歐陽明高：警惕激進(jìn)型全固態(tài)電池的顛覆風(fēng)險(xiǎn)

■本刊記者 余璇/ 編輯 王睿佳

“10 年來動(dòng)力電池能量密度提升3 倍，成本下降80%以上，我國電池產(chǎn)量占全球近70%，但也面臨產(chǎn)能過剩、行業(yè)內(nèi)卷的現(xiàn)狀。2023 年鋰離子電池價(jià)格腰斬，盈利的動(dòng)力電池企業(yè)只有兩三家。當(dāng)前行業(yè)需要提質(zhì)增效，用創(chuàng)新技術(shù)穿越周期。”1 月22日，在“中國全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺”成立大會(huì)暨中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇上，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高指出。

在歐陽明高看來，當(dāng)前超級快充、低溫續(xù)航、體積能量密度等新需求雖有技術(shù)方案，但也面臨技術(shù)門檻不斷提高的挑戰(zhàn)。我國需要跨越創(chuàng)新周期，迎接國際新一輪電池技術(shù)競爭。

目前全球全固態(tài)電池的研發(fā)現(xiàn)狀是怎樣的？我國全固態(tài)電池發(fā)展前景如何？歐陽明高進(jìn)行了深入闡述與分享。

全固態(tài)電池研發(fā)的全球“執(zhí)念”

關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)的研究，我國在前期做了大量的基礎(chǔ)工作，但無論是氮化鋰、硫化物還是鹵化物，都尚未達(dá)到理想狀態(tài)。

“這些固態(tài)電解質(zhì)制成的電池一直無法滿足實(shí)用要求。”歐陽明高坦言，直到1992年，隨著液態(tài)鋰離子電池誕生并迅速產(chǎn)業(yè)化，液態(tài)鋰離子逐步應(yīng)用于電動(dòng)汽車，隨后引發(fā)了新能源汽車革命。

歐陽明高表示，近10年來，以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為代表的新型固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展迅猛，離子電導(dǎo)率甚至超過液態(tài)電解質(zhì)。

據(jù)介紹，2011年，東京工業(yè)大學(xué)Ryoji Kanno教授課題組合成了一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)Li10GeP2S12（LGPS），有效增強(qiáng)了鋰離子電導(dǎo)率，甚至電導(dǎo)率與有機(jī)電解液基本相當(dāng)，但該固態(tài)電解質(zhì)中含有鍺元素，成本比較高。

“目前已經(jīng)發(fā)展了成本較低的硫化物固態(tài)電解質(zhì)，其中鋰磷硫氯是應(yīng)用比較多的。”歐陽明高表示，在Ryoji Kanno 教授課題組合成的固態(tài)電解質(zhì)出現(xiàn)后，2012年，豐田試制了全固態(tài)電池，隨后不斷有企業(yè)加入，從而引發(fā)了新一輪全固態(tài)電池的全球競爭。

“現(xiàn)在大家越來越有共識，全固態(tài)電池是公認(rèn)的下一代電池的首選方案之一，被列入中國、美國、歐盟、日本、韓國等主要地區(qū)的發(fā)展戰(zhàn)略，也成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點(diǎn)。”歐陽明高強(qiáng)調(diào)。

據(jù)了解，從全球全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局來看，我國企業(yè)占比最多，其次是日本。

日本方面，在全固態(tài)電池領(lǐng)域耕耘多年，技術(shù)創(chuàng)新不斷加速，量產(chǎn)時(shí)間表逐漸明確，雖然全固態(tài)電池企業(yè)不多，但實(shí)力很強(qiáng)。

“日本應(yīng)該說是舉國家之力推動(dòng)全固態(tài)電池商業(yè)化，他們也有‘官—產(chǎn)—學(xué)’聯(lián)盟，豐田、本田、日產(chǎn)等企業(yè)既做全固態(tài)電池研發(fā)，也在做整車生產(chǎn)，在電池與整車性能匹配結(jié)合方面比較有優(yōu)勢。”歐陽明高稱。

美國方面，以初創(chuàng)公司為主，加速全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，歐洲則是主要和美國的創(chuàng)業(yè)企業(yè)合作。

“美國與日本不同，基本上是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)，美國一向是以創(chuàng)業(yè)企業(yè)為主導(dǎo)的。”歐陽明高分析稱。

談及創(chuàng)業(yè)公司的資金支持，歐陽明高表示，美國創(chuàng)業(yè)公司一方面靠股市支撐，另外一方面靠歐洲車廠支撐。

此外，韓國全固態(tài)電池企業(yè)數(shù)量也不多，但是LG 新能源、三星SDI 和SK On 三大電池企業(yè)力量很強(qiáng)，目前正持續(xù)投入研發(fā)，開始建設(shè)全固態(tài)電池生產(chǎn)線。

“韓國應(yīng)該說是目前全球位居第二的電池產(chǎn)業(yè)大國，雖然其電池企業(yè)不多，但是有三家企業(yè)實(shí)力是很強(qiáng)的，在全固態(tài)電池方面這三家企業(yè)都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。尤其是三星，現(xiàn)在國內(nèi)還有很多企業(yè)在復(fù)現(xiàn)其做出的全固態(tài)電池。”歐陽明高坦言。

據(jù)分析，目前全球全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)路線不止一家公司布局，而是許多具有實(shí)力的公司集體布局，預(yù)計(jì)產(chǎn)業(yè)化時(shí)間集中在2027—2030年。換而言之，聚焦在這個(gè)時(shí)間，是有一定共識的。

亟須研發(fā)全固態(tài)電池鞏固產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢

那么，我國要不要發(fā)展全固態(tài)電池？這是歐陽明高闡述的關(guān)鍵問題。

“因?yàn)槿虘B(tài)電池具有技術(shù)顛覆的性能潛力，不是說它有這個(gè)能力，是有這個(gè)潛力。”歐陽明高認(rèn)為。

一是高安全性。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攝氏度，液態(tài)電解質(zhì)100攝氏度就要蒸發(fā)，所以硫化物固態(tài)電解質(zhì)增加了200攝氏度的安全空間，對正常工作范圍更有安全保障。

二是高能量密度。雖然現(xiàn)在并沒有實(shí)現(xiàn)高能量密度，但全固態(tài)電池有這個(gè)潛力。不論是從單體電池，還是從電池模組的角度都有這個(gè)潛力，因?yàn)槠淇梢宰龀呻p極板，從單體和模組兩方面都可以提升能量密度。

三是高功率特性。現(xiàn)在液態(tài)鋰離子電池的離子傳導(dǎo)被稱為運(yùn)載模式，整個(gè)過程需要溶劑化再脫溶劑化，通俗講就是離子在液態(tài)電解質(zhì)中移動(dòng)需要“坐船”。但是鋰離子在固態(tài)電解液中是跳躍模式，傳導(dǎo)速率更高，充電速度也大幅度提高，這就是高功率特性。這種快充和現(xiàn)在的快充相比將會(huì)大不一樣，不會(huì)因?yàn)槌潆娝俣忍於鲣嚒?/p>

四是溫度適應(yīng)性。現(xiàn)在液態(tài)電池在低溫環(huán)境下續(xù)航里程不理想，是因?yàn)橐簯B(tài)電解質(zhì)中鋰離子電導(dǎo)率和溫度直接相關(guān)，全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30 攝氏度到100 攝氏度范圍內(nèi)都不會(huì)凝固、氣化，所以溫度適應(yīng)性更好，不需要很復(fù)雜的熱管理，也不會(huì)因?yàn)楹潆姵厝萘看蠓陆怠?/p>

五是材料選擇范圍更廣。固態(tài)電池的電化學(xué)窗口更寬，可以把不同特性結(jié)合起來，制作成電化學(xué)窗口很寬的電池，進(jìn)一步提升電壓。

“以上這些特性可以同時(shí)滿足，不像液態(tài)電池一方面性能好了，另外一方面性能就不好了。比如充電倍率性能提升了，可能循環(huán)壽命就降下來了。但固態(tài)電池不是這樣的，如果充電倍率性能提升，循環(huán)壽命反而會(huì)有增長趨勢。所以全固態(tài)電池是動(dòng)力電池重要的發(fā)展方向之一。”歐陽明高強(qiáng)調(diào)。

記者了解到，目前我國固態(tài)電池技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化，以固液混合為主，國際上多以全固態(tài)為主。固液混合主要是氧化物和聚合物電解質(zhì)等結(jié)合，硫化物在國內(nèi)并不是主導(dǎo)技術(shù)路線。當(dāng)前國內(nèi)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈比較完整，部分主流電池企業(yè)都在做固液混合、半固態(tài)電池，也有企業(yè)在嘗試裝車。半固態(tài)電池的特點(diǎn)是固液混合電化學(xué)原理，與液態(tài)鋰離子電池相同，不屬于顛覆性技術(shù)，是提升安全性的技術(shù)之一。目前半固態(tài)電池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命等問題仍需解決。

從全行業(yè)看，目前我國既要發(fā)展?jié)u進(jìn)型半固態(tài)技術(shù)路線，又要防范激進(jìn)型全固態(tài)技術(shù)路線帶來的顛覆性風(fēng)險(xiǎn)。

“目前我國是電池發(fā)展的領(lǐng)先國家，就算全固態(tài)電池2030 年能產(chǎn)業(yè)化，要想替代液態(tài)鋰離子電池50%市場份額也需要20 到30 年。”歐陽明高指出，就像電動(dòng)汽車也就只替代了30%，全球就驚呼中國電動(dòng)汽車要領(lǐng)先了。不需要到50%，到1%就已經(jīng)預(yù)警了。2016 年，新能源汽車市場占有率達(dá)到1%的時(shí)候，全球就開始向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向。對于汽車技術(shù)而言，1%是很重要的市場份額，不需要替代到50%，替代1%就已具有突破性意義。

歐陽明高表示，現(xiàn)在，我國液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展成就輝煌，10 年來能量密度提升3 倍，成本下降80%以上，電池產(chǎn)量接近全球70%，可是如今電池行業(yè)也面臨產(chǎn)能過剩、行業(yè)內(nèi)卷。

一方面是低成本電池的成本不斷下降，且技術(shù)門檻越低，涌進(jìn)來的人就越多，但仍沒有完全滿足電動(dòng)車客戶的需求。比如超級快充350千瓦以上，怎么在全壽命周期內(nèi)不析鋰、不影響壽命、不發(fā)生安全事故，這是很大的挑戰(zhàn)。其次，低溫續(xù)航也是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，還要進(jìn)一步提升體積能量密度。

另一方面，鋰離子電池技術(shù)創(chuàng)新周期大概是30年，第一個(gè)10 年，從手機(jī)電池到動(dòng)力電池，現(xiàn)在還在繼續(xù)解決安全問題。近10 年來，智能化技術(shù)逐步在電池行業(yè)應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)卷亟須數(shù)字化轉(zhuǎn)型提質(zhì)降本增效，電池全生命周期期待全鏈條智能化。

在歐陽明高看來，下一個(gè)10年，或者現(xiàn)在已經(jīng)開始的10年，是材料換代的10年。

“由于磷酸鐵鋰和三元電池材料創(chuàng)新，鋰離子電池成為動(dòng)力電池的主流，現(xiàn)在又到了新一輪材料創(chuàng)新周期，這個(gè)周期要到2030年左右，也就是說，全固態(tài)電池有可能2030 年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”歐陽明高預(yù)測。

面對國內(nèi)外競爭加劇，雖然我國電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)良好態(tài)勢，但仍要居安思危。歐陽明高認(rèn)為，電池行業(yè)發(fā)展方向是低碳化、智能化、固態(tài)化。

協(xié)同創(chuàng)新破解全固態(tài)電池技術(shù)難題

“全固態(tài)電池目前面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學(xué)科特性，技術(shù)門檻極高，包括材料、界面、工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)備等。”歐陽明高指出。

首先，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化仍然面臨一系列的科學(xué)難題，需要從關(guān)鍵材料、界面、復(fù)合電極、單體電池不同層面進(jìn)行解決。

“比方說材料層次，硫化物電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性很差，批量生產(chǎn)很難。基礎(chǔ)硫化鋰很貴，首先要把這個(gè)價(jià)格壓下去。現(xiàn)在自己做比買要便宜80%，所以做硫化鋰需要把規(guī)模做上去，把成本壓下來。”歐陽明高舉例稱。

其次，全固態(tài)電池的工藝設(shè)備面臨挑戰(zhàn)，必須與設(shè)備廠商同步。“全固態(tài)電池制作如果用濕法工藝，大概能保留一半的現(xiàn)有設(shè)備。如果用干法工藝，三分之二的設(shè)備都不能用了，要用新設(shè)備，所以必須要與設(shè)備廠商同步。”歐陽明高解釋稱。

再次，產(chǎn)業(yè)鏈面臨風(fēng)險(xiǎn)，歐陽明高認(rèn)為，我國電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侨蜃顝?qiáng)大的，現(xiàn)在如果做全固態(tài)電池，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(huì)受到巨大沖擊。

“中國全固態(tài)電池的研發(fā)目前來看認(rèn)識還不統(tǒng)一、力量比較分散、產(chǎn)學(xué)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)。”歐陽明高呼吁。

“我們已經(jīng)處于一個(gè)新的時(shí)代，人工智能的時(shí)代，不要用過去推論未來，這個(gè)時(shí)代會(huì)顛覆材料的創(chuàng)新模式。”歐陽明高表示，人工智能正在改變材料的研發(fā)范式，將大幅度加速全固態(tài)電池的研發(fā)速度，這為2030 年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性。

展望我國動(dòng)力電池材料體系的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，歐陽明高判斷，未來既要低成本電池，也要高比能電池，要兩頭發(fā)力。在2030年左右全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破的可能性極大，我們要全力以赴，只爭朝夕，要有緊迫感，共同努力實(shí)現(xiàn)中國電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)引領(lǐng)全球。■