固態電池離商用化還有多遠？

劉文婷 高宏

自2018年5月起，日本經濟產業省出資16億日元，聯合豐田、本田等汽車廠商及電池、材料廠商，共同研發固態電池，將固態電池上升到國家戰略高度，欲搶占行業發展先機。近年來，固態電池在材料結構和性能上不斷取得突破，被認為是未來替代鋰離子動力電池的最終解決方案。為此，我國在提升技術相對成熟的鋰離子電池性能的同時，也應加快固態電池的技術研發、儲備及應用，建立電動汽車的多類型動力電池供應體系。

研發取得新進展

固態電池使用固體電極材料和固體電解質材料，是不含有任何液體的鋰電池。主要包括全固態鋰離子電池和全固態金屬鋰電池。與傳統鋰電池一樣，固態電池由正極、負極、電解質等各單元構成，工作原理相同。兩者構成的差異主要在于電解質固態化。

固態電池是動力電源傳統鋰電池的潛在競爭者。固態電池突破傳統鋰電池的技術短板，有望解決目前困擾動力電池行業的兩大“挑戰”——安全隱患和能量密度低，成為電動汽車傳統鋰電池的有力競爭者。固態電池優勢明顯：一是安全性高。由于固態電池的電解質固態化，不含易燃易爆、易揮發等成分，可徹底消除傳統電池因漏液引發的電池冒煙、起火等，以及在充放電過程中生成鋰枝晶造成的安全隱患，被稱為最安全電池體系。二是能量密度高。目前，市場上應用的磷酸鐵鋰電池單體能量密度約為120-140Wh/kg，三元電池單體能量密度約為130-220Wh/kg。受制于現有體系架構和關鍵正極材料影響，這兩種電池均難以滿足我國《節能與新能源汽車技術路線圖》中提出的到2025年、2030年鋰電池能量密度分別達到400Wh/kg、500Wh/kg的需求。而固態電解質電化學窗口寬，可以兼容金屬鋰負極和新研發的高電勢正極材料，適配性強，能極大地提升能量密度空間。目前，固態電池可提供的能量密度約為300-400Wh/kg，且具有循環性強、適用范圍廣、柔性強、回收方便等優勢。

發達國家研發應用不斷取得新突破。日本豐田、美國Sakti3、法國Bolloré為全球固態電池研發三巨頭，分別代表了硫化物、氧化物和聚合物三大固態電解質的技術開發方向。日本是固態電池研發最早且技術最為成熟的國家，以豐田公司為代表。豐田已推出能量密度為400Wh/L的全固態鋰離子電池，計劃于2020年全面實現全固態電池商業化，并將全固態電池應用于RAV4車型，將行駛里程提高至500公里。豐田以擁有30項固態電池的專利數量居全球首位。在美國，Sakti3公司已研發出能量密度達到1000Wh/kg的固態電池，若實現商業化量產后，成本只有當前鋰電池的20%。在法國，Bolloré公司研發的固態電池已經批量應用于共享電動汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus”，總體應用超過3000輛，這是全球首次用于電動汽車的商業化全固態電池。在我國，中科院青島能源所已自主研發6Ah大容量三元固態鋰電池，并用于深潛器進行馬里亞納海溝探測；中科院化學研究所成功開發出新型雙功能聚合物電解質，可用于室溫固態金屬鋰電池。

產業化尚需時日

固態電解質技術瓶頸制約固態電池的發展。固態電解質材料很大程度上決定了固態電池的各項性能參數，如安全性能、功率密度、循環穩定性、高低溫性能以及使用壽命等。固態電解質的發展主要遵循兩條路線，一是聚合物路線；二是無機物路線，無機物又可分為氧化物和硫化物。但現階段兩種技術路線均存短板。具體是：聚合物固體電解質雖高溫工作性能較好，但室溫電導率較低、電壓較低，限制了其大規模商業化應用；氧化物化學穩定性好，但室溫離子電導率較低。硫化物具有較高的室溫離子電導率，但是其環境穩定性差。這兩種作為無機物固態電池最大的問題是能量密度相對較低，與現有電池相比尚無經濟性優勢。

固態電池產業化應用尚需時日。目前，固態電解質電導率總體偏低，導致固態電池倍率性能較低、充電速度慢，成本較高，阻礙了其產業化應用。一是充電速度慢。由于固態電池的電解質材料均為固體，導電過程中是點接觸，因此電極與電解質之間有效接觸較弱，界面阻抗過大，造成電池內阻急劇增大、充電過程中能量損失較快，從而充電時間長。二是規模化制備工藝有待提高。固態電池生產工藝尚未成熟。三是生產成本高。目前，液態鋰電池生產成本在200-300美元/千瓦時，而固態電池尚未實現產業化，成本非常高。按照美國Sakti3公司預測，其最終會把以氧化物技術研發的固態電池成本降低至100美元/千瓦時，但Sakti3并沒有公布具體時間計劃。

核心技術亟需突破

緊跟技術發展新動向，著力突破關鍵材料和工藝技術。發展固態電池是搶占全球車用動力電池技術制高點的重要舉措，我國應抓住電動汽車快速發展的有利時機，鼓勵在固態電池領域具有基礎優勢的科研機構，緊跟國際技術發展新趨勢，進一步加強固態電池在工作過程中的固-固界面結構特征、離子傳輸、空間電荷層等機理研究；重點突破高離子電導率的聚合物、氧化物、硫化物等關鍵電解質材料，以及電極與固體電解質膜的大面積、高速度制造等電芯技術，從而降低界面電阻，提高電池高倍率容量。

加大政府財稅支持及科研投入力度。加強產業投資專項基金、創新創業投資基金等對固態電池的支持。發揮風險基金等作用，鼓勵社會資本投向固態電池創新型企業和基礎研究、關鍵技術攻關、產業化培育等項目。

開展國際合作，加快引進固態電池先進技術。鼓勵企業依托我國巨大的市場需求優勢，與美國Sakti3和Seeo、日本豐田等擁有先進固態電池技術的企業開展合作，利用技術外溢效應，帶動我國固態電池自主創新發展。