純電動汽車?yán)m(xù)駛里程如何超1000公里?答案是使用固態(tài)電池!

10月18日，富士康母公司鴻海精密發(fā)布Model C、Model E、Model T三款電動汽車，標(biāo)志著其正式跨界造車，同時富士康還宣布將在2024年推出第一款純電動汽車固態(tài)電池。

“我們應(yīng)用固態(tài)電解質(zhì)膜和專用正極材料，制備出了能量密度高達350Wh/kg的固態(tài)電池樣品。”10月19日，上市公司珠海冠宇表示。而在此前一天，美國電動汽車全固態(tài)電池開發(fā)商Solid Power公布了其高含量硅全固態(tài)電池技術(shù)的安全和性能數(shù)據(jù)。其小型軟包電池在室溫下可實現(xiàn)1000多次循環(huán)，Solid Power正致力于繼續(xù)提高該電池的性能。而作為“局內(nèi)人”的LG化學(xué)、松下、寧德時代、國軒高科等國內(nèi)外電池企業(yè)也都在積極研發(fā)固態(tài)電池。

2019年諾貝爾化學(xué)獎得主之一的英國化學(xué)家斯坦利·威廷漢曾指出：“制造固態(tài)電池最困難的部分是需要同時滿足高能量密度、快速充電、長循環(huán)壽命和寬溫度范圍工作的要求。”如今，能夠滿足這些要求的固態(tài)電池離“上車”究竟還有多遠呢?

“半固態(tài)”是過渡技術(shù)?

10月15日，蔚來汽車宣布合肥智能工廠生產(chǎn)線完成階段性升級，將于年內(nèi)在此量產(chǎn)蔚來ET7，而這款車也是蔚來首款應(yīng)用“固態(tài)電池”的車型，其公布的頂配版ET7為150千瓦時(KWh)的“固態(tài)電池”，續(xù)駛里程達到1000公里。但公開信息顯示，該“固態(tài)電池”不是100%固態(tài)，是90%固態(tài)+10%液體電解質(zhì)的“半固態(tài)電池”。

“固態(tài)電池，簡而言之就是采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。而‘半固態(tài)電池’是一種過渡技術(shù)，在目前階段也是比較領(lǐng)先的技術(shù)之一。”浙江新能源技術(shù)應(yīng)用研究院研究員陸安程在接受《中國汽車報》記者采訪時表示，至今仍然在廣泛應(yīng)用的鋰離子電池，使用液體電解質(zhì)來移動能量。其充電速度相對較慢，快充則容易引起電池溫度升高和壽命縮短并具有一定危險性，而在攝氏零度以下時電解液有可能會凍結(jié)，并且電池在發(fā)生碰撞時也會有一定危險。

“客觀而言，固態(tài)電池具有諸多優(yōu)點，但也有缺點。”江蘇新能源汽車行業(yè)發(fā)展研究院研究員厲建平向《中國汽車報》記者介紹，固態(tài)電池的優(yōu)點在于以下四點。一是更安全，液態(tài)電解質(zhì)在充電過程中可能出現(xiàn)鋰枝晶生長并刺破隔膜引起電池短路的問題，而固態(tài)電解質(zhì)不存在電解液漏液問題，不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會因漏氣而發(fā)生燃燒。二是能量密度高，目前液體電解質(zhì)電池能量密度最高可至300Wh/kg，全固態(tài)電解質(zhì)電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大為減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。三是循環(huán)性能強，理想狀態(tài)下固態(tài)電池循環(huán)性能可以達到45000次左右。四是適用范圍擴大，固態(tài)電解質(zhì)賦予固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)模可調(diào)、設(shè)計彈性大等特點，目前基本保證可以在攝氏零下25度至零上60度之間安全穩(wěn)定使用。“當(dāng)然，固態(tài)電池目前的缺點是界面阻抗過大，成本相對較高，這些都有望隨著技術(shù)進步得以解決。”他表示，受當(dāng)前技術(shù)水平的限制，距離全固態(tài)電池量產(chǎn)還需要幾年時間。

“此外，固態(tài)電池可以做到既達到能量密度高，又具備重量很輕、很薄、體積小、柔性化的特點。”華東新材料技術(shù)研究院研究員林澍文向《中國汽車報》記者談到，理論上，固態(tài)電池正負極之間的距離可以縮短到只有幾微米，由此，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后也是可以彎曲并有柔性，可以用在更多的電子產(chǎn)品上。他表示，從材料角度看，如果把2010年日產(chǎn)聆風(fēng)應(yīng)用的錳酸鋰電池看作是第一代動力電池，目前的三元鋰電池和磷酸鐵鋰等電池可以算作是第二代動力電池，續(xù)駛里程比第一代的200公里增加了一倍多。未來最優(yōu)選的下一代動力電池，更多人認為是全固態(tài)電池。

還有哪些待解難題?

時至今日，固態(tài)電池是動力電池未來發(fā)展方向之一似乎已經(jīng)沒有太大的爭議，但是，真正的全固態(tài)電池一直沒有走向市場，是因為還有很多技術(shù)難題尚未破解。

“其實，諾獎得主斯坦利·威廷漢所說的固態(tài)電池要滿足高能量密度、快速充電、長循環(huán)壽命和寬溫度范圍工作要求，都是目前需要破解和有待繼續(xù)開發(fā)的技術(shù)難題。”陸安程表示，任何一項新興技術(shù)從誕生到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都需要有個過程，固態(tài)電池也不例外。其中，一方面，限制固態(tài)電池落地的核心技術(shù)難點在于電解質(zhì)，目前有四種技術(shù)路線，即聚合物、薄膜、硫化物和氧化物。在日韓企業(yè)，多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，而中國企業(yè)多以氧化物路線為主，歐美企業(yè)選擇則呈多樣化，如寶馬與福特投資的美國電池公司Solid Power主要研發(fā)基于硫化物的全固體電池，而另一家美國電池公司Quantum Scape研發(fā)的固態(tài)電池走的是氧化物路線。

“幾種材料的固態(tài)電池技術(shù)各有限制。”林澍文表示，對于薄膜固態(tài)電池和氧化物固態(tài)電池，難以研制大容量動力或儲能電池;聚合物固態(tài)電池則受限于現(xiàn)有聚氧化乙烯材料體系，無法在常溫下工作且難以兼容高電壓正極;硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)不成熟等技術(shù)難題。

“全固態(tài)電池的難題還包括固態(tài)電解質(zhì)材料的鋰離子電導(dǎo)率偏低等有待解決的問題。”厲建平認為，并且，現(xiàn)階段全固態(tài)電池制備工藝復(fù)雜，且固體電解質(zhì)價格較貴，一系列因素導(dǎo)致現(xiàn)階段全固態(tài)動力電池的成本仍然偏高。

距離“上車”還有多遠?

在國外，固態(tài)電池研發(fā)企業(yè)一直受到資本及車企的追捧。

成立于2012年的Quantum Scape，已經(jīng)得到了大眾、大陸、上汽等眾多車企的投資。而寶馬和福特看好的Solid Power，已經(jīng)計劃2022年試制大容量的固態(tài)電池產(chǎn)品，并計劃2024年開始量產(chǎn)。近日，寶馬汽車電池技術(shù)主管Peter Lamp稱，已經(jīng)獲得融資后的Solid Power有望在未來十年內(nèi)量產(chǎn)電動汽車所需的固態(tài)電池。而豐田汽車在固態(tài)電池研發(fā)上也很有實力，近日，豐田汽車推出的固態(tài)電池原型車已經(jīng)開始測試，并計劃2025年左右開始量產(chǎn)。

在國內(nèi)，也有多家電池企業(yè)發(fā)力固態(tài)電池。目前，已經(jīng)得到一汽、蔚來、愛馳等車企看好的國內(nèi)固態(tài)電池企業(yè)輝能科技，已公布了固態(tài)電池發(fā)展的時間節(jié)點，預(yù)計將在2023年進行試產(chǎn)，2024年量產(chǎn)。此外，據(jù)稱輝能科技的原型固態(tài)電池樣品已經(jīng)制成，質(zhì)量能量密度達到383Wh/kg，體積能量密度為1025Wh/L，循環(huán)測試可以做到500次。

涉及固態(tài)電池研發(fā)的國內(nèi)上市企業(yè)中，大眾汽車支持的國軒高科正在推進固態(tài)電池及其固態(tài)電解質(zhì)的研究;寧德時代則主攻硫化物固態(tài)電池技術(shù);珈偉新能計劃生產(chǎn)的類固態(tài)電池的工藝體系將用于新能源車動力電池上;萬向錢潮、贛鋒鋰業(yè)、天齊鋰業(yè)、中天科技等企業(yè)都在研究固態(tài)電池;而南都電源還與輝能科技合作，將建一條1GWh規(guī)模的固態(tài)電池生產(chǎn)線;德爾股份則正與豐田合作，研發(fā)具有行業(yè)前列技術(shù)水平的全固態(tài)電池。

其實，我國的相關(guān)政策也支持發(fā)展固態(tài)電池。2020年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》中，明確要求“加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”。據(jù)預(yù)測，2020-2030年我國固態(tài)電池出貨量高速增長，至2030年或?qū)⑼黄?50GWh。到2030年，我國固態(tài)電池市場空間或?qū)⑦_到200億元，較2020年實現(xiàn)百倍增長。

目前，從美歐日韓到中國，多家電池企業(yè)、車企都在固態(tài)電池上進行了大量的投入，甚至將固態(tài)電池作為企業(yè)自身開發(fā)戰(zhàn)略的核心。此外，全球資本對各種固態(tài)電池公司的投資反映了固態(tài)電池的巨大潛力，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2030年，固態(tài)電池的市場將超過60億美元(約合人民幣383億元)。

“在代表新能源汽車動力電池技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展方向的固態(tài)電池方面，率先搶占技術(shù)制高點是關(guān)鍵。”厲建平認為。