固態(tài)電池來了？會對新能源汽車行業(yè)帶來哪些變化？

近日，蔚來汽車CEO李斌在“2020NIODay”上推出了旗艦級轎車ET7，而且宣布在2022年Q4裝備150kWh的固態(tài)電池。這也讓固態(tài)電池概念再次成為關(guān)注的焦點。

固態(tài)電池被認為是電動汽車鋰電技術(shù)的制高點，是未來擁有廣闊發(fā)展前景的動力電池。如果固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)并具有經(jīng)濟性，那么不僅是電動汽車行業(yè)，整個汽車行業(yè)都將迎來顛覆。

固態(tài)電池的優(yōu)勢：

1、能量密度高，主流的三元鋰電池技術(shù)的能量密度上限為300Wh/kg，目前的電動車搭載的動力電池能量密度基本只有170-180Wh/kg。而固態(tài)電池的能量密度的理論上限能達到700Wh/kg，而做到300Wh/kg是很容易的事情。固態(tài)電池的能量密度基本高出液態(tài)三元鋰電池一倍。

2、質(zhì)量輕、體積小。使用固態(tài)電解質(zhì)后，固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)與液態(tài)鋰電池已經(jīng)不同，可以直接用金屬鋰做負極，而不是像三元鋰電池一樣用嵌鋰的石墨做負極。這這樣可以明顯減輕電池的重量，也間接提升了電池的能量密度；在三元鋰電池中，需要使用電解液和隔膜，二者能占電池體積的40%。而如果用固態(tài)電解質(zhì)替代電解液，電池正負極之間的距離能夠大幅縮小，這樣可以大大減小電池的體積和質(zhì)量。

3、更安全。固態(tài)電池使用脆性的陶瓷材料，厚度下降到微米級后可以彎曲，材料會變得有柔性。同時全固態(tài)動力電池在輕、薄化后安全性也會有明顯的提高，能夠避免三元鋰電池在大電流工作時析出的鋰枝晶刺破薄膜而導(dǎo)致的自燃和爆炸。

目前固態(tài)電池的技術(shù)路線：

1、固態(tài)聚合物

隨著液態(tài)聚合物的發(fā)展，固態(tài)聚合物電池的技術(shù)也不斷進步，固體聚合物電解質(zhì)（SPE）由聚合物骨架和鋰鹽組成，聚合物的單體中含有O、N等原子，能和陽離子形成高分子鹽。現(xiàn)在被廣泛研究的固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）有含鋰離子的陶瓷、玻璃等無機材料。固體電解質(zhì)不需要隔膜，所以需要有一定的機械穩(wěn)定性。

最近幾年在材料分析、聚合物骨架設(shè)計調(diào)控、新型鹽、單體和粘結(jié)劑的研究方面都有了進展。目前先進的合成和加工方法、開發(fā)界面和相間層的調(diào)控技術(shù)十分關(guān)鍵，實現(xiàn)SEI和CEI層的控制對于更持久、成本低、可持續(xù)、工業(yè)化的電池生產(chǎn)過程至關(guān)重要。

2、氧化物薄膜

薄膜電池厚度可達微米等級，曾被視為醫(yī)療及穿戴市場的最佳解決方案，但其類似半導(dǎo)體濺鍍式生產(chǎn)工藝，設(shè)備費用高昂，對環(huán)境要求極高，因此量產(chǎn)不易且成本十分高昂。氧化物薄膜電池的量產(chǎn)商用化路程尚待觀察。

3、硫化物

硫化物體系的特點是具有較高的電導(dǎo)率，部分電解質(zhì)可達到接近液態(tài)電解液的量級。但缺點在于穩(wěn)定性不好。由于硫化物電解質(zhì)對正極的適配性差，而且對水和空氣高敏感，反應(yīng)有可能產(chǎn)生有毒物質(zhì)，另外氧化和還原的穩(wěn)定性也偏低，導(dǎo)致硫化物體系制作工藝復(fù)雜、投放資源極高。

4、氧化物

氧化物包含NASICON、LISICON、Garnet等幾類無機氧化物，該體系整體的特點為較高的電化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度、高窗口電壓，可在一般大氣環(huán)境下以相對低廉的工藝設(shè)備及廠務(wù)設(shè)施生產(chǎn)。整體的缺點在于界面問題突出，電導(dǎo)率相對較低，大部分體系柔性有限顯著提升了電池制造的難度。

電池企業(yè)紛紛布局固態(tài)電池

近兩年，隨著電動車行業(yè)的發(fā)展，固態(tài)電池量產(chǎn)的呼聲越來越高。國內(nèi)企業(yè)也紛紛開始投資建設(shè)固態(tài)電池生產(chǎn)線。目前市場上有固態(tài)電池技術(shù)儲備的有清陶能源、寧德時代、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技等公司。其中布局固態(tài)電池發(fā)展規(guī)劃如下：

輝能科技：

輝能科技成立于2006年，在2013年實現(xiàn)了固態(tài)鋰電池的商業(yè)化量產(chǎn)，早期應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域，近年來重點布局電動汽車領(lǐng)域。

輝能科技同時提供固態(tài)鐵鋰和固態(tài)三元兩種產(chǎn)品方案。針對高續(xù)航的高端車型，提供兼顧安全性和能量密度的固態(tài)三元方案，針對不追求續(xù)航的平價車型，則提供固態(tài)鐵鋰＋風(fēng)冷的方案，可以實現(xiàn)更簡化的設(shè)計和更低的成本，其固態(tài)鐵鋰系統(tǒng)成本可低至85美元/kWh。

在產(chǎn)能規(guī)劃及布局上，在臺灣輝能科技已經(jīng)于2017年建成了40MWh的中試線，并實現(xiàn)自動化的卷式生產(chǎn)。2019年，輝能科技與蔚來合作，為蔚來生產(chǎn)“MAB”固態(tài)電池包。2020年預(yù)計完成1GWh固態(tài)電池產(chǎn)線的試車，2021年開始量產(chǎn)，2023年全固態(tài)電池試產(chǎn)。

輝能結(jié)合車企和零部件企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上的價值分工、與地方政府的政策和資金支持、再搭配輝能的電池技術(shù)，可以籌劃建立固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)集群。預(yù)計到2025年將建成35GWh固態(tài)電池產(chǎn)能。此外，還將進一步規(guī)劃全球產(chǎn)能布局。

寧德時代：

2016年，寧德時代正式宣布在硫化物固態(tài)電池上的研發(fā)路徑。目前容量為325mAh的聚合物鋰金屬固態(tài)電池能量密度達300Wh/kg，可實現(xiàn)300周循環(huán)以容量保持率82%。全固態(tài)電池還在開發(fā)中，預(yù)計2030年后實現(xiàn)商品化。

寧德時代表示目前全固態(tài)電池還在開發(fā)中，也制作了樣品，但要實現(xiàn)商品化，恐怕要到2030年以后。

國軒高科：

2017年，國軒高科開始著手研發(fā)固態(tài)電池及固態(tài)電解質(zhì)。2018年3月，宣布半固態(tài)電池技術(shù)目前已處于實驗室向中試轉(zhuǎn)換階段。2019年，推出半固態(tài)電池的試生產(chǎn)線。預(yù)計2022年開始進行固態(tài)電池技術(shù)的迭代升級，生產(chǎn)高安全固態(tài)電池；2025年后生產(chǎn)出能量密度超過400Wh/kg、循環(huán)800次的全固態(tài)電池。

清陶新能源：

清陶新能源是國內(nèi)較早開展全固態(tài)鋰電池技術(shù)研發(fā)的團隊之一，由清華大學(xué)南策文院士團隊創(chuàng)辦，在固態(tài)鋰電池領(lǐng)域申報的專利已近100項。目前，清陶能源開發(fā)的全固態(tài)電池，單體能量密度可達到430Wh/kg，量產(chǎn)階段可達到300Wh/g以上。

2018年11月，清陶新能源建成的全國首條固態(tài)鋰電池產(chǎn)線正式投產(chǎn)，產(chǎn)能規(guī)模為0.1GWh，總投資1億元，已經(jīng)量產(chǎn)出第一批固態(tài)電池產(chǎn)品，目前可日產(chǎn)1萬顆電芯，產(chǎn)品主要應(yīng)用于特種電源、高端數(shù)碼等領(lǐng)域。

2019年7月，清陶新能源年產(chǎn)10GWh固態(tài)鋰電池項目在江西省宜春市簽約。該項目將分兩期建設(shè)，總投資約55億元。其中項目一期投資5.5億元，將建設(shè)年產(chǎn)1GWh的固態(tài)鋰電池項目，計劃今年年底投產(chǎn)；項目二期投資49.5億元。

贛鋒鋰業(yè)：

2017年，贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所的許曉雄團隊合作，正式開始固態(tài)電池板塊研究。2018年，固態(tài)電池的研發(fā)取得新突破，同年8月份正式啟動2億Wh固態(tài)鋰電池中試生產(chǎn)線建設(shè)項目。

2018年6月，贛鋒鋰業(yè)第一代固態(tài)鋰電池單體容量已達到10Ah，能量密度大于240Wh/kg，可實現(xiàn)1000次循環(huán)后容量保持率大于90%，同時，電池單體具備5C倍率的充放電能力，目前電池研制品已通過第三方機構(gòu)安全檢測。

2019年1月，完成1.5億美元D輪融資，主要投資方為軟銀中國資本。2019年8月，發(fā)布2019年半年度報告，第一代固態(tài)鋰電池研制品通過多項第三方安全測試和多家客戶送樣測試。2019年11月，年產(chǎn)億瓦時級第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線已建成試產(chǎn)，不久將正式投產(chǎn)。

衛(wèi)藍新能源：

衛(wèi)藍新能源成立于2016年，目前完成了300Wh/kg以上高鎳三元正極的混合固態(tài)電池設(shè)計開發(fā)，已經(jīng)給多家國際國內(nèi)整車廠送樣測試，評價結(jié)果良好，成功通過針刺、擠壓、過充、短路等濫用試驗，循環(huán)壽命達到1200次以上。

目前衛(wèi)藍新能源在固態(tài)電池復(fù)合正極、固態(tài)電解質(zhì)、隔膜和負極等核心材料和技術(shù)方面都有深入研究并獲得了多項專利。2018年衛(wèi)藍獲得了國高新和村高新認證，也是科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)化的特等獎項目。

2017-2019年衛(wèi)藍新能源掌握原位固態(tài)化的工程工藝，初步完成核心技術(shù)體系，形成知識產(chǎn)權(quán)體系。2019年3月29日，衛(wèi)藍新能源固態(tài)電池一期項目落地，投資1.8億元，建成后預(yù)計形成年產(chǎn)1億瓦時固態(tài)電池的生產(chǎn)規(guī)模。

對鋰電行業(yè)的影響

蔚來本次發(fā)布的ET7所搭載固態(tài)電池其實是半固態(tài)電池，只是固液態(tài)過渡技術(shù)。半固態(tài)電池所采用的固液電解質(zhì)相較于液態(tài)電解質(zhì)提升了安全性能，但固態(tài)物質(zhì)的離子電導(dǎo)率低于液體，因此固液電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率可能會有所下降，帶來倍率性能的下降。

對于隔膜環(huán)節(jié)，半固態(tài)電解質(zhì)在有效阻隔正負極接觸方面仍有失效風(fēng)險，因此仍需要隔膜。對于負極材料環(huán)節(jié)而言，硅碳負極本就是負極材料企業(yè)的技術(shù)儲備之一；對于電解液環(huán)節(jié)而言，僅是物理形態(tài)的改變，原有溶質(zhì)和溶劑技術(shù)并未發(fā)生重大改變。即使半固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)，預(yù)計對現(xiàn)有鋰電產(chǎn)業(yè)不會形成太大沖擊。

而全固態(tài)電池在理論上仍有很多難題，一是常溫下固體電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率低，二是固體電解質(zhì)與電極材料之間的固相界面阻抗大。此外，新技術(shù)因為材料體系的更新、生產(chǎn)工藝不成熟度原因，成本降低還需要一段時間。因此，全固態(tài)電池在倍率性能、成本等方面競爭力不強，產(chǎn)業(yè)化仍需時日。