抓好全固態(tài)！中國動力電池保“位”戰(zhàn)

都說歷史總是驚人相似。當前高速發(fā)展的液態(tài)鋰離子電池，其終極替代者是與自己同樣誕生于上世紀的固態(tài)電池。這個還在進行中的故事，與油車電車的世紀沉浮、攻守異勢，會不會頗有相似之處？

換道超車的中國新能源汽車和動力電池產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)銷量已連續(xù)多年全球第一。當曾經(jīng)的對手欲攜全固態(tài)電池重返巔峰，擺在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)面前的保“位”難題是：既要發(fā)展?jié)u進型的半固態(tài)電池技術(shù)路線，讓國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈盡可能從“液”到“固”，平穩(wěn)過渡，還要嚴防激進型全固態(tài)電池技術(shù)路線帶來的顛覆性風險。

固液纏斗：天賦異稟對上天生缺憾

液態(tài)鋰離子電池在中國已足夠努力，無奈天生缺憾，終極替代者已然現(xiàn)身，結(jié)局可以預(yù)見，只是時間問題。

2024年年初的兩條新聞，放在一起就形成了鮮明的對比。

春節(jié)期間，暴風雪、凍雨襲卷全國多地，不出意外，“第一批開電動爹回家的人后悔了”諸如此類話題被再次送上微博熱搜，液態(tài)鋰離子電池的安全、里程焦慮、能量密度等痛點又被揭出來了。

在此一個月前，2024年1月，大眾旗下電池子公司PowerCo發(fā)布公告稱，與QuantumScape合作打造的無負極（anodeless）固態(tài)電池樣本已經(jīng)實現(xiàn)充放電1000次，且在測試完成時電池“幾乎沒有老化”，保持電池容量的95%。有媒體在報道中以此推算，這種固態(tài)電池上車后，能夠按照WLTP標準續(xù)航里程實現(xiàn)500—600km續(xù)航，且行駛50萬公里不會出現(xiàn)明顯的續(xù)航衰減。消息一出，迅速在資本市場引來關(guān)注。

事實上，過去十多年里，以磷酸鐵鋰和三元鋰為代表的中國鋰離子電池高速發(fā)展，能量密度提升3倍以上（目前三元電池和磷酸鐵鋰電池能量密度分別達到300Wh/kg和190Wh/kg以上），成本降幅達到90%左右，一大批提升安全水平、提高能量密度和充電速度的技術(shù)還在不斷迭代。我國動力電池裝車量持續(xù)穩(wěn)居世界第一，鋰電池還成為出口新三樣的重要代表之一。

成績世所罕見，痛點也在逐年改善，問題卻依然沒有得到根本性解決。

上世紀90年代，隨著液態(tài)電解液的成功商用，固態(tài)電池失去了此后幾十年的主導機會，卻在液態(tài)鋰離子電池至今無法很好滿足電動汽車用戶需求的“空虛”里看到了機會。

當先天缺憾對上潛在優(yōu)勢，全固態(tài)電池的巨大潛力讓各方看到了解決問題的希望。

相比由正極、負極、電解液和隔膜四大關(guān)鍵要素組成的液態(tài)鋰離子電池，固態(tài)電池主要是其中的電解液被固態(tài)物質(zhì)取代。這種解釋雖然相對簡單粗暴，對非專業(yè)人士而言卻更容易抓住重點。

固態(tài)電池目前主要有半固態(tài)、準固態(tài)、全固態(tài)這幾種類型，其中全固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，具備安全性高、重量/體積能量密度高等潛在優(yōu)點。

首先，在安全性方面，由于采用無機不可燃電解質(zhì)，全固態(tài)電池的熱穩(wěn)定性好。中國科學院院士歐陽明高在近期舉辦的首屆中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇上表示，從液態(tài)到固態(tài)，硫化物固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性可以保持到300°C，而液態(tài)電解質(zhì)100°C就會蒸發(fā)，這對正常的工作范圍有安全保障。

其次是超高的能量密度。由于去掉了電解液和防止其漏液的“殼”，無論是單體還是模組，業(yè)內(nèi)非常看好全固態(tài)電池的提升潛力。業(yè)內(nèi)專家指出，電池模組能量密度最大有望提升2倍，并有可能降低制造成本。

再次是其高功率特性。鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)中以跳躍模式運行，傳遞速率更高，可以大幅度提高充電速度。而當前廣泛使用的液態(tài)鋰離子電池，充電速度如果太快，負極電位低到零就會析鋰。

還有其強大的溫度適應(yīng)性。液態(tài)電解質(zhì)中鋰離子導率和溫度直接相關(guān)，導致電動汽車在低溫環(huán)境下續(xù)航里程不理想飽受詬病。而全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30°C到100°C的范圍內(nèi)都不會凝固、不會氣化，也就不需要使用復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，更不會因為冬季氣溫大幅降低而導致容量下降。

更令人驚喜的是，全固態(tài)電池很少讓人在它這些優(yōu)點中做“選擇題”，充分滿足了“既要、又要、還要”。

南方科技大學教授許曉雄指出，在液體電池上不可能實現(xiàn)的高安全、低成本、高能量密度、高功率和長壽命之間的平衡，或?qū)⒃谌虘B(tài)電池上實現(xiàn)。

南方科技大學教授許曉雄指出，在液體電池上不可能實現(xiàn)的高安全、低成本、高能量密度、高功率和長壽命之間的平衡，或?qū)⒃谌虘B(tài)電池上實現(xiàn)。

以上種種雖然多是潛力，而非被產(chǎn)業(yè)化充分驗證過的能力，但潛力已足夠令人充滿希望，吸引大量資本的熱情投入。

中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會理事長鄭宏宇表示，目前，A股中固態(tài)電池概念股60家企業(yè)總市值達到2.7萬億元，2023年前三季度總營收合計1.95萬億元，總資產(chǎn)合計4.1萬億元。根據(jù)中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會預(yù)測，2024年全球固態(tài)電池（含半固態(tài)電池）需求量為2.3GWh，2030年全球固態(tài)電池需求量有望達到220GWh，2024年—2030年年復(fù)合增長率將達到114%。

根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)的分類，全固態(tài)電池主要有四大技術(shù)路線：聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)、鹵化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)。其中業(yè)內(nèi)相對公認的是硫化物在全固態(tài)電池中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆?/p>

據(jù)介紹，硫化物的離子電導率最高，材料也比較軟，固固結(jié)合效果相對更突出。但是硫化物也有很多缺陷，比如空氣穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性都還有很多問題需要解決。

根據(jù)中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會預(yù)測，2024 年全球固態(tài)電池（ 含半固態(tài)電池） 需求量為2.3GWh，2030 年全球固態(tài)電池需求量有望達到220GWh，2024 年—2030 年年復(fù)合增長率將達到114%。

產(chǎn)業(yè)化突破點：不遠不近的2030

把全固態(tài)電池的優(yōu)良潛力轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實能力，并進行大規(guī)模量產(chǎn)，全球?qū)Ξa(chǎn)業(yè)化時間點的基本共識是：“有望2030年。”

如果拉長時間，從電池發(fā)展史的角度觀察，從現(xiàn)在已經(jīng)開始的十年正是材料換代的新周期，磷酸鐵鋰和三元電池材料創(chuàng)新，讓鋰離子電池成為當前動力電池的主流。

歐陽明高指出，“現(xiàn)在我們又到了新一輪材料創(chuàng)新周期，這個周期大概要到2030年左右，也就是全固態(tài)電池有可能2030年左右實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”

人工智能的快速發(fā)展將成為全固態(tài)電池加快產(chǎn)業(yè)化落地的重要變量。歐陽明高認為，人工智能正在改變材料科學的研發(fā)范式，將大幅加快全固態(tài)電池的研發(fā)速度。“我們已經(jīng)處于一個新的時代，不要用過去推論未來，這個時代會顛覆材料的創(chuàng)新模式，也就不再是以前的試錯法，將來是24小時的黑燈實驗室，還有大算力的計算平臺幫助研究人員計算，這為2030年左右實現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性。”

但目前產(chǎn)業(yè)化落地仍面臨巨大挑戰(zhàn)。技術(shù)上到底難在哪兒？

中國工程院院士、中國科學院物理研究所研究員陳立泉指出，為了提升全固態(tài)電池能量密度、倍率性能和循環(huán)壽命，不僅要關(guān)注全固態(tài)鋰電池的基礎(chǔ)科學問題，如新型電解質(zhì)材料、界面改性和電池失效的機制，同時也要重視全固態(tài)電池的關(guān)鍵技術(shù)問題，如電解質(zhì)的批量生產(chǎn)制備技術(shù)、大面積固態(tài)電解質(zhì)薄膜連續(xù)制備技術(shù)、全固態(tài)電池一體化制備技術(shù)等。

作為早早布局固態(tài)電池的車企代表，東風汽車集團有限公司研發(fā)總院副院長史建鵬列出了當前產(chǎn)業(yè)化的主要四大挑戰(zhàn)：高性能正極材料、復(fù)合電解質(zhì)膜、負極材料和固態(tài)電池工藝問題等。

以上種種問題，需要從關(guān)鍵材料、界面、復(fù)合電極、單體電池等不同層面進行解決。

例如在材料層次上，硫化物電解質(zhì)的化學穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性很差，批量生產(chǎn)很難，基礎(chǔ)硫化鋰價格較高。“首先要把這個價格壓下去，現(xiàn)在自己做比買要便宜80%。”歐陽明高認為，需要把硫化鋰規(guī)模做上去，把成本壓下來。又如另一個突出問題是硅碳負極體積膨脹大，而鋰負極現(xiàn)在還不成熟。

還有電極材料、固態(tài)電解質(zhì)的界面相容性、界面的副反應(yīng)，固-固界面機械接觸和體積變化等，需要材料的進一步創(chuàng)新才能解決問題。

在操作層面，由于環(huán)境控制成本高，為保證空氣的穩(wěn)定性，只能在手套箱里面進行操作，這對大規(guī)模量產(chǎn)也是一大挑戰(zhàn)。

工藝設(shè)備也需要設(shè)備廠商的有力協(xié)同。歐陽明高指出：“如果我們用濕法工藝，大概能保留一半的現(xiàn)有設(shè)備。如果我們用干法工藝，三分之二的設(shè)備都不能要了，都要用新設(shè)備。”

更具顛覆性的挑戰(zhàn)來自產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈。當前的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈有多強大，全固態(tài)電池一旦直接到來，帶來的沖擊就有多強大。

再開一局！新一輪“三國殺”來了

雖然全球排名前十的動力電池企業(yè)有六家來自中國，我國的動力電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在全球占據(jù)了主導地位。在液態(tài)鋰離子電池為主的這一階段，未能領(lǐng)先的歐美、日韓已經(jīng)等在了下一個路口，意圖從全固態(tài)電池切入，搶奪動力電池產(chǎn)業(yè)的話語權(quán)。新一輪的全球動力電池技術(shù)競爭已經(jīng)打響。

近年來，日本以舉國之力推動全固態(tài)電池商業(yè)化。《日本蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》提出了占領(lǐng)新一代電池市場（全固態(tài)電池）的目標，計劃在2018—2022年期間完成硫化物全固態(tài)標準電池模型，到2023—2027年，日本將建立研發(fā)平臺，啟動下一代全固態(tài)蓄電池材料基礎(chǔ)技術(shù)評估和開發(fā)。在資金投入方面，日本計劃在2022—2030年投資約1510億日元（75億人民幣）。

日本為發(fā)展全固態(tài)電池已經(jīng)建立了官－產(chǎn)－學聯(lián)盟。日本的幾家主要車企既做全固態(tài)電池研發(fā)又進行整車生產(chǎn)，在電池與整車性能匹配結(jié)合等方面已經(jīng)形成優(yōu)勢。其中豐田行動最早，成果也最多。

日產(chǎn)、本田也發(fā)布了其試生產(chǎn)、產(chǎn)品上線的時間節(jié)點等最新進展。

2023年7月，豐田公開表示可以制造出充電10分鐘續(xù)航里程1200公里的固態(tài)電池，通過簡化制造固態(tài)電池所用材料的生產(chǎn)過程，其固態(tài)電池的體積、重量、價格較現(xiàn)有電池都有望減半，并宣布將在2027—2028年實現(xiàn)全固態(tài)電池技術(shù)商業(yè)化，向市場投放配備全固態(tài)電池的純電動汽車。

2023年9月，有外媒報道稱，日本松下控股宣布將在2025—2029年量產(chǎn)一種小型全固態(tài)電池，實現(xiàn)后預(yù)計3分鐘左右就能充滿電池容量的80%，預(yù)計可以充放電幾萬次。這種電池將首先應(yīng)用在無人機上，并且逐步應(yīng)用到新能源汽車。從公開信息來看，車載固態(tài)電池有望在2027年底實現(xiàn)量產(chǎn)，2028年搭載上車。

韓國的三大電池企業(yè)在這一領(lǐng)域也擁有較強實力，目前已取得實質(zhì)進展，特別是三星已率先開發(fā)出了全固態(tài)電池。

相比日韓，美國全固態(tài)電池研究則以股市和車企支持的創(chuàng)業(yè)企業(yè)為主導，大眾投資的Quantum Scape已發(fā)布了固態(tài)電池新產(chǎn)品。寶馬、福特共同投資了Solidpower，第一輛采用全固態(tài)電池技術(shù)的BMW原型車計劃在2025年前問世；通用也投資了固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)Soelect。

盡管當前我國鋰電產(chǎn)業(yè)處于全球領(lǐng)先地位，但在實現(xiàn)全固態(tài)電池的道路上還有很多風險和不確定性。

與當前全球這兩大勢力相比，中國在全固態(tài)電池研究上存在很大差異。據(jù)了解，目前國內(nèi)的固態(tài)電池技術(shù)路線非常多元化，以固液混合的半固態(tài)電池為主。

需要注意的是，半固態(tài)電池與液態(tài)鋰離子電池的電化學原理相同，是提升安全性的技術(shù)之一，但不屬于顛覆性技術(shù)。

近謀遠略，慎防顛覆

從液態(tài)鋰離子電池到全固態(tài)電池，相比國外激進地一步到位，中國采取了從固液混合半固態(tài)電池過渡的漸進式進化路線。

從國內(nèi)看，東風汽車已于2022年將首批東風固態(tài)電池示范運營車正式交付，第二代固態(tài)電池也已經(jīng)被研發(fā)出來，計劃于2024年搭載應(yīng)用，可使整車續(xù)駛里程達800公里以上。贛鋒鋰業(yè)、孚能科技、衛(wèi)藍新能源等供應(yīng)鏈企業(yè)在半固態(tài)電池領(lǐng)域也已取得不錯的進展。

東風汽車已于2022 年將首批東風固態(tài)電池示范運營車正式交付， 第二代固態(tài)電池也已經(jīng)被研發(fā)出來， 計劃于2024年搭載應(yīng)用， 可使整車續(xù)駛里程達800公里以上。

今年2月，廣汽埃安傳出了全固態(tài)電池的重磅消息：基于先進硅負極技術(shù)，能量密度可以達到350Wh/kg以上，目標是在2024年底達到400Wh/kg以上，可以支撐整車續(xù)航達到1，000公里以上。

只是路線不同，就已經(jīng)埋下了顛覆風險的種子。歐陽明高先于今年1月發(fā)出預(yù)警：國內(nèi)既要發(fā)展?jié)u進型的半固態(tài)電池技術(shù)路線，也要防范激進型全固態(tài)電池技術(shù)路線帶來的顛覆性風險。

他解釋說，目前，中國已經(jīng)擁有全球最強大的電池產(chǎn)業(yè)鏈。但現(xiàn)在如果做全固態(tài)電池，我們從原料到基材生產(chǎn)、電芯/電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用再到電池回收，全生命周期的產(chǎn)業(yè)鏈都會受到巨大的沖擊。

中國科學院物理研究所長三角研究中心科學家工作室主任、中國科學院大學教授吳凡也直言，日韓全固態(tài)電池在產(chǎn)業(yè)鏈上已經(jīng)取得了一些先發(fā)優(yōu)勢，而我國在固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電池生產(chǎn)設(shè)備等核心產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)上尚處于劣勢。

而且，從專利數(shù)量角度看，數(shù)據(jù)顯示，豐田以1300余件位居全球第一，而且前十名均為日、韓等國家的汽車及動力電池企業(yè)。

預(yù)則立！政產(chǎn)學研組團保“位”

固態(tài)電池的突破帶有很強的顛覆性，我國能否順利闖過固態(tài)電池技術(shù)和量產(chǎn)的關(guān)口，是確保我國實現(xiàn)汽車強國、保持全球領(lǐng)先地位的關(guān)鍵一戰(zhàn)。

目前，中國對全固態(tài)電池的研發(fā)認識還不統(tǒng)一、力量比較分散、產(chǎn)學研不協(xié)調(diào)，需要聯(lián)合起來建立協(xié)同創(chuàng)新平臺，共同突破全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。

2024年1月21日，“中國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺（CASIP）”應(yīng)運而生。據(jù)介紹，該平臺希望通過積極引導和組織整車、動力電池、關(guān)鍵材料企業(yè)和有關(guān)高校、科研院所開展協(xié)同創(chuàng)新，不斷推動全固態(tài)電池技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，加快推動全固態(tài)電池技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化進程，持續(xù)保持我國在該領(lǐng)域核心競爭力。

“任何技術(shù)都會不斷地革新，求新求變是我們的基本態(tài)度。”歐陽明高表示，論證它不行也非常重要，尤其現(xiàn)在我們這么大的電池產(chǎn)業(yè)，不能承受任何風險。

作為汽車行業(yè)的重要管理部門之一，工信部裝備工業(yè)一司副司長郭守剛提出了三個協(xié)同推進全固態(tài)電池發(fā)展的重點工作：

一是要一體化布局基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，解決關(guān)鍵材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、界面接觸失效等關(guān)鍵技術(shù)卡點，為全固態(tài)電池發(fā)展掃清技術(shù)障礙。

二是要補齊支撐技術(shù)和共性平臺發(fā)展的短板，持續(xù)提升關(guān)鍵材料、成套生產(chǎn)設(shè)備工藝、標準測試體系等基礎(chǔ)支撐能力，不斷夯實全固態(tài)電池發(fā)展的基礎(chǔ)。

三是要持續(xù)優(yōu)化應(yīng)用環(huán)境，強化整車、電池企業(yè)創(chuàng)新主體地位和成果產(chǎn)出的引領(lǐng)作用，持續(xù)構(gòu)建和諧共生的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，加速全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

針對如何繼續(xù)集中力量辦大事、爭取早日實現(xiàn)全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化，全國政協(xié)常委、經(jīng)濟委員會副主任苗圩也提出了4點建議：

一是要建立以企業(yè)為主體、產(chǎn)學研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。新能源汽車發(fā)展的經(jīng)驗表明，只要是以企業(yè)為主體就不會有技術(shù)創(chuàng)新成果不能產(chǎn)業(yè)化的問題。

二是要充分發(fā)揮市場機制的作用和政府的作用，其中市場是起決定性的作用。在汽車行業(yè)，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化最終要靠車企實現(xiàn)，性價比是電池企業(yè)贏得車企信任的不二選擇，政府的引導作用也必不可少。

三是要堅持標準先行，包括固態(tài)電池的規(guī)格尺寸、性能測試、安全指標等方面應(yīng)開展標準化的工作，提前搭建起標準體系。

四是加快電池的碳足跡核算體系建設(shè)，包括核算標準以及行業(yè)公認的數(shù)據(jù)庫，推出伴隨動力電池終身的“電池護照”，以實現(xiàn)動力電池全生命周期的低碳化管理，提升產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。這樣做的好處還有一點：可以使廢舊電池的部分材料回收利用，這也是我們解決資源對外依存度比較高問題的一個可行的辦法，就是城市的礦山。

今年2 月，廣汽埃安傳出了全固態(tài)電池的重磅消息：基于先進硅負極技術(shù)，能量密度可以達到350Wh/kg 以上，目標是在2024 年底達到400Wh/kg 以上，可以支撐整車續(xù)航達到1，000 公里以上。

除了未雨綢繆，控制好發(fā)展節(jié)奏也是當前的重要任務(wù)之一。今年2月，歐陽明高在中國電動汽車百人會成果發(fā)布會暨百人會論壇（2024）專家媒體交流會上再次強調(diào)，“一定要注意，固液混合不是顛覆性技術(shù)，全固態(tài)有顛覆的潛在風險，但還不是現(xiàn)實威脅。我們要居安思危，未雨綢繆，但也不要驚慌，不要焦慮。全固態(tài)電池的門檻很高，難度很大，切莫急功近利，否則欲速不達。”

科技巨變時代，顛覆與被顛覆輪翻上演。日本豐田等跨國車企在新能源汽車當前發(fā)展階段的失利，主要被歸因于“點錯科技樹”。這固然致命，卻未必全面。市場等多方因素把哪個選項變成正確答案，也很關(guān)鍵。有專家就曾指出，問題不是供給端，而在需求端。當顛覆與被顛覆攻守異勢，中國這場動力電池頭把交椅的守“位”戰(zhàn)也正演變成技術(shù)、市場等綜合實力的多方博弈，更艱巨緊張，也更加精彩。