固態電池爭霸賽幕啟

　　文/袁素

　　固態電池已成為全球新一輪動力電池競賽中的投資熱點。

　　2018年年底，成立于2010年的半固態鋰電池研發企業——美國24M公司對外宣布，該公司已獲得D輪2180萬美元融資，資本方來自高級陶瓷制造商日本京瓷集團和全球貿易公司伊藤忠商事。

　　這家公司系從曾經的行業龍頭——美國磷酸鐵鋰電池企業A123分拆出來，由中國臺灣科學家蔣業明博士創立。該公司宣稱將從2019年開始建立一個小型產業化工廠，希望在2020年交付首批產品，為電動汽車開發價格合理的高能量密度電池。

　　24M是新一輪全球動力電池產業競賽的一個縮影。從全球來看，中國、日本、韓國、德國、法國、美國、英國、澳大利亞等國家的諸多汽車企業和電池企業紛紛下注固態電池，希望打造下一個超級明星公司。

　　不過，中國化學與物理電源協會秘書長劉彥龍等業界人士認為，固態電池現在還處于實驗室階段，在研發上還面臨比較多的難以克服的障礙，預計真正量產至少要在五年之后。

　　搶注下一代

　　電動汽車的蓬勃發展對動力電池的能量密度和安全性提出了越來越高的要求。

　　2017年11月中國政府發布的 《節能與新能源汽車技術路線圖》提出，純電動汽車動力電池的單體能量密度在2020年達到 300瓦時/千克， 2025年達到400瓦時/千克，2030年達到500瓦時/千克。

　　這對現有液態鋰電池而言是一個很高的目標?！疤厮估玫碾姵啬壳笆侨蚰芰棵芏茸罡叩膭恿﹄姵?，2018年初特斯拉宣布與松下聯合研發的21700單體能量密度達300瓦時/千克，而國內一般電芯廠家的單體能量密度在230瓦時/千克左右，到2020年實現國家要求的300瓦時/千克挑戰很大?！?清陶能源公司董事長馮玉川解釋，固態電池實現這一目標就相對容易，“全固態鋰電池單體的能量密度在實驗室可以達到430瓦時/千克以上，在中試階段可達375瓦時/千克，在量產階段可以輕松達到300瓦時/千克以上?！?/p>

　　據中科院物理所研究員、固態離子學課題組組長黃學杰介紹，固態鋰電池采用金屬鋰作為負極，固體無機或高分子材料作為電解質，能量密度比采用同類型正極材料的鋰電子電池高20%～30%。

　　除能量密度外，安全性是固態電池的更大優勢。對此，中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示，目前液態鋰電池選擇使用的液態有機電解液易燃易爆，用固態電解質代替液態電解液，是公認可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。

　　據清華大學材料學院副教授李亮亮分析，固態電解質不易燃，還不會產生液態電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也符合未來電池發展的趨勢。同時，固態電解質較高的機械強度也能有效地抑制電池循環過程中鋰枝晶的刺穿，使鋰金屬負極的應用成為可能。

　　根據固態電池中固態電解質的狀態，可以將固態電池分為全固態和半固態電池，前者的電解質是純固態，但在電芯中有少量的液態電解質，后者就是一半固態電解質、一半液態電解質，如前述的24M這家公司的產品。

　　加速布局中

　　正是因為固態電池具有這么多的優點，世界多國政府都高度重視固態電池的研發，上市公司和創業公司紛紛投身固態電池這一全新賽道。

　　其中，日本在全球遙遙領先。2018年7月，日本國立研究機構新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)對外宣布，啟動第二階段固態鋰離子電池研發項目，并為此斥資100億日元(約合人民幣5.9億元)，成員包括23家整車及電池、材料廠商，另外還有15家大學及公共研究機構，計劃到2022年全面掌握全固態電池相關技術。

　　日本企業在固態電池方面的研究起步較早，水平也較高，尤其是在硫系固態電解質方面，豐田汽車公司近日披露了其全固態電池的框架，并計劃于本世紀20年代初實現商業化。

　　在韓國，三大蓄電池廠商LG化學、三星SDI和SK創新2018年11月對外宣布，聯手開發核心電池技術，將成立一個規模為1000億韓元的基金，計劃在固態電池、鋰金屬電池和鋰硫電池領域進行研發，打造下一代電池產業生態系統。

　　2018年11月，德國總理默克爾宣布計劃下撥10億歐元用于支持德國的一家電池生產商，同時也將資助一家電池研發機構，用于開發下一代固態電池。德國政府的這一舉措是為了減少德國車企對于中日韓電池供應商的依賴。其中，大眾和寶馬公司也在大力發展固態電池，可能從2024或2025年開始批量生產。

　　在法國，博洛雷（Bolloré）公司一直致力于聚合物全固態電池的研究，其子公司Bat Scap生產的PEO基固態鋰離子電池用于電動汽車，是國際上第一個采用固態鋰電池的電動汽車案例，但該聚合物固態電池需要在80℃下工作，且能量密度不夠高，未顯示出相較于液態電解質電池的優勢。

　　美國則主攻基于聚合物和氧化物固態電解質的全固態鋰電池的研發路線，美國先進電池聯合會（USABC）提出，在2020年將電芯能量密度提高至350瓦時/千克。一些初創電池企業如Sakit 3、SEEO、Quantum Scape和Solid Power等紛紛宣布在高能量密度全固態鋰電池研發方面取得重大進展。 其中，2015年Sakti 3表示將開發出能量密度為當前鋰電池2倍的全固態電池，而成本只要鋰電池的五分之一。自 2012 年以來，蘋果公司就開始布局全固態電池技術的專利。2017年，美國專利商標局公布了蘋果一項與固態電池充電技術相關的新專利。

　　相比而言，中國的固態電池進展更快。在研發層面，中科院寧波材料技術與工程研究所牽頭承擔的納米先導專項“全固態電池”課題在2018年年底通過驗收。

　　在企業方面，中國動力電池企業和車企也表示了最濃厚的興趣。

　　在上市公司領域，當升科技表示，已開展前瞻性開發工作，預計2025年以后固態鋰電可逐步實現產業化；寧德時代公司在聚合物固態鋰金屬電池和硫化物基固態電池方向分別開展相關研發工作并取得了初步進展，其在固態電池上的思路是對正極材料做了保護，提高兼容性問題；比亞迪公司于2017年8月申請了相關發明專利，表示積極推進固態電池項目商用；贛鋒鋰業2018年3月宣稱，正在對固態電池進行廣泛試驗，將在2019年上半年建成第一代固態鋰電池生產線，在2019年12月完成3億元固態鋰電池銷售，并推動第二代固態鋰電池技術成熟化，實現第三代固態鋰電池可研。

　　在創業公司領域，擁有中科院物理所背景，由中國工程院院士陳立泉、北汽新能源前高管俞會根投資的衛藍新能源科技有限公司，在江蘇溧陽成立了江蘇衛藍新能源電池有限公司，正在建設電池中試線；已經完成B輪融資的清陶(昆山)能源發展有限公司在2018年11月對外宣布，其建成的全國首條固態鋰電池產線已于當月正式投產。

　　商業化還需五年

　　盡管全球的固態電池研發和投資熱鬧非凡，但整體來看，車用固態電池尚處于研發階段，遠未進入量產階段。

　　“雖然固態電池具有高安全性、高能量密度、循環次數高、相對較輕等特點，但界面阻抗大(電解質跟材料界面是固—固狀態，不利于鋰離子傳輸)、快充難度大(高阻抗、低導電率導致內阻大)、成本高等一系列問題尚待解決。”勁邦資本合伙人王榮進如此分析。

　　中科院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊認為，現在的固態電池還停留在研發階段，主要是因為固態電池存在容量衰減、內阻增加、內路短、熱失控、日歷等失效行為，降低了電池的能量密度、功率密度、循環壽命、安全性和可靠性。

　　從實操的角度來看，清陶新能源材料研究院院長何泓材認為，固態電池研發和生產的挑戰主要在于：高離子導電率固態電解質材料的開發、固體與固體之間的接觸界面高阻抗和穩定性、固態電池特需設備的開發等。只有對這些挑戰都找到解決方案，固態電池才能夠實現量產。不少創業公司可能僅僅在其中一兩點上有自己的解決方案，最終還是沒能實現固態電池的產業化。

　　青域基金創始人徐政軍的解釋是，國內雖然有不少科研院所、產業龍頭都在布局研發，但大都還在實驗室樣品階段。媒體宣傳的所謂固態電池，都不是真正的“全固態鋰電池”，很多都是半固態鋰電池，采用固液混合電解質技術。

　　在王榮進看來，固態電池的應用演進路徑是：先要在消費電子領域推廣，經過充分的驗證后， 再經過1～2年整車測試驗證，才能真正在汽車上使用，這一過程至少還需要5～7年。

　　（文章來源于《能源評論》雜志）

責任編輯：鮑一凡