【資料圖】

技術從誕生到應用的發(fā)展過程是極其漫長的。

1817年，瑞典化學家貝齊里烏斯的學生阿爾費特遜發(fā)現了鋰，而在它出現的一百多年中，鋰主要作為一種抗痛風藥的成分。1970年，日本Sanyo公司利用MnO2作為正極材料，造出了人類第一塊商品鋰電池。

從1839年法國科學家E.Becquerel發(fā)現液體的光生伏特效應算起，太陽能電池歷經一百八十多年的發(fā)展歷史。

直到近幾年，鋰電、光伏技術才迎來了大規(guī)模地應用推廣。

人類始終致力于縮短技術應用的周期。

幸運的是，信息技術的產業(yè)革命，提升了技術迭代開發(fā)的速度。

在探索的過程中，由于供需環(huán)境、政策環(huán)境、經濟環(huán)境的影響，出現了眾多過渡性技術，引領產業(yè)的發(fā)展。

比如，鎳-鎘電池、鎳-鐵電池、鋁背場電池、砂漿切割技術、多晶硅片等。

當下來看，由于對更高能量密度和更高安全性電池的追求，各國都在加緊固態(tài)電池的研發(fā)，以期搶占技術制高點。

雖然目前要實現全固態(tài)鋰離子電池產業(yè)化尚需時間，但是半固態(tài)電池的研發(fā)已經取得一定進展，量產裝車指日可待。

01 電解質是核心

對于動力電池而言，安全、成本、性能是核心三要素。安全永遠是基礎生命線，成本是規(guī)模化推廣的保障，性能是品質的提升。

固態(tài)電池被稱為下一代技術的原因在于其安全性更高、性能提升巨大。

傳統鋰電池構成包括正極、負極、電解液、隔膜四大材料。而固態(tài)電池則將電解液和隔膜換成了固態(tài)電解質，其材料為正極、負極和固態(tài)電解質。

固態(tài)電池的核心在電解質上。

目前已經在使用或接近商用的固態(tài)電池的電解質有：聚合物、硫化物和氧化物三種。

聚合物由于在4V以上電壓工作下容易被電解，即便與正負極接觸性較好但也難當大任。

硫化物克服了固態(tài)電解液導電率不好的瓶頸，但是抗阻較高，容易與空氣、水等發(fā)生副反應，工藝上仍需要克服諸多挑戰(zhàn)。

目前氧化物體系步調最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段。

氧化物技術路線眾多，包括LLZTO（鋰鑭鋯鈦氧）、LLZO（鋰鑭鋯氧）、LATP（磷酸鋁鈦鋰）、Li2ZrCl6（鋰鋯硅磷氧）、Li3Zr2Si2PO12（鋰鋯硅磷氧）等。其中，LLZO目前是研究最主流的電解質，LATP也頗具看點。

中國四大頭部固態(tài)電池公司（清陶能源、衛(wèi)藍新能源、贛鋒鋰業(yè)、輝能），都是以氧化物材料為基礎的固液混合技術路線為主。

日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質技術路線；歐美企業(yè)選擇則呈多樣化，如SolidPower主要走硫化物路線，QuantumScape則選擇了氧化物路線。

由于對技術理解、掌握、發(fā)展的不同，對技術路徑的選擇頗有百家爭鳴的味道。

02 固態(tài)電池的優(yōu)點

將液態(tài)電解液更換為固態(tài)電解質材料，將有效提升安全性。

電池結構不含有任何低閃點、易燃的有機溶劑，固態(tài)電解質具備一定的厚度和機械強度，對枝晶的產生存在一定的遏制作用。

從性能來看，300Wh/kg對于液態(tài)鋰電池是一個接近極限值的門檻，而固態(tài)電池能量密度可以超過400Wh/kg。

我們通過研究發(fā)現，鋰電池的能量密度主要取決于工作電壓和正負極材料比（克）容量。

也就是說電壓越大、比容量越大則能量密度越高。

理解起來并不難。

鋰電池在工作的時候，電池電壓會隨著電量的降低而下降。假設其它條件不變，同等電流下，高電壓的工作時間就顯然比低電壓長。打個比方：一個高一點的蓄水池可以裝更多的水，同等條件下，排水時間肯定更長。

液態(tài)鋰電池電壓極限是4.3V，基于目前液態(tài)鋰電池的材料和使用安全性所限，鋰電池的工作電壓一般在4.2V以內，很難有所提升。

比（克）容量其實也不難理解，其意義便是每克鋰電池材料含多少mAh（毫安時）電量。

比容量越大則能量密度越高。簡單而言，就是同等重量攜帶更多的鋰離子，參與化學反應的鋰離子數量越多，那么能量就越大。

這個指標是材料本身性質決定的。液態(tài)鋰電所采取的正負極材料來看，負極石墨365mA·h/g，8系三元高鎳正極220mA·h/g。

液態(tài)鋰電池正負極已然面臨天花板。

反觀固態(tài)電池，采用更高比容量材料作為正負極，通過采用負極金屬鋰，正極高電勢材料，電化學窗口可以達到5V以上。

鋰的比容量高達3860mA·h/g，是石墨的10倍。在未來，正極的開發(fā)中也會使用到富鋰錳基這類高比容量的材料。

顯而易見，固態(tài)電池技術是進一步提升能量密度的必經之路。

03 半固態(tài)電池，過渡性首選

固態(tài)電池依靠電解質固態(tài)化提升了安全性以及能量密度，同樣地，也帶來了問題。

固態(tài)電解質的離子電導率遠低于液態(tài)電解質，這使得電池內阻明顯增大、電池循環(huán)性變差、倍率性能變差等；

不難理解，液態(tài)環(huán)境下，鋰離子運動更為暢快，固態(tài)材質和正負極的接觸不如液態(tài)材質緊密，快充性能不佳。

另一方面，高昂的成本也是制約全固態(tài)電池商業(yè)化的因素。

目前液態(tài)鋰電池的產業(yè)鏈非常成熟，可以用低廉的成本生產出性能較好的鋰電池，而全固態(tài)電池的產業(yè)鏈還不夠完善。

資料顯示，固態(tài)電池SLIB（石墨負極）總成本最高，達158.8＄/kWh，比LIB（石墨負極液態(tài)鋰離子電池）高約34%。固態(tài)電池材料成本高昂，加工工藝復雜。

雖然固態(tài)電池SLMB（鋰負極）理論總成本最低，但仍存在技術難題，阻礙產業(yè)化進程。

采用鋰負極的固態(tài)電池如何保持界面的良好接觸、循環(huán)過程中保持穩(wěn)定的問題還未解決。鋰化學性質活潑，壓延次數越多對技術的要求也就越高，要想穩(wěn)定供應厚度在50μm以下的鋰箔并不容易。

從未來固態(tài)鋰電池產業(yè)的發(fā)展方向上來看，業(yè)界認知相差不大，基本上是從液態(tài)鋰電池-半固態(tài)-固態(tài)；先完成對電解液隔膜的替代，而后進行正極負極的替代。

在積極推進全固態(tài)電池研發(fā)的進程中，半固態(tài)電池供應鏈與現有供應鏈重合度很高，工藝流程和裝備與目前鋰電池通用程度較高。

半固態(tài)電池以高安全性、長壽命與良好的經濟性更適合現在的規(guī)模化應用，是一個很好的過渡產品。

04 產業(yè)化進程加速

各國明確固態(tài)電池發(fā)展目標和產業(yè)技術規(guī)劃，2020-2025年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉變，2030年研發(fā)出可商業(yè)化使用的全固態(tài)電池。

美國在2021年發(fā)布《鋰電池2021-2030年國家藍圖》，并宣布撥款2.09億美元支持相關技術研究；歐洲則推出了《電池2030規(guī)劃》及《2030電池創(chuàng)新路線圖》，由歐盟多國共同出資32億歐元用于發(fā)展固態(tài)電池。日韓企業(yè)大多采用抱團研發(fā)的方式，車企、科研機構、電池和材料企業(yè)共同開發(fā)固態(tài)電池技術。

中國早在十年前已著手布局固態(tài)電池產業(yè)，本土誕生了清陶、衛(wèi)藍等多家固態(tài)電池技術領先，具備完整自主知識產權體系，深厚技術積累的企業(yè)。

去年11月，清陶能源與北汽福田聯合開發(fā)的首套量產商用車固態(tài)電池系統已完成調試、正式下線。

今年，2月14日，總投資100億元的15GWh清陶能源動力固態(tài)電池儲能產業(yè)基地正式簽約落地成都市郫都區(qū)，首條生產線設計產能1GWh，預計首批半固態(tài)電池將在近期正式下線。

2022年11月，蔚來汽車的電池供應商衛(wèi)藍新能源首顆固態(tài)動力電芯已正式下線。

受新能源車的旺盛需求拉動，越來越多的企業(yè)參與固態(tài)電池研究。

贛鋒鋰業(yè)第一代半固態(tài)電池已在東風E70電動車上裝車，另一款蔚來ET71000公里續(xù)航版本在2022年3月28日正式開啟交付。

寧德時代專注于硫化物電解質開發(fā)，固態(tài)電池的專利有 24 項。國軒高科、孚能科技、當升科技等企業(yè)在固態(tài)電池技術均有一定的突破。

隨著政策扶持、車企布局、資本涌入，固態(tài)電池產業(yè)化進程按下“加速鍵”，有望在2023年步入裝車元年。

參考資料：

[1] 光大證券，《半固態(tài)電池應運而生，搶占下一代鋰電技術制高點》[2] 高工鋰電，《開局2023：固態(tài)電池產業(yè)化追蹤》[3] 中泰證券，《固態(tài)電池專題：鋰電完全體技術大趨勢》[4] 天風證券，《固態(tài)電池哪家強》

關鍵詞： 固態(tài)電池