下一代“動力電池方向” 的固態(tài)電池！難點在哪里？

導語

近年來，新能源汽車行業(yè)高速發(fā)展，關鍵在于動力電池技術的迭代提升。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。在電動化趨勢下，固態(tài)電池作為“下一代動力電池方向”，能解決行業(yè)痛點，成為重要發(fā)展方向。但我國固態(tài)電池技術發(fā)展路線不明確，核心技術不成熟，需重點關注并提出解決思路。

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

固態(tài)電池發(fā)展現狀

固態(tài)電池是鋰離子電池未來重要的演進方向，具備高能量密度、高電壓窗口、高安全性等優(yōu)勢。隨著電動汽車效率的不斷增加，傳統液態(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代發(fā)展的必經之路。在能量密度方面， 固態(tài)電池沒有電解液和隔膜，質量大幅度減少，能量密度可達800Wh/kg，甚至更高，遠遠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，相對于電解液，固態(tài)電解質不參與化學反應，可選擇電壓差更大的正負極材料，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，安全可靠性高。

固態(tài)電池仍處于研發(fā)階段，以電解質材料為核心的多種技術路線尚未統一。近年來， 固態(tài)電池已經成為全球范圍內研究的焦點，但是固態(tài)電池的諸多關鍵技術路線尚處于探索階段，技術路徑呈多元化發(fā)展趨勢。在技術路線方面，作為全固態(tài)體系的關鍵核心材料，電解質材料目前主要有聚合物、硫化物和氧化物三種技術路線。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力或儲能電池；聚合物固態(tài)電池則受限于現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)電池則面臨電解質對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?；a技術不成熟等技術難題。在技術路線選擇方面，日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質技術路線，而中國企業(yè)多以氧化物、聚合物的技術路線為主，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。

歐美日韓扭轉航向搶先布局，意圖換道超車。在全球動力電池競爭格局上， 中、日、韓三國一直處于“ 混戰(zhàn)”。不過， 隨著全球新能源汽車產業(yè)鏈的不斷變化，中國企業(yè)在液態(tài)鋰電池為主的全球動力電池市場中已有“ 獨占鰲頭” 之勢。為扭轉在動力電池領域的“ 陪跑者” 角色， 歐美日韓都在加大固態(tài)動力電池的布局力度， 均已制定了國家戰(zhàn)略， 加大政府和民間的投入力度， 并且組建跨行業(yè)的產業(yè)聯盟， 意在新一代動力電池領域搶占制高點。在國家層面， 在2020 年， 歐洲支持了“2030 電池創(chuàng)新路線圖”，美國制定了“ 美國鋰電池2021—2030 國家發(fā)展藍圖”， 日本制定了第三期的“ 電動汽車創(chuàng)新電池開發(fā)” 的項目， 特別是還支持了以豐田為核心牽頭單位的針對電動汽車的全固態(tài)電池的研發(fā)項目，韓國也發(fā)布了“2030 二次電池產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”。在企業(yè)層面， 目前全球范圍內致力于固態(tài)電池技術研發(fā)和應用的車企、動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車企都曾紛紛發(fā)表關于加快固態(tài)電池商用化的推進速度。

新技術產業(yè)化的難點

固態(tài)電池產業(yè)化發(fā)展需經歷X個階段。盡管固態(tài)電池受到了空前的關注和高強度的研發(fā)， 但依然存在著很多技術難題， 全固態(tài)體系的電解質材料研究目前尚處于探索階段， 技術尚未成熟， 短期內難以實現大規(guī)模的商業(yè)化。根據電解質中電解液的含量， 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， 后三種通常被統稱為固態(tài)電池。從量產的可實現性而言，全固態(tài)電池或許無法一蹴而就，而是要經過“ 半固態(tài)— 準固態(tài)—全固態(tài)” 的逐步迭代方能實現。目前， 在技術、工藝方面比較成熟的前提下， 半固態(tài)電池是可以快速實現產業(yè)化的方案。技術成熟度和適用性仍需進一步提高。在技術成熟度方面， 從固態(tài)電池技術路徑角度分析， 無論是目前技術最為成熟的聚合物路線還是更具發(fā)展?jié)摿Φ牧蚧锫肪€， 技術和成本仍是阻礙固態(tài)電池商業(yè)化進程的核心因素。固態(tài)電池技術目前仍處在成熟技術到產業(yè)化的過渡階段， 即技術推廣與規(guī)?；a驗證階段， 初步預計到2025 年前后，固態(tài)電池技術將實現商業(yè)化， 并開始逐漸向下一代鋰電池邁進。在適用性方面，相較于現有的液態(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， 但是固態(tài)電解質的離子導電率較低、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。

尚不具備成熟的產業(yè)化條件。固態(tài)電池相比現有成熟的液態(tài)鋰電池技術變更巨大， 需重塑本就極其復雜的鋰電池供應鏈， 任重道遠。一方面，制造工藝復雜，生產工藝不成熟。由于技術路線不確定，固態(tài)電池的生產工藝，難以做到像現有三元鋰電池那樣成熟。另一方面，制造成本偏高。全固態(tài)電池的制造工藝復雜，且固態(tài)電池采用固態(tài)電解質等新科技材料生產成本遠高于目前對應的材料，降本之路極其艱巨漫長。另外，對于電池材料體系的研究，試驗室結果與商業(yè)化應用相隔甚遠?，F階段，實際落地經過測試的固態(tài)電池屈指可數， 以現有的工藝水平和設備能力，成品的良率也無法保障，遠未達到大規(guī)模量產階段。

措施建議

加強研發(fā)攻關能力，聚力突破固態(tài)電池技術瓶頸。一是制定發(fā)展行動計劃、路線圖、時間表。根據“十四五”動力電池技術路線圖（《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》）的規(guī)劃，圍繞 2025 年、2030 年、2035 年這三個關鍵時間節(jié)點，針對不同技術路線進行技術評估，制定固態(tài)電池技術開發(fā)全景圖。二是以國家重大科技專項等為抓手， 支持固態(tài)電池前沿技術研發(fā)。圍繞有關基礎研究、關鍵技術攻關，以及產業(yè)化培育等環(huán)節(jié)科學布局，以重點研發(fā)計劃、地方政府重點科技項目、產學研合作項目等為抓手，積極推動前沿技術研發(fā)。三是建設固態(tài)電池國家級制造業(yè)創(chuàng)新中心，突破行業(yè)共性技術，助力產業(yè)跨越實驗室到產業(yè)化鴻溝。聯合國家重點實驗室、國家動力電池創(chuàng)新中心等力量，公眾號動力電池bms 逐步構建穩(wěn)固的固態(tài)電池研發(fā)基礎，全方位打通產業(yè)化道路。

培育典型應用示范，營造開放生態(tài)加速產品落地。一是在新能源汽車領域逐步試點半固態(tài)電池、準固態(tài)電池，為過渡到全固態(tài)電池打好應用基礎。在技術路線尚不明確的產業(yè)發(fā)展背景下，聚焦固態(tài)電池多元化技術路線，全力向全固態(tài)電池商業(yè)化努力，以保持我國動力電池行業(yè)的領先和產業(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、電力電子器件等配套產業(yè)，打造完備的產業(yè)鏈。調研梳理產業(yè)鏈技術發(fā)展現狀， 加強支持和指導、產學研合作、上下游合作和市場化產業(yè)鏈建設，形成關鍵核心技術攻關合力，加強全產業(yè)鏈建設，提升產業(yè)整體競爭力。三是探索首批次首臺（套）金融支持手段，為創(chuàng)新試點固態(tài)電池的整車企業(yè)分攤風險，提升意愿。積極促進金融與產業(yè)深度融合，強化對固態(tài)電池領域的金融服務保障，構建完善的科技金融服務體系，更好發(fā)揮金融對固態(tài)電池產業(yè)生態(tài)的支撐作用。

深化對外開放合作，強化產業(yè)鏈要素支撐與協同。一是建立業(yè)內企業(yè)國內外交流機制，擴大開放合作力度。鼓勵國內外多家固態(tài)電池企業(yè)、研究機構等建立合作關系，以技術培訓、觀摩學習和座談研討等方式共同開展技術交流，攻克固態(tài)電池開發(fā)難點。二是產業(yè)鏈鏈主整合資源，促進產業(yè)鏈協同，提升產業(yè)鏈成熟度。發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，整合創(chuàng)新資源，加快要素聚集，促進產業(yè)鏈創(chuàng)新鏈深度融合。三是制定標準完善檢測認證，為行業(yè)樹立統一規(guī)范。我國應盡快完善頂層設計，對電池尺寸、性能測試、安全指標等內容開展標準化工作，并引導鼓勵企業(yè)加強固態(tài)電池標準的國際交流與合作，參與國際標準制定過程，逐步搭建起完善的高標準體系，以推動產業(yè)化和商業(yè)化應用的快速發(fā)展。