全固態(tài)電池的技術路線圖會是怎樣的？

2020年10月27日，工信部發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》，其中提到2035年節(jié)能（主要指HEV混動車）與新能源汽車的年銷量各占50%左右。其中動力電池涵蓋了能量型，能量功率兼顧型以及功率型以及功率型（主要應用在HEV領域）三大技術方向和普及性，商用型，高端型三類應用場景。每種類型都是按照比能量不斷提升，成本不斷降低的技術趨勢展開。時過境遷，如今不在路線圖中的能量密度小于200Wh/kg的磷酸鐵鋰電池在新能源汽車的占比已接近70%；而為了解決高比能電池的安全問題，全固態(tài)電池的發(fā)展也進入了快車道。工信部在2024年1月17日啟動了《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖3.0》的修訂工作，其中全固態(tài)電池技術路線圖研討會于2024年6月1日在北京召開。那么，本次修訂針對全固態(tài)電池會制定怎樣的技術路線，其應用場景又涵蓋哪些，本文帶您一探究竟。

01.  主流企業(yè)的固態(tài)電池技術路線

為了分析全固態(tài)電池的技術路線圖，讓我們先了解一下國家重大專項的導向。此前多個媒體發(fā)布消息稱國家將投入60億元來鼓勵全固態(tài)電池的研發(fā)工作，包括CATL，北京衛(wèi)藍新能源，比亞迪，一汽、上汽、吉利汽車等6家企業(yè)或獲得政府基礎研發(fā)支持。那么，這些企業(yè)的固態(tài)電池技術路線是怎樣的呢？

1. 寧德時代：根據(jù)此前文章的分析，寧德時代全固態(tài)電池采用硫化物技術路線，正極是高鎳三元，負極是鋰金屬，電池能量密度有望達到400Wh/kg。其中需要解決固固界面，空氣穩(wěn)定性&成本，制造工藝以及鋰金屬本身的問題，這其中前面三個涉及到固態(tài)電解質的問題都可能是這一次重大專項急需解決的核心共性問題。

2. 北京衛(wèi)藍：衛(wèi)藍新能源的半固態(tài)電池已經(jīng)在蔚來汽車上實現(xiàn)量產(chǎn)，采用的是氧化物+聚合物的技術路線，能量密度高達360Wh/kg, 正極是超高鎳三元正極，負極是高容量硅碳。

值得注意的是，衛(wèi)藍的技術路線中特別提到了原位固化，通過注液保持良好的電解質與電極材料的物理接觸，再通過化學或電化學反應將液體電解質部分或全部轉換為固體電解質，解決高電壓、安全性、鋰枝晶、體積膨脹等問題。

3. 比亞迪：比亞迪的固態(tài)電池研究較為神秘，公開消息中幾乎沒有涉及具體的技術路線。從專利申請中分析，其大概率是采用了多路徑方式，涵蓋熱門的硫化物和氧化物路線。早在2022年底就傳出了其全固態(tài)鋰電池在重慶生產(chǎn)即將裝車的消息，并稱在使用硅基材料作為固態(tài)電池負極時，能量密度預計能達到400Wh/kg。

考慮到比亞迪是整車廠，具備較強的工程能力，哪怕是需要施加上百個大氣壓的硫化物固態(tài)電池，也可能通過相應的電池包和車身設計來解決，來實現(xiàn)固態(tài)電池的裝車試點，這方面可能是比亞迪核心攻關的領域。值得注意的是，比亞迪目前的電池都是能量密度較低的磷酸鐵鋰，其本身并不需要固態(tài)電解質來改善安全，高比能的全固態(tài)電池并不一定是其核心發(fā)展方向。

4. 一汽：早在2021年，一汽就依托吉林省重大科技專項開展了全固態(tài)電池的研究工作，采用硫化物固態(tài)電解質技術路線，開發(fā)容量10Ah，比能量320Wh/kg、680Wh/L，循環(huán)壽命超過500次的全固態(tài)電池。正極材料體系應該是高鎳正極材料技術路線，負極材料可能是硅或者金屬鋰負極技術路線。

5.上汽：上汽集團主要是通過跟清陶能源的合資公司上汽清陶來實現(xiàn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化，其主要的技術路線是聚合物復合電解質路線，當前應用在智己L6上的是氧化物和聚合物復合，含有液態(tài)電解液的半固態(tài)電池，能量密度約為300Wh/kg。

而最終實現(xiàn)的全固態(tài)電池是采用鹵化物和聚合物復合的技術路線，正極富鋰錳基，負極是鋰金屬合金，能量密度超過400Wh/kg。

6. 吉利汽車：早在2022年，吉利旗下的耀寧就在實驗室里已經(jīng)成功試制出5Ah全固態(tài)電池樣品。并在2023年10月正式發(fā)布S+研發(fā)戰(zhàn)略，推動打造固態(tài)技術貨架，重點建設固態(tài)電解質制備、原位凝膠技術以及固態(tài)電解質的涂覆、摻混、包覆等三大“S+”材料創(chuàng)新能力，賦能現(xiàn)有材料體系與電池產(chǎn)品。

在北京車展上，吉利低調展示了其全固態(tài)電池，基于硫化物電解質體系，能量密度達到了400Wh/kg，以后大概率會使用自家的全固態(tài)電池進行裝車測試。

綜上所述，這幾家的全固態(tài)電池采用的都是硫化物或者聚合物復合（跟氧化物或者鹵化物）的路線，電池能量密度都有望或者已經(jīng)達到了400Wh/kg, 這一次國家的重大專項，大概率也是以此作為目標。

再疊加電解質材料合成，電解質膜的優(yōu)化，等靜壓，制備工藝等核心技術攻關，和裝車驗證（比如1000臺）等條件，預計在2027年左右完成。

02.  全固態(tài)電池的技術路線圖

根據(jù)以上國家重大專項的分析以及各家的產(chǎn)品規(guī)劃路徑，大致能夠猜出《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖3.0》中全固態(tài)電池的技術路線，主要還是從能量密度，循環(huán)壽命以及成本等三個方面進行分析：

1. 首先是能量密度方面，2024年2月工信部就《鋰電池行業(yè)規(guī)范條件(2024年本)》修訂征求意見，其中新增對固態(tài)電池相關要求，單體能量密度≥300Wh/kg, 循環(huán)壽命≥1000次容量保持率≥80%。

可見國家對于固態(tài)電池的定位主要就是高比能下保證電池的安全。此次修訂的話，大概率要求到2027年固態(tài)電池的能量密度就要達到400Wh/kg, 到2030年進一步達到500Wh/kg，這比2.0版本中的高端能量型電池分別提前了三年和五年。

實際上，這兩年新能源汽車的發(fā)展過于迅速，在比亞迪等眾多企業(yè)的優(yōu)惠促銷下，電比油低成了行業(yè)現(xiàn)狀，預計2025年滲透率就有望達到50%，提前10年完成既定目標。在動力電池方面，寧德時代去年就發(fā)布了凝聚態(tài)電池，能量密度高達500Wh/kg。以中國速度來看，2030年實現(xiàn)此類電池的量產(chǎn)并非天方夜譚。

2. 其次在循環(huán)壽命方面，雖然目前對高比能電池的循環(huán)大都是1000次80%容量保持率，考慮到全固態(tài)電池是可以通過施加壓力這一外掛來延長壽命，且此前2.0版本就提出了1500次/12年的要求，大概率不會少于1500次。

實際上，從寧德時代公開的數(shù)據(jù)來看(3C超過6000次)，實現(xiàn)這個指標難度并不高。

3. 最后是成本方面，技術路線圖2.0中提到了普及性電池的成本到2025年降為<0.35元/Wh,這在目前的LFP電池上幾乎已經(jīng)實現(xiàn)。針對高端型比能量超過350Wh/kg的電池，其成本目標為<0.50元/Wh, 到2030進一步降為<0.45元/Wh。

考慮到全固態(tài)電池一定會比液態(tài)電池更貴，這個指標大概率不會加嚴。不過需要注意的是，因為鹵化物等電解質耐高壓的特性，有望使用富鋰錳基材料作為電池正極，成本上會比目前的高鎳三元降低很多，實現(xiàn)這個指標還是有希望的。

綜上，到2030年，全固態(tài)電池的能量密度預計能夠達到500Wh/kg, 循環(huán)壽命超過1500次，且成本低于0.45元/Wh。而在正負極的選擇上估計會強調富鋰錳基等低成本材料的導入。電解質材料上，除了主流的硫化物路線外，鹵化物和聚合物也是重要的方向。尤其是近兩年新興起的鹵化物，不僅鋰離子電導率達到了1-10mS/cm的范圍，其耐壓性也比較好(接近4.7V)， 跟高鎳和富鋰層狀正極都更加穩(wěn)定，大概率會是高比能正極的首選，豐田的專利中也透露出這一點。

此外，由于寧德時代等企業(yè)也具備半固態(tài)電池的技術路線，在能量密度和成本上會更有優(yōu)勢，此次路線圖3.0如果不區(qū)分全固態(tài)和半固態(tài)的話，那么指標實現(xiàn)起來會更加容易些。

值得注意的是，技術路線圖2.0中特意提到了功率型電池的要求，能量密度只有80~120Wh/kg, 壽命要求30萬次，這是專門給HEV電芯保留的。因為按照當時的估計，到2035年新能源汽車的滲透率才能達到50%，剩下的50%中是HEV混動車（超過45%，剩下的是48V弱混），必須要為HEV車型保留相應的高功率電池。

并且新能源汽車中主要是純電動車型，PHEV和REEV占比才2.5%，這也導致了后續(xù)國家對PHEV的補貼以及積分政策大幅下降。

比亞迪2020年插混汽車年銷量下降到4.5萬輛，比2015年還要低。要不是2021年推出的DM-i 4.0力挽狂瀾，國內(nèi)的PHEV插混路線差點就被扼殺在搖籃中。

此次全固態(tài)電池的技術路線，從能量密度來考慮，估計國家不會支持其在HEV車型上的開發(fā)和應用。不過從技術的角度來看，HEV車型挺適合全固態(tài)電池進行試水的。

首先正負極材料都是成熟體系，尤其是石墨負極體積膨脹較小，電池施加的壓力也小很多，這樣只需要解決固態(tài)電解質的問題即可，不必過多考慮主材本身的問題；

其次，固態(tài)電解質的導入會導致能量密度下降，而HEV電池主要考慮功率和循環(huán)，對比能量要求很低。

此外，成本上由于HEV電池一般只有1~2kWh也更加可控，而循環(huán)壽命上進行初期驗證，哪怕無法滿足要求也能通過及時更換來解決。

小結: 2020年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》，幾乎沒有LFP規(guī)模應用的指標要求，而當前LFP在新能源汽車的占比已接近70%。此次的技術路線圖3.0，對于全固態(tài)電池估計會按照400~500Wh/kg的能量密度，超過1500次的循環(huán)壽命以及<0.45元/Wh的技術路線去發(fā)展。但最終全固態(tài)電池能否在BEV上規(guī)模應用還存在較大變數(shù)，比如成本較高，循環(huán)和安全不及預期等。

也許硫化物全固態(tài)電池會由豐田率先在HEV車型上導入，2022年CES上豐田首席科學家Gill Pratt就提到首款配備固態(tài)電池的量產(chǎn)車型將在2025年左右在混動車型上推出進行試驗，因其配備的固態(tài)電池體積更小，對車型的價格影響也不會太大，也能充分驗證電池的循環(huán)壽命。

一旦固態(tài)電池的成本下降到一定程度，最終也將會配備在豐田純電動車型上?？紤]到豐田在固態(tài)電池上已經(jīng)食言多次，能否在2025~2028年實現(xiàn)裝車應用依然不得而知。