下一代“動(dòng)力電池方向” 的固態(tài)電池！難點(diǎn)在哪里？

導(dǎo)語

近年來，新能源汽車行業(yè)高速發(fā)展，關(guān)鍵在于動(dòng)力電池技術(shù)的迭代提升。目前液態(tài)鋰電池存在能量密度低、安全性差、成本高等問題，阻礙新能源汽車發(fā)展。在電動(dòng)化趨勢(shì)下，固態(tài)電池作為“下一代動(dòng)力電池方向”，能解決行業(yè)痛點(diǎn)，成為重要發(fā)展方向。但我國(guó)固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展路線不明確，核心技術(shù)不成熟，需重點(diǎn)關(guān)注并提出解決思路。

近年來，新能源汽車行業(yè)高速發(fā)展， 其核心在于以動(dòng)力電池為核心的關(guān)鍵零部件技術(shù)的不斷迭代提升。當(dāng)前以液態(tài)鋰電池為主導(dǎo)的動(dòng)力電池行業(yè)， 存在能量密度低、安全性差、成本高等問題，已經(jīng)成為掣肘新能源汽車發(fā)展的巨大障礙。在汽車電動(dòng)化的大趨勢(shì)浪潮之下， 被稱為“ 下一代動(dòng)力電池方向” 的固態(tài)電池， 可以在很大程度上解決當(dāng)前行業(yè)痛點(diǎn)，已成為動(dòng)力電池未來的重要發(fā)展方向。目前我國(guó)固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展路線不明確、關(guān)鍵核心技術(shù)尚不成熟等問題突出，需要重點(diǎn)關(guān)注并提出解決思路。

固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀

固態(tài)電池是鋰離子電池未來重要的演進(jìn)方向，具備高能量密度、高電壓窗口、高安全性等優(yōu)勢(shì)。隨著電動(dòng)汽車效率的不斷增加，傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池在安全性、能量密度等方面問題日益凸顯， 固態(tài)鋰電池或成為后鋰時(shí)代發(fā)展的必經(jīng)之路。在能量密度方面， 固態(tài)電池沒有電解液和隔膜，質(zhì)量大幅度減少，能量密度可達(dá)800Wh/kg，甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前性能最好的液態(tài)鋰離子電池300Wh/kg 的能量密度。在適用電壓方面，相對(duì)于電解液，固態(tài)電解質(zhì)不參與化學(xué)反應(yīng)，可選擇電壓差更大的正負(fù)極材料，適用充電電壓范圍更廣，具有高電壓性。在安全性方面，固態(tài)電解質(zhì)具有不可燃性、適用溫度窗口寬、無腐蝕性、揮發(fā)性弱等特點(diǎn)，安全可靠性高。

固態(tài)電池仍處于研發(fā)階段，以電解質(zhì)材料為核心的多種技術(shù)路線尚未統(tǒng)一。近年來， 固態(tài)電池已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)研究的焦點(diǎn)，但是固態(tài)電池的諸多關(guān)鍵技術(shù)路線尚處于探索階段，技術(shù)路徑呈多元化發(fā)展趨勢(shì)。在技術(shù)路線方面，作為全固態(tài)體系的關(guān)鍵核心材料，電解質(zhì)材料目前主要有聚合物、硫化物和氧化物三種技術(shù)路線。這幾種材料的固態(tài)電池均存在局限性，氧化物固態(tài)電池難以研制大容量動(dòng)力或儲(chǔ)能電池；聚合物固態(tài)電池則受限于現(xiàn)有聚氧化乙烯材料體系，無法在常溫下工作且難以兼容高電壓正極；硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對(duì)空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)不成熟等技術(shù)難題。在技術(shù)路線選擇方面，日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，而中國(guó)企業(yè)多以氧化物、聚合物的技術(shù)路線為主，歐美企業(yè)選擇則呈多樣化，如寶馬與福特投資的美國(guó)電池公司Solid Power 主要研發(fā)基于硫化物的全固體電池，而另一家美國(guó)電池公司Quantum Scape（QS） 研發(fā)的固態(tài)電池走的是氧化物路線。

歐美日韓扭轉(zhuǎn)航向搶先布局，意圖換道超車。在全球動(dòng)力電池競(jìng)爭(zhēng)格局上， 中、日、韓三國(guó)一直處于“ 混戰(zhàn)”。不過， 隨著全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的不斷變化，中國(guó)企業(yè)在液態(tài)鋰電池為主的全球動(dòng)力電池市場(chǎng)中已有“ 獨(dú)占鰲頭” 之勢(shì)。為扭轉(zhuǎn)在動(dòng)力電池領(lǐng)域的“ 陪跑者” 角色， 歐美日韓都在加大固態(tài)動(dòng)力電池的布局力度， 均已制定了國(guó)家戰(zhàn)略， 加大政府和民間的投入力度， 并且組建跨行業(yè)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟， 意在新一代動(dòng)力電池領(lǐng)域搶占制高點(diǎn)。在國(guó)家層面， 在2020 年， 歐洲支持了“2030 電池創(chuàng)新路線圖”，美國(guó)制定了“ 美國(guó)鋰電池2021—2030 國(guó)家發(fā)展藍(lán)圖”， 日本制定了第三期的“ 電動(dòng)汽車創(chuàng)新電池開發(fā)” 的項(xiàng)目， 特別是還支持了以豐田為核心牽頭單位的針對(duì)電動(dòng)汽車的全固態(tài)電池的研發(fā)項(xiàng)目，韓國(guó)也發(fā)布了“2030 二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”。在企業(yè)層面， 目前全球范圍內(nèi)致力于固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的車企、動(dòng)力電池公司有幾十余家，其中包括豐田、大眾、寶馬、福特等一系列全球巨頭級(jí)車企都曾紛紛發(fā)表關(guān)于加快固態(tài)電池商用化的推進(jìn)速度。

新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需經(jīng)歷X個(gè)階段。盡管固態(tài)電池受到了空前的關(guān)注和高強(qiáng)度的研發(fā)， 但依然存在著很多技術(shù)難題， 全固態(tài)體系的電解質(zhì)材料研究目前尚處于探索階段， 技術(shù)尚未成熟， 短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化。根據(jù)電解質(zhì)中電解液的含量， 可以分為液態(tài)、半固態(tài)（ 電解液含量＜ 10%）、準(zhǔn)固態(tài)（ 電解液含量＜ 5%）、全固態(tài)（不含有電解液）四大類， 后三種通常被統(tǒng)稱為固態(tài)電池。從量產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)性而言，全固態(tài)電池或許無法一蹴而就，而是要經(jīng)過“ 半固態(tài)— 準(zhǔn)固態(tài)—全固態(tài)” 的逐步迭代方能實(shí)現(xiàn)。目前， 在技術(shù)、工藝方面比較成熟的前提下， 半固態(tài)電池是可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方案。技術(shù)成熟度和適用性仍需進(jìn)一步提高。在技術(shù)成熟度方面， 從固態(tài)電池技術(shù)路徑角度分析， 無論是目前技術(shù)最為成熟的聚合物路線還是更具發(fā)展?jié)摿Φ牧蚧锫肪€， 技術(shù)和成本仍是阻礙固態(tài)電池商業(yè)化進(jìn)程的核心因素。固態(tài)電池技術(shù)目前仍處在成熟技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化的過渡階段， 即技術(shù)推廣與規(guī)模化生產(chǎn)驗(yàn)證階段， 初步預(yù)計(jì)到2025 年前后，固態(tài)電池技術(shù)將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化， 并開始逐漸向下一代鋰電池邁進(jìn)。在適用性方面，相較于現(xiàn)有的液態(tài)電池體系，盡管固態(tài)電池體系有諸多無法比擬的優(yōu)勢(shì)， 但是固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率較低、充電速度慢、固—固界面接觸性和穩(wěn)定性差、電解質(zhì)材料敏感性等問題亟待解決，適用性仍需提高。

尚不具備成熟的產(chǎn)業(yè)化條件。固態(tài)電池相比現(xiàn)有成熟的液態(tài)鋰電池技術(shù)變更巨大， 需重塑本就極其復(fù)雜的鋰電池供應(yīng)鏈， 任重道遠(yuǎn)。一方面，制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)工藝不成熟。由于技術(shù)路線不確定，固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝，難以做到像現(xiàn)有三元鋰電池那樣成熟。另一方面，制造成本偏高。全固態(tài)電池的制造工藝復(fù)雜，且固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)等新科技材料生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于目前對(duì)應(yīng)的材料，降本之路極其艱巨漫長(zhǎng)。另外，對(duì)于電池材料體系的研究，試驗(yàn)室結(jié)果與商業(yè)化應(yīng)用相隔甚遠(yuǎn)?，F(xiàn)階段，實(shí)際落地經(jīng)過測(cè)試的固態(tài)電池屈指可數(shù)， 以現(xiàn)有的工藝水平和設(shè)備能力，成品的良率也無法保障，遠(yuǎn)未達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)階段。

措施建議

加強(qiáng)研發(fā)攻關(guān)能力，聚力突破固態(tài)電池技術(shù)瓶頸。一是制定發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃、路線圖、時(shí)間表。根據(jù)“十四五”動(dòng)力電池技術(shù)路線圖（《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》）的規(guī)劃，圍繞 2025 年、2030 年、2035 年這三個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，針對(duì)不同技術(shù)路線進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，制定固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)全景圖。二是以國(guó)家重大科技專項(xiàng)等為抓手， 支持固態(tài)電池前沿技術(shù)研發(fā)。圍繞有關(guān)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及產(chǎn)業(yè)化培育等環(huán)節(jié)科學(xué)布局，以重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、地方政府重點(diǎn)科技項(xiàng)目、產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目等為抓手，積極推動(dòng)前沿技術(shù)研發(fā)。三是建設(shè)固態(tài)電池國(guó)家級(jí)制造業(yè)創(chuàng)新中心，突破行業(yè)共性技術(shù)，助力產(chǎn)業(yè)跨越實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化鴻溝。聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心等力量，公眾號(hào)動(dòng)力電池bms 逐步構(gòu)建穩(wěn)固的固態(tài)電池研發(fā)基礎(chǔ)，全方位打通產(chǎn)業(yè)化道路。

培育典型應(yīng)用示范，營(yíng)造開放生態(tài)加速產(chǎn)品落地。一是在新能源汽車領(lǐng)域逐步試點(diǎn)半固態(tài)電池、準(zhǔn)固態(tài)電池，為過渡到全固態(tài)電池打好應(yīng)用基礎(chǔ)。在技術(shù)路線尚不明確的產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，聚焦固態(tài)電池多元化技術(shù)路線，全力向全固態(tài)電池商業(yè)化努力，以保持我國(guó)動(dòng)力電池行業(yè)的領(lǐng)先和產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。二是圍繞固態(tài)電池，優(yōu)化電源管理系統(tǒng)、電力電子器件等配套產(chǎn)業(yè)，打造完備的產(chǎn)業(yè)鏈。調(diào)研梳理產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀， 加強(qiáng)支持和指導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研合作、上下游合作和市場(chǎng)化產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，形成關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)合力，加強(qiáng)全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，提升產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。三是探索首批次首臺(tái)（套）金融支持手段，為創(chuàng)新試點(diǎn)固態(tài)電池的整車企業(yè)分?jǐn)傦L(fēng)險(xiǎn)，提升意愿。積極促進(jìn)金融與產(chǎn)業(yè)深度融合，強(qiáng)化對(duì)固態(tài)電池領(lǐng)域的金融服務(wù)保障，構(gòu)建完善的科技金融服務(wù)體系，更好發(fā)揮金融對(duì)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)的支撐作用。

深化對(duì)外開放合作，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈要素支撐與協(xié)同。一是建立業(yè)內(nèi)企業(yè)國(guó)內(nèi)外交流機(jī)制，擴(kuò)大開放合作力度。鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外多家固態(tài)電池企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等建立合作關(guān)系，以技術(shù)培訓(xùn)、觀摩學(xué)習(xí)和座談研討等方式共同開展技術(shù)交流，攻克固態(tài)電池開發(fā)難點(diǎn)。二是產(chǎn)業(yè)鏈鏈主整合資源，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，提升產(chǎn)業(yè)鏈成熟度。發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，整合創(chuàng)新資源，加快要素聚集，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新鏈深度融合。三是制定標(biāo)準(zhǔn)完善檢測(cè)認(rèn)證，為行業(yè)樹立統(tǒng)一規(guī)范。我國(guó)應(yīng)盡快完善頂層設(shè)計(jì)，對(duì)電池尺寸、性能測(cè)試、安全指標(biāo)等內(nèi)容開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，并引導(dǎo)鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)固態(tài)電池標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際交流與合作，參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定過程，逐步搭建起完善的高標(biāo)準(zhǔn)體系，以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用的快速發(fā)展。