中國粉體網(wǎng)訊 全固態(tài)電池是公認(rèn)的下一代電池首選方案之一，被中國、美國、日本、韓國等國家列入重要發(fā)展戰(zhàn)略，已成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點(diǎn)。
1、全固態(tài)電池機(jī)遇來臨 商業(yè)化驟然加速
2023年全球動力電池裝車歷史首次突破700GWh，同比增長38.6%。全球儲能鋰電池出貨量為225GWh，同比增長50%。
2023年，國內(nèi)共有15個固態(tài)電池項(xiàng)目擴(kuò)產(chǎn)，投資總額超千億元。根據(jù)中國化學(xué)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(dá)到220GWh，2024—2030年需求量的年復(fù)合增長率將達(dá)到114%。
2、固態(tài)電池或是未來鋰電的終極形態(tài)
固態(tài)電池可能是未來鋰電的終極形態(tài)，正在成為一種行業(yè)共識。固態(tài)電池是一種新型電池技術(shù)，采用具有高離子傳導(dǎo)性、穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)取代易燃、易爆的有機(jī)電解液，能夠大幅度提升電池的本征安全性，拓寬電池應(yīng)用場景。
數(shù)據(jù)顯示，目前主流的液態(tài)鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg之間，而固態(tài)鋰電池的能量密度最高可達(dá)500Wh/kg，工作溫度范圍可擴(kuò)展至-50~200℃，充電時間縮短至液態(tài)鋰電池的1/3。固態(tài)電池可沿用液態(tài)鋰電池材料體系，且機(jī)械和化學(xué)特性更加穩(wěn)定，無電解液泄露、干涸等問題，預(yù)計量產(chǎn)成本或?qū)H為目前液態(tài)鋰離子電池的30%，被視為未來新能源汽車的最佳電池解決方案。
3、固態(tài)電池技術(shù)難點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)痛點(diǎn)、發(fā)展趨勢
技術(shù)難點(diǎn)：固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致電導(dǎo)率低及固-固界面穩(wěn)定性差
固態(tài)電池由于采用固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低，使電池充放電速度較慢和容量衰減較快，且相較于固-液接觸，固-固界面接觸性和穩(wěn)定性更差。此外，高剪切模量無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)也不能完全阻止鋰枝晶生長。換言之，離子電導(dǎo)率為首要核心指標(biāo)，而不同的固態(tài)電解質(zhì)性能也各有優(yōu)劣，具體開發(fā)路線還需考慮綜合性能的影響。
動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢
不同種類固態(tài)電解質(zhì)的性能特點(diǎn)
氧化物固態(tài)電解質(zhì)（如石榴石型LLZO、NASICON型LATP等）對環(huán)境空氣和高溫狀態(tài)更穩(wěn)定，但界面阻抗較大，容易生長鋰枝晶。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)（如晶態(tài)鋰鍺磷硫LGPS）離子電導(dǎo)率高于氧化物，但其制備方法復(fù)雜，環(huán)境穩(wěn)定性差，生產(chǎn)成本高。在全球范圍內(nèi)，現(xiàn)階段固態(tài)電池主要以全固態(tài)電池為主導(dǎo)，其中硫化物電解質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)機(jī)械加工性能優(yōu)、黏彈性好，但其室溫離子電導(dǎo)率低，導(dǎo)致電池倍率性能差。
經(jīng)濟(jì)性痛點(diǎn)：高科技電極新材料生產(chǎn)難度大且價格高昂
目前固態(tài)電池部分原材料未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，電池電極材料成本高，如采用石墨負(fù)極的硫化物固態(tài)電池材料成本最高，達(dá)到137.9美元/kWh，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰電池93.2美元/kWh，且所需的電極材料均是高科技新材料，既需要科技進(jìn)步降低生產(chǎn)難度，也需要時間由市場消化高昂的價格使其被廣泛使用。不過采用鋰負(fù)極可大幅降低固態(tài)電池成本，提升產(chǎn)品競爭力。
發(fā)展趨勢：原材料實(shí)現(xiàn)迭代升級
原材料實(shí)現(xiàn)迭代升級是主流趨勢，固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用將按“固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極”形式呈現(xiàn)梯次滲透。核心在于引入新材料體系：負(fù)極材料將從石墨向硅基負(fù)極、含鋰負(fù)極，金屬鋰負(fù)極升級；正極材料從高鎳三元，向高電壓高鎳三元、超高鎳三元，再向尖晶石鎳錳酸鋰、層狀富鋰基等新型正極材料迭代升級。
4、國內(nèi)外固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)路徑分析
目前國際上主要研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)也均以氧化物和硫化物這兩種技術(shù)路線為主要突破方向。氧化物體系分為薄膜和非薄膜類，前者開發(fā)重點(diǎn)在于容量的擴(kuò)充與規(guī)�；a(chǎn)，后者綜合性能較好，是當(dāng)前研發(fā)的重點(diǎn)方向；硫化物體系處于發(fā)展空間巨大與技術(shù)水平不成熟的兩極化局面，亟需解決安全性等問題。
從國外來看，固態(tài)電池研發(fā)路線各異。日本選擇了硫化物路線，研發(fā)布局最早，技術(shù)和專利全球領(lǐng)先，打造了高校、車企和電池廠共同研發(fā)的體系，力爭2030年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，能量密度目標(biāo)為500Wh/kg。日立造船在2023年開發(fā)出容量5000mAh的全固態(tài)鋰電池“ASLiB”。
韓國選擇氧化物和硫化物路線并行，政府提供稅收抵免支持固態(tài)電池研發(fā)，疊加動力電池巨頭聯(lián)合推進(jìn)，目標(biāo)是于2025—2028年開發(fā)出能量密度為400Wh/kg的商用技術(shù)，2030年完成裝車。LD新能源曾表示2026年前實(shí)現(xiàn)聚合物半固態(tài)電池商業(yè)化，同步研制基于硫化物的全固態(tài)電池。
歐洲國家以聚合物路線為主，同時布局硫化物路線，其中德國研發(fā)布局投入最大。美國全路線布局，由能源部出資，初創(chuàng)公司主導(dǎo)研發(fā)，并與眾多車企達(dá)成合作，目標(biāo)在2030年能量密度達(dá)到500Wh/kg。
Solid Power于2023年向?qū)汃R集團(tuán)交付用于測試的全尺寸汽車電芯，并計劃在2028年將電解質(zhì)材料產(chǎn)能增至4萬噸/年。Bollore曾表示全球最早實(shí)現(xiàn)聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池商業(yè)化裝車，累計投入3000輛搭載30kWh固態(tài)電池的電動汽車。Quantum Scape曾表示2023年開始試產(chǎn)部分固態(tài)電池，2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
國內(nèi)有部分新型固態(tài)電池企業(yè)集中于氧化物和硫化物，另一部分企業(yè)選擇固液混合技術(shù)作為過渡方案使用。2023年臺灣輝能發(fā)布100%硅負(fù)極LCB固態(tài)電池，到2024年1月，臺灣輝能科技宣布全球首條固態(tài)電池生產(chǎn)線已正式投產(chǎn)，固態(tài)電池的樣品已發(fā)到各大新能源車企進(jìn)行測試、開發(fā)模塊。
寧德時代2023年4月19日發(fā)布凝聚態(tài)電池，能量密度500Wh/kg，2023年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)能力。2023年7月，寧德時代與商飛合資設(shè)立商飛時代，擬將凝聚態(tài)電池用于載人航空。國軒高科400Wh/Kg的三元半固態(tài)電池目前在公司實(shí)驗(yàn)室已有原型樣品，并于2022年底實(shí)現(xiàn)小批裝車。蜂巢能源2022年7月成功研發(fā)20Ah級硫系全固態(tài)原型電芯。贛鋒鋰電2023年江西新余已具備2GWh固態(tài)電池產(chǎn)能，2023年供應(yīng)賽力斯固態(tài)純電SUV即將上市。
從電池企業(yè)進(jìn)展看，固態(tài)電池的研發(fā)到量產(chǎn)時間大都接近或略早于2030年。但據(jù)粉體網(wǎng)編輯了解，國內(nèi)外知名性能源車企卻較為統(tǒng)一的表示固態(tài)電池的批量應(yīng)用時間在2030年前后，甚至更晚一些。也有專家表示，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，這對2030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。
參考來源：
張春英，等：固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述，中國一汽無錫油泵油嘴研究所
楊貴永，等：固態(tài)電池發(fā)展態(tài)勢及研判，吉利汽車研究院(寧波)有限公司
國聯(lián)證券、國信證券、人民網(wǎng)、中國能源報、各公司官網(wǎng)等
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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