来，下一个10年，或者现在已经开始的10年，是材料换代的10年。
“由于磷酸铁锂和三元电池材料创新，锂离子电池成为动力电池的主流，现在又到了新一轮材料创新周期，这个周期要到2030年左右，也就是说，全固态电池有可能2030年左右实现产业化。”欧阳明高预测。
面对国内外竞争加剧，虽然我国电池产业发展呈现良好态势，但仍要居安思危。欧阳明高认为，电池行业发展方向是低碳化、智能化、固态化。
协同创新破解全固态电池技术难题
“全固态电池目前面临的挑战是巨大的，具有跨学科特性，技术门槛极高，包括材料、界面、工艺、产业链、设备等。”欧阳明高指出。
首先，全固态电池产业化仍然面临一系列的科学难题，需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池不同层面进行解决。
“比方说材料层次，硫化物电解质化学稳定性、空气稳定性很差，批量生产很难。基础硫化锂很贵，首先要把这个价格压下去。现在自己做比买要便宜80%，所以做硫化锂需要把规模做上去，把成本压下来。”欧阳明高举例称。
其次，全固态电池的工艺设备面临挑战，必须与设备厂商同步。“全固态电池制作如果用湿法工艺，大概能保留一半的现有设备。如果用干法工艺，三分之二的设备都不能用了，要用新设备，所以必须与设备厂商同步。”欧阳明高解释称。
再次，产业链面临风险，欧阳明高认为，我国电池产业链是全球最强大的，现在如果做全固态电池，从原料到基材生产、电芯/电池包装配、电池生产应用，再到电池回收，全生命周期的产业链都会受到巨大冲击。
“中国全固态电池的研发目前来看认识还不统一、力量比较分散、产学研不协调，需要联合起来建立协同创新平台，共同突破全固态电池产业化的关键技术。”欧阳明高呼吁。
“我们已经处于一个新的时代，人工智能的时代，不要用过去推论未来，这个时代会颠覆材料的创新模式。”欧阳明高表示，人工智能正在改变材料的研发范式，将大幅度加速全固态电池的研发速度，这为2030年左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。
展望我国动力电池材料体系的研发和产业化发展趋势，欧阳明高判断，未来既要低成本电池，也要高比能电池，要两头发力。在2030年左右全固态电池产业化突破的可能性极大，我们要全力以赴，只争朝夕，要有紧迫感，共同努力实现中国电池产业持续引领全球。
责任编辑：杨娜
