固態電池興起，中國還能領先嗎？

秦翔昊

圖/視覺中國

一年一度的春運大潮下，堵車、充電排隊時間長，成為所有開純電動汽車返鄉人的煎熬。

如何讓純電動汽車可以跑上1000多公里，如何讓純電動汽車可以在城際出行中提供最大便利性成為所有消費者的殷切需求。當液態電池逼近化學體系的最高閾值時，固態電池成為所有車企和電池企業的關注點，其中全固態電池被認為是可能顛覆電動汽車產業的新電池技術。

全固態電池是所有部件均為固態物質的電池，尤其是現在使用的液態電解質要替換為固態電解質。

中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高在“中國全固態電池產學研協同創新平臺”（以下簡稱CASIP）的揭牌儀式上對《財經》表示，全固態電池是下一代電池首選方案之一，日、韓、美、歐都在大力研究，是下一代電池技術競爭的關鍵制高點。

因此，如何打贏下一場電動化之戰，如何讓消費者更愿意接受純電動汽車，這是中國學界和產業界的新命題。

根據2024年汽車之家和新浪汽車發布的《新能源汽車用戶用車焦慮洞察報告》顯示，消費者在購買新能源車時最主要的三個考慮點包括電池未來更換成本高、續航里程不足以及安全性能差。

具體到續航方面的擔憂，新能源車主最關注的是在高、低溫條件下的能耗增加，這一點的占比最高，達到36%。此外，對于未來續航的衰減也有較大的擔憂。

除此之外，充電相關的問題也引起了車主廣泛關注，例如充電排隊等候時間長、快充時間長以及公共充電樁的適配問題等。

安全性能方面，用戶最擔心的是電池安全問題，特別是擔心因碰撞或高溫環境導致的電池起火問題，這方面的擔憂占比分別高達81%和67%。而受客觀規律的限制，現階段的動力電池，即便再安全，在極端條件下都有可能燃燒起火。

“高安全性”和“高充電速度”似乎是解決電動車車主各種焦慮的終極答案。

東風汽車集團有限公司研發總院副院長史建鵬在“中國全固態電池產學研協同創新平臺”成立大會上表示，“電池的發展應該是30年一個迭代。”

歐陽明高也認為“我們到了新一輪的材料創新周期，這個周期是2030年左右”。如此估計，全固態電池的商用在六年后就要到來了。

當下新能源車動力電池在外形上看上去是固體，但是電池內部充滿了液態的電解質，在這類電池中，正極和負極材料通過一種液態的電解質導通鋰離子傳輸，而電解質通常是一種含有鋰鹽的有機溶劑。

以鋰電池為例，當電池充電時，正極釋放鋰離子，這些鋰離子通過電解液移動到負極并嵌入其中。放電時，過程逆轉，鋰離子從負極釋放并移動回正極。目前廣泛裝車的動力電池以鋰電池為主。

鋰電池的關鍵優勢在于其較高的能量密度和成熟的制造工藝。然而，液態電解質的缺點是有潛在的安全風險，如泄漏、過熱甚至起火。

鋰電池本身的充放電也會在電池內部生成鋰枝晶，經過多次充放電逐漸生長的鋰枝晶有可能會戳破電池的隔膜，直接連接電池正負極，造成電池短路，并起火爆炸。盡管化學性質較穩定的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）與三元鋰電池相比有著更高的安全性，但犧牲了一定的能量密度。

無論是三元鋰還是磷酸鐵鋰電池，在極端條件下都會起火，而鋰電池的電解質在燃燒時還會分解形成氧氣，讓燃燒更加猛烈，一旦鋰電池起火，人們所能做的只有等待它徹底燒完。消防隊趕到也只能澆水降溫。

為了解決液態電池安全問題，電池企業努力從電池的制作材料、管理系統和結構設計上保障電池的安全，但仍然突破不了化學材料和物理規律的束縛。

資料來源：汽車之家研究院。制圖：張玲

而全固態電池則不同，全固態電池與傳統液態鋰離子電池的主要區別在于電解質的狀態。全固態電池使用的是固態電解質，而不是液態的。

全固態電池的優勢包括更高的安全性、更長的使用壽命和更高的能量密度。它也能在更廣泛的溫度范圍內運行。因為電解質都是固態的，所以不存在泄漏引燃的問題，即便遇到鋰枝晶戳破隔膜也沒有問題，而固態電解質還有利于鋰離子更好地在正負極之間穿梭，能量密度和充放電功率也大大提升。

雖然全固態電池具有高安全性、高能量密度、長使用壽命的優點，但其商業化和產業化難點重重。

目前全固態電池的挑戰在于制造工藝復雜、成本較高。盡管已經有部分車輛安裝了固態電池，但總的來說固態電池目前還處于研發階段，離大規模生產和商用還有一定距離。

要做好全固態電池首先要解決材料問題。全固態電池需要找到具有高離子導電性、高穩定性的固態電解質材料，并且需要追求成本效益。

從上世紀70年代開始，國內外許多科學家就做了大量有關固態電解質的基礎研究工作，早期的固態電解質為氮化鋰、氧化物等，后續還出現了硫化物、鹵化物等固態電解質。目前的全固態電池電解質主要有三種：聚合物、硫化物和氧化物。

以硫化物為例，初期硫化物電解質的性能并不是很好，但近十年來硫化物固態電解質發展迅猛，離子導電率甚至趕超了液態電解質。硫化物的離子導電率最高，且材料較軟能夠更好地與電極結合。

目前國外的企業中，日韓企業走硫化物路徑為主，如QuantumSpace的歐美企業以氧化物路線為主。

《A Performance and Cost Overview of Selected Solid-State Electrolytes： Race between Polymer Electrolytes and Inorganic Sulfide Electrolytes》論文數據顯示，一種名為Li10GeP2S12的硫化物固態電解質的成本為695美元/10克。相比之下，液態電解質的成本僅為0.012美元/千克。兩者成本相差約5000多倍。

國家動力電池創新中心副主任、國聯汽車動力電池研究院有限責任公司副總經理王建濤也表示，固態電解質的降本還是依賴于產業鏈前端原材料成本的突破。他還表示，硫化物電解質化學穩定性、空氣穩定性很差，批量生產很難。

同時，硫化物固態電解質容易受潮，受潮后產生的硫化氫是劇毒物質，對人體健康危害極大，為此硫化物的防潮工作尤為重要，目前可以通過摻氧的方式提高硫化物的穩定性。

其次是固固界面挑戰。這一挑戰主要在于固態電解質與電極之間的接觸和兼容性。電池都有正負極，正負極一旦接觸電池都會短路并釋放大量的能量。而全固態電池既要保證固態電解液的導電性又要確保不會短路。

理想的界面應具有良好的電化學穩定性、高離子傳導性和低電子傳導性。由于固態材料之間很難做到完美貼合，導致電極與電解質之間的界面阻抗較高。這個問題會影響鋰離子的傳輸效率，從而影響電池的整體性能，所以尋找到一個合適的界面非常重要。

要完成這一點需要研究出更高性能的正負極材料和復合電解質膜，可謂是“三位一體”的工程。用中國科學院物理研究所研究員李泓的話說，固固接觸是全固態電池研究“最核心的難題”。

第三是制造挑戰。盡管目前已有許多關于全固態電池的研究，但要讓全固態電池從實驗室研究向工業化生產轉變面臨多重挑戰。

在大規模生產中保持電池組件的一致性、如何降低生產成本以及如何確保生產過程的可靠性和可重復性，都是走出實驗室前急需解決的問題。

此外，全固態電池的生產工藝對現有的制造設備和流程提出了新的要求，設備的更新換代在所難免。

工信部裝備工業一司副司長郭守剛在CASIP成立大會上表示，日、韓、美、歐等國家和地區，在紛紛加大力度、加緊布局全固態電池產業。

中國目前在傳統鋰離子電池領域具有競爭優勢，但在全固態電池方面，歐美和日韓企業可能處于更領先的研發地位。

表：不同材料類型電池其成本和安全性不同

從專利數量來看，中國企業跟這些外國企業就有不小差距。豐田以1300多項專利位居世界第一，而專利數量前十的企業也均為日、韓、歐、美國家的企業。從固態電解質材料選擇方向來看，中國公司和歐美公司稱多元化發展方向，而日韓企業則專注于硫化物路線。

從日本市場來看，日本是“舉國家之力推動全固態電池商業化”。據全國政協常委、經濟委員會副主任苗圩介紹，日本有“官-產-學聯盟”，豐田、本田、日產目前在全球既做全固態電池研發又搞整車生產，在電池與整車性能匹配結合方面會比較有優勢。并且日本主攻硫化物技術路徑，有豐富的技術積累。

韓國的電池廠商比車企更積極地推動全固態電池的生產，都有各自的目標和計劃，而韓國在2021年就公布了“K-電池發展戰略”，旨在使韓國成為下一個二次電池產業的世界領先者。韓國三大電池生產企業宣布計劃到2030年，對該產業投資40萬億韓元（約合2144億元人民幣）。憑借著豐富的技術積累和巨大的投資，韓國也在全固態電池領域走在前列。

歐陽明高表示，韓國這三家電池廠在全固態電池方面都取得了實質性進展，尤其是三星，現在國內還有很多單位在復現它們做出的全固態電池。

歐美方面的全固態電池發展模式，主要是美國電池初創企業跟歐洲汽車公司進行合作的模式。如風頭正盛的兩家美國初創公司Solid Power和Quantum Space就分別選擇了和寶馬、大眾集團合作。

其中Quantum Space還在2023年公開了“電池循環1000周，能量保持率95%”的全固態電池循環數據，著實狠狠秀了一把肌肉，也讓自己的股價節節攀升。

同時據媒體報道，大眾集團還“押寶”了另一家法國集團Bollore旗下的電池公司Blue solution。而早在2011年，該公司就推出過一款聚合物固態電池電動車，但該車啟動前還需先將電池加熱到60攝氏度才能工作，且仍存在傳統電池安全問題，離“電動車終極形態”相差甚遠。

面對全球新能源汽車市場的激烈競爭，中國全固態電池技術的發展正處于關鍵的十字路口。在過去十年里，中國雖然在鋰電池的技術創新和市場應用上實現了“彎道超車”，但是在全固態電池的技術突破和生產應用上仍需克服重重困難。