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别急!固态电池还在“打桩”

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随着中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)挂牌成立,新能源汽车行业的关注点再度落到这一动力电池新技术领域。据介绍,该创新平台旨在发挥带动作用,积极引导和组织整车、动力电池、关键材料企业和有关高校、科研院所开展协同创新,共同推动全固态电池技术突破和产业化应用。同在近期,辉能科技计划IPO等固态电池企业的最新动态也屡屡见诸报端。

近年来,行业对固态电池的产业化翘首以盼,但此事心急不得。作为CASIP牵头人之一的中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高直言,全固态电池有可能2030年前后实现产业化。在此之前,行业发展渐近式半固态技术路线的同时,还要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。

01

探索脚步越迈越大

当前,中国动力电池产业处于全球领先地位,在液态锂离子电池领域取得了显著进步,但随着新能源汽车的市场化发展,市场对动力电池提出了更高要求,高可靠、高安全、高能量密度成为企业发力的主要方向,全固态电池正是路径之一。

记者了解到,我国固态电池技术研发突飞猛进。来自国家知识产权局的数据显示,我国关于固态电池的专利申请保持上升势头,2022年就有785项,其中有效实用新型专利150项;2023年专利申请604项,其中有效实用新型专利90项。宁德时代、国轩高科、蜂巢能源、屹锂新能源、锂威能源、中汽创智等企业都有多项关于固态电池材料、工艺及制备方法的专利申请。

与此同时,不少整车企也陆续自行或以合作方式展开对固态电池的研发。一汽与远景参数图片)动力联合申请了《全固态电池模组及其装配方法》专利;吉利与旗下绿色智行联合申请了《一种极片、极片的制备方法、电池、电池模块、电池包及装置》专利;北汽与旗下北汽蓝谷联合申请了《固态电解质、固态电池及其制备方法》专利;极氪增资宁波威睿后,便有了自研电池的能力,与吉利共同研发了一种固态电解质材料及其制备方法与应用,能够提高固态电解质材料的导电性能,提升全固态电池的能量密度。

上汽集团于2023年8月与清陶能源合资成立了上汽清陶,并于今年1月在互动平台表示,2024年开始,半固态电池将率先在智己L6等新车型上实现量产应用,公司正加紧推进相关工作,力争早日将产品投放市场,并实现在整车上的产业化应用,拉开中国汽车固态电池“上车”帷幕。

在配套整车的探索方面,上汽与清陶能源合作的第一代固态电池在2022年完成了装车试验,在实现“系统级零热失控”的前提下,单体能量密度达到368Wh/kg(相比磷酸铁锂电池,能量密度提升100%以上),测试车辆最大续驶里程达1083公里。2023年5月,赣锋锂业表示,公司一代固态电池已经开始量产,二代固态电池安全性能完全达到车规级要求,研发样品的循环性能也已达到车企的要求。此外,2022年,首批东风固态电池示范运营车正式交付,50辆东风固态电池汽车已在江西、湖南等6省10地累计行驶超120万公里。目前,东风汽车研发出了第二代固态电池,有望在2024年搭载应用,可使整车续驶里程达800公里以上。


02

技术壁垒尚未跨越

纵观固态电池的发展历程,根据电解质类型的不同,可分为聚合物固体电解质、氧化物固体电解质和硫化物固体电解质。中汽创智科技有限公司首席科技官、工学博士周剑光向《中国汽车报》记者介绍道,从时间线来看,聚合物固体电解质在车端最早实现应用,如法国博洛雷的电动汽车使用的就是聚合物固体电解质,但这类电解质体系目前只适配磷酸铁锂正极,故而电芯能量密度有限;从市场端来看,氧化物固体电解质在国内比较热门,可以应用于固液混合电池,目前许多企业在做的半固态电池都采用这条技术路线;从长远来看,硫化物固体电解质,因为离子电导率很高,可与电解液的离子电导率相媲美,同时考虑到其相比于氧化物电解质具有更好的加工性能,最具应用前景。

据了解,业内对于固态电池的分级界定,以电芯中固态电解质含量为依据,半固态锂电池电芯中固态电解质含量达90%~95%;准固态锂电池电芯中固态电解质的占比进一步加大,通常在95%以上,是半固态锂电池向全固态电池过渡的阶段;全固态锂电池的电芯则全部由固态电极和固态电解质材料构成。比如,蜂巢能源的果冻电池、宁德时代的凝聚态电池都属于半固态电池。现阶段,半固态电池技术基本成熟,不少产品进入试装车阶段。凯联资本行业分析师朱涛提出,半固态电池走向量产只是时间问题,但从半固态电池到固态电池,存在巨大的技术“鸿沟”。

中科院电工所前研究人员周康(化名)对此表示认同:“半固态电池可以简单理解为凝胶状态,介于液态和固态之间,比液态安全,但没有固态安全;倍率性比固态好,但没有液态好,是一个中间产物。尽管只有5%~10%的液态电解质,但半固态电池和液态电池差距并不大;而如果电解液完全变成固态,电解质中的离子将移动困难,直接影响电池性能,使得导电率低,倍率性差,还影响电池寿命。”

全固态电池并不是半固态电池的延续,不存在一脉相承、承前启后一说。周剑光解释说:“半固态与全固态是两种完全不同的电池形态。从半固态到全固态电池,无法从‘此岸’的过去预测‘彼岸’的未来。在产业化方面,全固态电池目前来看只有硫化物体系最有希望,但硫化物全固态电芯的商业化仍然面临很多困难。首先是技术层面,如硫化物固体电解质涂布体系的适配性问题,在硫化物固体电解质成膜开发过程中无法使用传统动力电池经典的PVDF-NMP涂布材料体系,需要筛选出满足要求的全新涂布材料体系,这是一项较为艰巨的任务。其次,硫化物电芯的界面问题,在电芯设计、加工及应用环节都需要切实可行的方案妥善解决。”

此外,固态电池在配套装备开发方面和相关设备产业链尚不成熟。周剑光表示,由于硫化物固体电解质对水分极为敏感,对硫化物固体电解质制备和应用的环境及设备要求较高,尤其是规模化制备方面尚无成熟经验可供参考,因此需要强有力的非标装备开发能力支撑。


03

需要警惕“欲速不达”

在周剑光看来,虽然我国在全固态电池方面起步较晚,但通过引进、模仿、学习能够节省不少的初步创新成本,具备一定的后发优势,有望发展成为高速增长的主要动力。

欧阳明高指出,全固态电池产业路线图不是一家公司所能确定的,需要很多具有实力的公司共同参与,技术产业化的时间在2027~2030年,这是全行业的共识。人工智能的快速发展正在改变材料的研发范式,这是全固态电池大幅加速推进的底气,也将为2030年前后实现全固态电池产业化突破增加了确定性。

有信心是好事,但显然也有业内人士认为此事没有那么乐观。“到2030年还有6年,尽管不清楚6年后产业发展情况会如何,但我认为3~4年内技术不会有太大突破。”在周康看来,量产和产业化完全是两个概念,技术成熟就可以生产产品,但产业化不是一两家企业就能实现的,而是整条产业链上的企业都能够做到;只有达到一定规模,产品成本才有下降空间,否则以液态电池5、6倍的价格,固态电池凭什么在市场上中立足?

欧阳明高也指出,虽然到2030年全固态电池有望实现产业化,但在当下阶段企业还应脚踏实地解决关键问题。他直言:“现在,很多企业迫不及待将固态电池装车,但如果没有解决好这个领域的关键问题,装车也只是作秀,欲速不达。”

据了解,目前固态电池的整个产业链基础还不成熟,从液态电池转向全固态电池,从原料到基材生产,从电芯/电池包装配到电池生产应用再到电池回收,全生命周期的产业链都会发生巨变。现阶段,行业对全固态电池的研发认识还不统一、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,这正是CASIP建立的初衷。

除了CASIP,中国一汽、东风汽车、长安汽车、中国科学院、清华大学、北京大学、中汽创智、力神、贝特瑞、当升、国联研究院等27家单位联合组建了“中央企业固态电池产业创新联合体”,旨在加强与产业链上下游单位协作,构建独具特色、优势互补、结构合理的产业增长引擎,加快固态电池关键材料及关键技术开发、创新成果产出及孵化转化,共同推动我国固态电池技术的研发和应用,为动力电池及新能源汽车产业发展注入新动力。

此外,不得不指出的是,全固态电池能否尽快装车,不仅要看研发端的进展,更要看市场需求。企业需要进一步深入挖掘、剖析细分赛道市场中具备核心竞争实力的全固态电池方案,结合开发、量产成本,综合考虑全固态电池装车的必要性。在创新与“守拙”之间,更重要的是不能因小失大、顾此失彼,不能为了全固态电池产业化,影响当前的动力电池产业发展。

文:张雅慧 编辑:庞国霞 版式:王琨


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