固態(tài)電池到底適不適合車用，想必很多人都不會有所懷疑，在媒體近幾年對全固態(tài)電池高能量密度、高安全鋪天蓋地的報道下，固態(tài)電池儼然已經(jīng)成為車用動力的終極選擇。
然而，研究越深，越發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)應(yīng)用并沒有那么容易。很多專業(yè)人士預(yù)判，全固態(tài)電池可能要10年后才具備完全商業(yè)化條件，甚至更遠。近日，浙江鋒鋰新能源科技有限公司(下稱“鋒鋰新能源”)總經(jīng)理許曉雄更是直言：個人認為，混合固液(半固態(tài)電池)可能是車用動力電池的終極路線。
許曉雄解釋稱，對于電動汽車來說，全固態(tài)不一定能用得上，這里面還有很多問題，比如低溫性能、成本、規(guī)模化量產(chǎn)的裝備突破等，目前來看這些點要突破還是挺艱難的，這也是為什么豐田汽車一而再再而三地推遲全固態(tài)電池車示范應(yīng)用的原因。
據(jù)悉，豐田汽車計劃在今年的奧運會期間，推出固態(tài)電池示范車，由于還未公布，所以還不確定其固態(tài)電池車配套用的電池到底是全固態(tài)，還是半固態(tài)電池。
值得注意的是，鋒鋰新能源是國內(nèi)最早涉足固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)之一，是贛鋒鋰業(yè)旗下專門研究固態(tài)電池的企業(yè)。許曉雄本人在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究已經(jīng)接近二十年，在博士期間就開始研究鋰離子導(dǎo)體固態(tài)電解質(zhì)，在日本留學(xué)期間研究方向是硫化物固態(tài)電解質(zhì)與相關(guān)固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)，后來還在日本NIMS-豐田汽車聯(lián)合研發(fā)中心，以及中科院寧波材料所參與固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)工作。結(jié)合其在這一領(lǐng)域的多年研究，其觀點可以說具有一定的代表性。
事實上，固態(tài)電池自2020年以來特別的火。2020年11月借殼上市的美國固態(tài)電池企業(yè)Quantum Scape(簡稱QS)，上市后在很短時間內(nèi)就創(chuàng)造了市值超過1000億元人民幣的奇跡，而其銷售額卻是0。其股價最高時，市值一度超過3000億元人民幣，也被股民稱為電池領(lǐng)域的一支妖股。從這也足可見固態(tài)電池有多火。
當(dāng)然，QS市值高企的背后，除了其可能是最接近量產(chǎn)的固態(tài)電池創(chuàng)新企業(yè)外，還有大眾汽車、上汽集團、大陸集團和比爾·蓋茨等優(yōu)質(zhì)資本的支持，這些大資本為其背書，也可看到業(yè)界對于固態(tài)電池的渴求和重視。
除了QS，近兩年國內(nèi)固態(tài)電池也被頻頻熱炒，包括輝能科技、清陶能源等幾家企業(yè)都透露已經(jīng)具備固態(tài)電池生產(chǎn)能力，在能量密度、安全性上有一定優(yōu)勢。
01 真正的全固態(tài)電池還有漫長的路
在許曉雄看來，全固態(tài)鋰電池，應(yīng)該是一種使用固體電極及固體電解質(zhì)隔膜材料，不含有任何液體的鋰二次電池。分類上主要包括全固態(tài)鋰離子二次電池和全固態(tài)金屬鋰二次電池，兩者的差別在于前者負極不含金屬鋰，后者負極為含鋰材料。
許曉雄認為，目前市面上出現(xiàn)的凝膠電解質(zhì)鋰電池，電芯中液態(tài)電解質(zhì)以凝膠態(tài)存在，電芯中不含固體電解質(zhì)，應(yīng)該屬于液態(tài)鋰離子電池范疇，跟固態(tài)鋰電池?zé)o關(guān)。
事實上，固態(tài)電池核心技術(shù)難點在于電解質(zhì)。而根據(jù)電解質(zhì)的不同，目前科學(xué)界又將固態(tài)電池按電解質(zhì)分為三種類型：聚合物、硫化物和氧化物。基于不同技術(shù)體系的固態(tài)電解質(zhì)材料，各具優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。
其中，氧化物材料的柔韌性比較差，界面接觸較差，會導(dǎo)致界面阻抗增加;聚合物則存在著導(dǎo)電率過低的問題，比現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率低4-5個數(shù)量級;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)不成熟等問題。
盡管有高能量密度、高安全性的突出優(yōu)勢，但就目前業(yè)界的研究及研發(fā)進展來看，現(xiàn)階段固態(tài)電池在高低溫性能、循環(huán)壽命、倍率性能、材料成本、加工成本、量產(chǎn)能力等方面都或多或少存在著短時間無法突破的短板，且即便是能量密度可能也無法與現(xiàn)有液態(tài)電池相媲美。
所以，能生產(chǎn)出固態(tài)電池，性能是否達到人們的期望，是否具備在車用領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用，這些都是極為關(guān)鍵的標準。如果性能指標還不如現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池，工藝難度、制造成本不具備規(guī)模化優(yōu)勢，那么在產(chǎn)業(yè)界持續(xù)追求低成本、高安全性、高能量密度的背景下，即便量產(chǎn)，可能也只是噱頭。
2020年5月，寧德時代董事長曾毓群曾表示，“真正的固態(tài)電池是需要用金屬鋰作負極，這樣才能提高能量密度，目前車規(guī)級的固態(tài)電池在能量密度上還不如我們的(液態(tài))鋰離子電池”。此番評論也可看作是對近兩年固態(tài)電池?zé)岬囊环N回應(yīng)。
02 液態(tài)鋰電池提升空間仍然很足
目前，以三元和磷酸鐵鋰材料體系為主的液態(tài)鋰電池是新能源汽車領(lǐng)域當(dāng)之無愧的主流電池，而這種趨勢預(yù)計還會持續(xù)十年甚至更久。
現(xiàn)階段三元材料電池能量密度已經(jīng)做到250Wh/kg以上(指已量產(chǎn)可商用)，甚至已有觸及300Wh/kg高點的產(chǎn)品已進入實質(zhì)化的應(yīng)用測試階段。從最近兩年新上市的電動汽車來看，續(xù)航在500km以上漸成主流，電動汽車的續(xù)航焦慮目前已經(jīng)有較大緩解。
同時，CTP、刀片電池等電池包工藝的創(chuàng)新，也提升了整包電池的帶電量，這些都在緩解和消除消費者的里程焦慮。
另一方面，從改進材料體系上來看，三元正極的高鎳(以NCM811)及超高鎳(鎳9系)正在成為電池企業(yè)的研發(fā)重點，預(yù)計接下來一到兩年會步入快速量產(chǎn)期;負極層面，摻硅的硅碳負極材料也逐漸有電池、車企開始探索應(yīng)用。正極、負極材料的升級，正在將三元電池能量密度向350Wh/kg目標推進。
盡管目前這些技術(shù)仍未大規(guī)模應(yīng)用，但從寧德時代、LG新能源、松下電池、億緯鋰能、國軒高科、孚能科技等眾多頭部電池企業(yè)的布局和進展來看，預(yù)計在未來幾年內(nèi)會陸續(xù)落地，并成為主流產(chǎn)品路線之一。高鎳、硅碳負極材料的應(yīng)用將會把電池能量密度拉升一個臺階，可進一步緩解甚至消除消費者的續(xù)航里程焦慮。比如今年年初蔚來汽車、智己汽車、廣汽埃安都宣稱基于硅負極材料的新型液態(tài)或半固態(tài)電池的車型，續(xù)航均超過了1000km，里程焦慮基本已經(jīng)消除了。
03 混合固液的半固態(tài)電池，或?qū)⑹切纶厔?br />
從動力電池的技術(shù)和市場趨勢來看，高能量密度、高安全、低成本是目前衡量電池是否“優(yōu)良”的三個重要指標。全固態(tài)電池有很多優(yōu)點，但業(yè)內(nèi)人士指出，就目前技術(shù)水平來看，很多優(yōu)點還處于“想象”階段，要滿足上述三個指標的征途還比較漫長。
不過，如果從液態(tài)到固液混合態(tài)來看，似乎可行度更高。
“(混合態(tài))對現(xiàn)有的鋰離子電池產(chǎn)線沒有特別大的顛覆，混合固液也適合采用軟包疊片的路線，而且裝配上與現(xiàn)在的軟包液態(tài)有極大的兼容性，可能超過80%，剩下20%可以通過現(xiàn)有很多產(chǎn)線改造，不需要大的顛覆就能實現(xiàn)規(guī)模化、自動化和高效量產(chǎn)。”許曉雄認為，在未來幾年，這種混合固液的半固態(tài)電池將是主要趨勢之一。
圖片來源：鋒鋰新能源
事實上，今年年初，蔚來汽車發(fā)布的半固態(tài)電池包，就是這種固液混合的半固態(tài)電池：其電芯能量密度已達到360Wh/kg，單包帶電量預(yù)計達到150kWh;材料體系方面，正極選用的是超高鎳，負極為摻硅負極，而電解質(zhì)是固液電解質(zhì);封裝形式上采用的是軟包結(jié)構(gòu)。
從數(shù)據(jù)指標上可以看出，蔚來發(fā)布的這款半固態(tài)電池，能量密度已突破目前液態(tài)電池的“天花板”，同時也應(yīng)用了超高鎳、硅負極等液態(tài)電池即將迭代應(yīng)用的材料。
在生產(chǎn)制造工藝上，這種固液電解質(zhì)電池整個產(chǎn)線與目前現(xiàn)有的軟包工藝相比，調(diào)整幅度較小，兼容性非常高。綜上，從材料成本、制造成本以及生產(chǎn)工藝上都沒有較大變化，無論是可行性還是經(jīng)濟性，都具有較好的應(yīng)用發(fā)展趨勢。
目前包括蔚來汽車的電池供應(yīng)商，以及鋒鋰新能源都在這一領(lǐng)域進行布局，相信還有不少電池企業(yè)也已經(jīng)在固態(tài)電池的道路上選擇了這樣一條可行性和經(jīng)濟性高的技術(shù)路線，同時因其能量密度高，安全可靠，預(yù)計接下來數(shù)年或?qū)⒊蔀橹髁骷夹g(shù)路線之一。
