中国工程院院士金涌 ：全固态电池量产至少再等十年 | 大湾区车展观察

近日，第四届未来汽车先行者大会在深圳启幕。本届大会以“拾级”为核心理念，倡导产业立足当下、稳步进阶，以扎实的技术积累奔赴长远未来。作为新能源汽车“心脏”，以半固态电池为代表的动力电池新技术，已成为行业价值竞争的关键。5月30日，以「临界与突破」为主题的“半固态电池价值论坛”举行，旨在探讨半固态电池产业化路径与价值边界。

会上，中国工程院院士金涌发表了题为《动力电池的前世·今生·未来》的演讲，从历史纵深出发，分享了动力电池技术及产业化演进脉络。

金涌院士强调，行业从液态电池全面迈向全固态电池，仍有约十年的发展窗口期。半固态电池具备在能量密度、安全性与成本之间取得平衡的优势，已成为承接当前、布局未来最合适的技术方案。

从国际竞争的角度看，当前，欧洲、美国与中国的三方竞争形势十分严峻。中国的最佳策略是从液态切换到半固态，持续研发固态电解质，在适当时机转向全固态，从而在全球竞争中继续保持领先地位。

以下为金涌院士的现场演讲实录，雷峰网《新智驾》作了不改变原意的编辑及整理：

回溯历史，我们第一辆电动车诞生于190年前。当时巴黎主要交通工具是马车，导致道路上有很多马粪，造成了严重的环境问题。为解决这一问题，第一辆电动车出现了。然而，受限于当时的储电技术，车上搭载的是铅酸电池，一次充电仅能跑30到50公里，很不方便。

恰逢此时，人类发现了石油，且石油炼制技术迅速提高，大量汽油车和柴油车涌现，迅速淘汰了第一代电动车。

真正的转折点是锂电池的发明。它使储电能力成倍跃升，三位发明锂电池的科学家也因此荣获2019年诺贝尔奖。随着中国在锂化合物——特别是磷酸铁锂、六氟磷酸锂等领域的突破，电动车迎来高速发展的黄金时代。在这期间，清华大学化工系做出了关键贡献：将磷酸从化学纯成功提升到了电子纯，突破了材料专利瓶颈。

到了1991年，商用锂电池出现了，随后，中国也很快做出很大贡献。动力电池发展经历了以下过程，从超级电容、铅酸电池、锂离子电池到锂硫电池，再往下就要往固态方面发展。

2022年的时候，全球电动汽车销量达到创纪录的1000万辆，中国再次成为全球电动汽车销量的领跑者。去年，中国电动车产量达到约1700万辆，销量占到世界的70%。我们在电动车全产业链取得了突破，包括电池、电机、电控。电机方面，由于有稀土元素我们可以做永磁电机，电控方面，我们的芯片国产化发展。

我们的基本材料也占了很大比例，原始材料不缺，还有世界二分之一的锂盐、钴、锰加工产能。在整个电动车产业链，中国都有很好的优势。

但不容忽视的是，目前液态电池虽已大规模制备，仍面临几大严峻挑战：

一是能量密度瓶颈。这将导致充电次数较多，在续航体验上不是很理想。

二是安全隐患难根除。锂离子在正负极运动时沉积不均匀，容易产生“锂枝晶”。一旦刺破电池中间的隔膜导致短路，电池就会燃烧，因为液体电解质基本都是醇类。而且你不知道它什么时候穿透，所以有一定的危险性。

三是低温性能受限。电解液在低温下可能会凝固，导致电池在冬天的功率大幅打折。

要解决这些问题，有人改进了锂硫电池。电极里面一边是锂，另一边是硫，硫会流失，所以要把硫困在电极里，这在一定程度上能防止锂枝晶刺破隔膜。

但要彻底解决上述难题，公认的终极解法依然是全固态电池。然而，全固态电池从基础研究、工程转化到大规模量产，普遍预计还需十年甚至更久。

为能迅速解决当下的痛点，我们现在提出了一个方案：继续使用液体传导锂离子在正负极运动，但要大幅减少液态电解质的含量。这就催生了一个新的体系——半固态电池。

半固态电池平衡了能量密度、产品成本与安全性，成为三者之间的妥协方案。并且，半固态电池能很快实现大批量产业化，因为它与现有液态电池生产线达到70%到80%吻合度，改造成本增加不多。我们有十年左右的窗口期，利用半固态电池继续占领市场。

半固态电池的原理是将液态电解液“困”在三维网络中，网络里面是液体的，但网络是由高分子材料组成的。电解液变成像我们吃的“胶冻”一样的状态，从而减少锂枝晶产生，同时大大提升单位重量的储电量。它的制备方法有很多，有直接原位的、有迁移的。这些都是厂家的专利，具有保密性。

我们估计，全固态电池虽然是终极目标，但在其完全成熟前，还有相当大的空间可供半固态电池的各种技术路线利用。

安全上，半固态电池可以将液体电解质含量降低到5%到10%，燃烧的可能性能大幅度降低。成本上，我们让它的成本保持在只比传统液态电池高15%到30%，每瓦时的价格增加不到一块钱。

因此，半固态电池可以广泛应用于长续航电动车、无人机、人形机器人等领域。其产业规模增长会很快，未来产值将达到百亿甚至上千亿级别。中国制造商如宁德时代等，也都在全力加速锂电池发展进程。

接着我们再说说终极的全固态电池。它的电极是固体的，电解质也要是固体的。目前面临最大的困难就是固体和固体之间的接触，假如固体电解质和电极接触不好，那么就增加了阻力，锂离子传导速率下降，影响电池性能。所以要解决“固-固界面”接触问题。

有人说使用陶瓷，但陶瓷接触不好就容易变形、破裂，而且需要很大的压力才能使接触表面变好。因此，固态电池是不可能一步到位的。

目前，全球在固体电解质路线上处在竞争状态，距离完全产业化，需要一定的时间。

丰田主攻硫化物路线，将硫化锂作为固态电解质。主要困难在于如何使“固-固”表面接触得好。一般采取的方式是爆压，要几百个大气压的条件才能满足。所以，该路线制备条件极其苛刻，要求绝对不能接触水和空气。因此，其成本高昂，比液态电解质高三到五倍。

中国科研团队展现出卓越的创新力。中国科学技术大学马老师提出了水合氧氯锆锂路线，具备低成本、高柔性和无需高压的优势；《自然·通讯》提出氧氯锂锆铝路线，常压下百次循环衰减不足3%。此外，中科大、浙江工业大学提出镧系卤化物作为固态电解质，可与锂负极和三元正极直接接触，在室温下稳定循环。

在技术不断跃迁的同时，另一个值得关注的问题是电池回收。我们每年要生产几千万辆车，而电池是有寿命的，未来每年都将有大量动力电池面临退役。因此，电池回收的重要性逐步提升。

锂、镍、钴等资源我们国家不太多，尤其镍和锂大部分要靠进口，所以我们要开发电池回收技术。诸如格林美、邦普等企业在电池拆解与废旧金属回收技术上的突破，一是能带来大量资金收入，二是能一定程度解决材料的缺乏。

我们现在是全世界最好的电动车制造商，为保证我们继续领先，要参与严肃的国际竞争。目前，美国正倾全力押注全固态电池，整个产业全体升级，从液态全部直接变成全固态，但它周期长、成本高；欧洲则专注于小的摩托车、无人机市场的占有。

中国的最佳策略是什么呢？我们认为应是：从液态平稳切换至半固态，同时不放松对固态电池的研究，适当时机转化到全固态。

目前，半固态电池的能量密度较液态电池显著提升，搭载该电池的电动汽车，单次充电续航里程可达 500 至 700 公里。相比之下，传统燃油车一箱油的续航普遍在500 公里左右。从续航能力来讲，搭载半固态电池的车型已经完全和汽油车、柴油车相同了。

此外，得益于液体电解质含量大幅降低至5%-10%，半固态电池安全性能有一定提升，也有效缓解了电动车在冬季的续航衰减问题。

最后，谈谈清华大学化工系的工作。无论是半固态还是全固态，瞬间放电能力往往不如液态电池。但高档汽车在启动和超车时，急需瞬间大电流爆发力。清华目前正在开发动力电容技术，旨在为电动车提供瞬间爆发力。我们认为，电动车的发展仍有很大的研究开发的空间。