固態(tài)電池進(jìn)入量產(chǎn)階段，能否全面取代液態(tài)電池？

近日，東風(fēng)公司生產(chǎn)的固態(tài)電池汽車全球首發(fā)，固態(tài)電池正式進(jìn)入量產(chǎn)階段。

新能源車取代燃油車，離不開動(dòng)力電池的革新。而在電池技術(shù)研發(fā)過程中，固態(tài)電池尤其受到青睞，固態(tài)電池的量產(chǎn)也一直備受期待。

工業(yè)和信息化部近日發(fā)布《免征車輛購(gòu)置稅的新能源汽車車型目錄》(第五十一批)，由東風(fēng)公司技術(shù)中心自主開發(fā)的東風(fēng)風(fēng)神E70固態(tài)電池車名列其中，獲得免稅許可。這是國(guó)內(nèi)首款獲得免稅許可的固態(tài)電池乘用車，標(biāo)志著東風(fēng)公司率先開始固態(tài)電池車量產(chǎn)。

2022年1月22日，由東風(fēng)公司與贛鋒鋰業(yè)合作開發(fā)的東風(fēng)-贛鋒高比能固態(tài)電池E70示范運(yùn)營(yíng)車在江西省新余市全球首發(fā)，東風(fēng)風(fēng)神E70在國(guó)內(nèi)率先打響固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化“第一槍”。據(jù)了解，首批投放的50輛東風(fēng)風(fēng)神E70固態(tài)電池車已完成交付，投放于江西、廣東、浙江、江蘇等四個(gè)省份。

東風(fēng)風(fēng)神E70固態(tài)電池車的四大性能優(yōu)勢(shì)：

(1)安全性方面：東風(fēng)固態(tài)電池車采用高比能固態(tài)電池，通過穿刺、50%擠壓大變形等嚴(yán)苛測(cè)試，60℃下可正常放電、熱箱180℃無異常，大幅提升安全性;

(2)可靠性方面：固態(tài)電池系統(tǒng)在防水、防爆、抗震、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面也經(jīng)受住嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先于行業(yè)水平;

(3)穩(wěn)定性方面：在BMS(電池管理系統(tǒng))算法上實(shí)現(xiàn)“量身定制”，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠;

(4)動(dòng)力性方面：整車?yán)m(xù)航可達(dá)426公里，整車試驗(yàn)累積行駛里程已達(dá)到15萬公里，動(dòng)力性能表現(xiàn)優(yōu)異。

1 什么是固態(tài)電池?

固態(tài)電池就是采用固態(tài)電解質(zhì)的電池，1980年鋰電池之父美國(guó)科學(xué)家約翰•古迪納夫就提出了固態(tài)電池的概念，被認(rèn)為是電池的終極形態(tài)。目前，在固態(tài)電解質(zhì)材料方向上，主要有三種技術(shù)路徑：氧化物、聚合物、硫化物。

固態(tài)電池和液態(tài)電池的正負(fù)極材料大都相同，正極材料為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰，負(fù)極材料基本使用的是石墨。從工作原理上來講，固態(tài)電池與液態(tài)電池也并無區(qū)別。但從結(jié)構(gòu)上看，固態(tài)電解體既充當(dāng)電解液，又充當(dāng)隔膜，因此電池安全性更佳，能量密度更高，不存在陰陽(yáng)極接觸的風(fēng)險(xiǎn)。正因如此，固態(tài)電池的工作電壓范圍也更大，可實(shí)現(xiàn)更為快速的充電。

相較于液態(tài)電池，固態(tài)電池的發(fā)熱量很低，不需要特殊的冷卻系統(tǒng)。一般來說，固態(tài)電池的存儲(chǔ)能量密度，是液態(tài)鋰離子電池的2～10倍。

固態(tài)電池發(fā)展路徑

來源：中科院物理所、電動(dòng)汽車觀察家、興業(yè)證券經(jīng)濟(jì)與金融研究院整理

2 固態(tài)電池VS鋰電池

固態(tài)電池和三元鋰電池最大的區(qū)別在于取消了電解液，使用固體電極和固體電解質(zhì)，這樣能大幅提升鋰電池的能量密度，同時(shí)縮短充電時(shí)間。同樣的電量，固態(tài)電池的體積將變得更小。取消電解液和隔膜能夠徹底杜絕漏液引發(fā)的各種安全問題，從而有效降低自燃概率。

與傳統(tǒng)鋰離子電池相比較，固態(tài)電池的安全性更高，無自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn);能量密度高于采用相同正負(fù)極材料的傳統(tǒng)鋰離子電池。此外，在電解質(zhì)構(gòu)成、成本等方面，固態(tài)電池均比鋰電池占有優(yōu)勢(shì)。

表：固態(tài)電池VS鋰電池差異性對(duì)比

制表：中國(guó)能源網(wǎng)

固態(tài)電池具備哪些優(yōu)點(diǎn)?

相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)電池的容量更大、更安全、充電速度快，沒有腐蝕性問題，使用壽命也更長(zhǎng)。由于沒有電解液，固態(tài)電池不存在液態(tài)電解質(zhì)難分離的情況，因此回收起來更加方便。優(yōu)勢(shì)顯而易見。

此外，固態(tài)電池?fù)碛懈鼮榉€(wěn)定的電解質(zhì)機(jī)械和化學(xué)特性，靜態(tài)及循環(huán)壽命將得到極大提升;固態(tài)電池具有熱穩(wěn)定性，也不會(huì)在低溫凍結(jié)，對(duì)溫度不敏感，能在-50℃~200℃溫度保持放電功率，可以較大程度緩解冬季電池容量衰減問題，確保電動(dòng)車的續(xù)航力。同時(shí)因其完全不可燃的特性，BMS溫控組件將不復(fù)存在，因而能夠?qū)崿F(xiàn)多措并舉提升續(xù)航里程;能量密度得以極大提升，預(yù)計(jì)可以達(dá)到當(dāng)前三元鋰電池的2～10倍，突破液態(tài)電池極限。

簡(jiǎn)單概括，固態(tài)電池主要具有以下四大優(yōu)點(diǎn)：

▌能量密度高;

▌充電速度快;

▌壽命較長(zhǎng);

▌熱穩(wěn)定性佳。

固態(tài)電池的待解問題：

當(dāng)然，固態(tài)電池仍然不可避免地存在一些需要解決的問題：

(1)高阻抗：固態(tài)電解質(zhì)電池內(nèi)部的離子活性變差(即導(dǎo)電能力變差)。固體和固體間的接觸性差，導(dǎo)致離子內(nèi)部傳輸效率堪憂。當(dāng)電極表面暴露在空氣中時(shí)，電阻會(huì)增加，從而降低電池容量和性能。

(2)成本高昂，不易量產(chǎn)：固態(tài)電池在技術(shù)、工藝、材料、成本等方面還存在有待突破的難題，阻礙其大規(guī)模量產(chǎn);由于固態(tài)電池產(chǎn)量少，鋰金屬附件價(jià)格偏高，導(dǎo)致當(dāng)前制造成本較高。

(3)循環(huán)不好：要保證車主們頻繁的充放電使用場(chǎng)景，就要保證足夠的充放電次數(shù)。

(4)高速高效率全固態(tài)電池的制造工藝和裝備尚不成熟。

3 固態(tài)電池的關(guān)鍵技術(shù)

2018年，東風(fēng)公司技術(shù)中心前瞻研究中心正式成立東風(fēng)固態(tài)電池項(xiàng)目組，開展固態(tài)電池、固態(tài)電池系統(tǒng)技術(shù)研究。東風(fēng)風(fēng)神E70固態(tài)電池車由該中心牽頭研發(fā)。

東風(fēng)公司不斷實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池技術(shù)研究的突破，相繼實(shí)現(xiàn)了固態(tài)電池、固態(tài)電池系統(tǒng)、固態(tài)電池整車開發(fā)，并按計(jì)劃啟動(dòng)固態(tài)電池車示范運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目。

東風(fēng)E70這款電池采用全球領(lǐng)先的固態(tài)柔性隔膜技術(shù)，經(jīng)受住了單體穿刺、50%擠壓大變形等嚴(yán)苛測(cè)試，同時(shí)放電溫度高達(dá)60℃，熱箱180℃無異常，電芯本征安全優(yōu)勢(shì)突出。該車所搭載的固態(tài)電池模組采用了鋁合金框架、高精度拼縫激光焊接技術(shù)，減少冗余結(jié)構(gòu)，成組效率高達(dá)86%以上。

其實(shí)，贛鋒鋰業(yè)為東風(fēng)E70純電動(dòng)汽車所提供的固態(tài)電池并非嚴(yán)格意義上的固態(tài)電池，而是一種半固態(tài)電池，采用的隔膜為固態(tài)柔性隔膜。在贛鋒鋰業(yè)的官方資料中明確指出：目前該公司的電池均采用“固液混合電解質(zhì)”，而真正的固態(tài)電池，尚在與東風(fēng)集團(tuán)合作研發(fā)中。不過，贛鋒鋰業(yè)量產(chǎn)的固態(tài)柔性隔膜電池，相比純液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池，已然具有更輕薄、能量密度更高，也更加安全的優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)副理事長(zhǎng)歐陽(yáng)明高也曾直言，中國(guó)的固態(tài)電池技術(shù)與日本最少相差五年，到2030 年中國(guó)固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用規(guī)模才能達(dá)到 1% 左右。

由于半固態(tài)電池在安全和密度方面均有所改進(jìn)，且擁有固態(tài)電池的部分優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)難度比全固態(tài)電池低，研發(fā)速度更快，部分企業(yè)選擇將這一過渡技術(shù)率先進(jìn)行量產(chǎn)。以贛鋒鋰業(yè)的第一代固態(tài)電池為例，其能量密度在與三元鋰電池相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，安全性也相對(duì)更高。

4 固態(tài)電池前景展望

2019年12月，我國(guó)發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》(征求意見稿)，首次將固態(tài)電池上升到國(guó)家層面。文件提出了加強(qiáng)固態(tài)電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的要求，到2030年，我國(guó)液態(tài)電解質(zhì)將演變?yōu)楣虘B(tài)電解質(zhì)的目標(biāo)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，全球固態(tài)電池需求有望達(dá)到500GWh，按照專家保守估計(jì)，將形成3000億元以上的市場(chǎng)規(guī)模。

追求高能量密度、長(zhǎng)壽命、低成本、高安全性是電池行業(yè)永遠(yuǎn)的課題。未來的電池技術(shù)也必將經(jīng)過多路徑共同發(fā)展階段。由于在安全性及能量密度等方面極具優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池成為新能源汽車的研究重點(diǎn)，因而深受資本青睞，引來各大電池廠商、車企紛紛試水。又因其具有安全輕量、成本合理、支持快充等優(yōu)勢(shì)，成為下一代動(dòng)力電池的最佳選擇，更有望成為燃油車的終結(jié)者。

固態(tài)電池的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正逐漸由減少液體的使用，向無液體的全固態(tài)電池邁進(jìn)。當(dāng)然，成本和研發(fā)雙重壁壘還有待突破。要想在技術(shù)上完全走向成熟，固態(tài)電池還需要經(jīng)過一段漫長(zhǎng)的發(fā)展階段，但固態(tài)電池大規(guī)模量產(chǎn)是引領(lǐng)新能源汽車技術(shù)潮流的第一步。

來源：中國(guó)能源網(wǎng)

文：李穎