在2024年德國(guó)國(guó)際煙草和煙具貿(mào)易博覽會(huì)上，惠州億緯鋰能股份有限公司展出凝膠態(tài)電池。
續(xù)航更長(zhǎng)、“體重”更輕、安全性更強(qiáng)、循環(huán)壽命更長(zhǎng)……固態(tài)電池好處很多。和傳統(tǒng)電池電芯采用液態(tài)電解質(zhì)和隔膜不同，固態(tài)電池電芯用的是固態(tài)電解質(zhì)。近年來(lái)，市場(chǎng)對(duì)高性能電池的需求日益增加，作為下一代電池技術(shù)的“明星”，固態(tài)電池賽道吸引了大量資金和技術(shù)投入，商業(yè)化進(jìn)程不斷提速。
目前固態(tài)電池研發(fā)取得了哪些突破?距離量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)?難點(diǎn)在哪?記者探訪(fǎng)相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu)，了解固態(tài)電池的發(fā)展故事。
優(yōu)勢(shì)多 前景廣
“準(zhǔn)備就緒，起飛，開(kāi)始計(jì)時(shí)!”飛速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳撥弄著風(fēng)聲，一架白色涂裝的飛行器垂直沖上云霄，視野里的樹(shù)木、道路、場(chǎng)地越來(lái)越小。
在飛行測(cè)試基地，搭載“獵鷹”鋰金屬固態(tài)電池的電動(dòng)垂直起降飛行器(eVTOL)億航EH216按照既定路線(xiàn)完成高功率起飛、巡航、懸停等動(dòng)作后，緩緩降落在地面上。
48分10秒!機(jī)艙屏幕上的時(shí)間，定格了一個(gè)新紀(jì)錄。深圳欣界能源科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“欣界能源”)總裁孫立很興奮：“這場(chǎng)飛行共持續(xù)了48分10秒!創(chuàng)下載人eVTOL續(xù)航時(shí)長(zhǎng)的新紀(jì)錄，相較行業(yè)現(xiàn)有水平取得大幅提升。”
孫立介紹，“獵鷹”電池的單體能量密度達(dá)到480Wh/kg，比傳統(tǒng)電池提升1倍以上。采用創(chuàng)新材料體系，電池安全性也更有保障。
“獵鷹”鋰金屬固態(tài)電池是欣界能源研發(fā)的新產(chǎn)品，每千克電芯可釋放出480瓦時(shí)的電能。業(yè)界認(rèn)為，固態(tài)電池的能量密度一般應(yīng)達(dá)到400Wh/kg，而目前市面上主流的鋰離子電池能量密度約在150—250Wh/kg之間。從能量密度上看，固態(tài)電池具有很大優(yōu)勢(shì)。
固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)還不止于此。在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)鋰電池往往容易出現(xiàn)續(xù)航縮短、性能下降現(xiàn)象。而固態(tài)電池適應(yīng)極端溫度的能力更加出色，即使在寒冷的冬季也可以保證正常使用。“這款電池的使用溫域比較寬，一般鋰電池的工作溫度在0℃到60℃之間，固態(tài)電池在-40℃到150℃都可以使用。”孫立介紹。
隨著飛行汽車(chē)、電動(dòng)垂直起降飛行器、城市空中交通(UAM)的發(fā)展，固態(tài)電池有望成為低空飛行載具的一項(xiàng)主流電池技術(shù)，為固態(tài)電池下游應(yīng)用打開(kāi)市場(chǎng)空間。
除了低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，固態(tài)電池在新能源汽車(chē)、3C數(shù)碼、儲(chǔ)能、深海探測(cè)等領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出不俗的潛力。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年全球固態(tài)電池需求量為17.3GWh，到2030年有望超過(guò)200GWh的市場(chǎng)規(guī)模，2025年至2030年年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)65.8%。
數(shù)據(jù)顯示，截至今年11月，國(guó)內(nèi)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)已超過(guò)200家;近4年固態(tài)電池行業(yè)投擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃金額超2000億元，規(guī)劃產(chǎn)能超過(guò)400GWh，若以純電動(dòng)汽車(chē)每輛80千瓦時(shí)的電池容量測(cè)算，可裝車(chē)500萬(wàn)輛。
業(yè)內(nèi)人士告訴記者：“固態(tài)電池突破了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池面臨的一些瓶頸，具有高能量密度和優(yōu)異的安全性，在電動(dòng)汽車(chē)及高端消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，固態(tài)電池的應(yīng)用前景廣闊。”
一場(chǎng)攻關(guān)“馬拉松”
作為下一代電池技術(shù)的“明星”，固態(tài)電池賽道吸引到大量的真金白銀和技術(shù)投入。
在固態(tài)電池這條新賽道，不少企業(yè)立下“軍令狀”：比亞迪計(jì)劃2027年小批量生產(chǎn)硫化物全固態(tài)電池，并在2030年將其應(yīng)用于主流電動(dòng)車(chē)型;寧德時(shí)代擬于2027年達(dá)到小批量生產(chǎn)全固態(tài)電池水平;億緯鋰能計(jì)劃2026年取得工藝突破、2028年實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，推出400Wh/kg高比能全固態(tài)電池;國(guó)軒高科計(jì)劃2027年固態(tài)電池小批量上車(chē)實(shí)驗(yàn)，2030年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn);長(zhǎng)安汽車(chē)計(jì)劃在2030年推出液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)等8款自研電芯。
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，2030年或是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。但是，目前固態(tài)電池離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚有一段差距。
從技術(shù)上看，固態(tài)電池的研發(fā)之路還面臨著不少挑戰(zhàn)。這場(chǎng)比新比強(qiáng)的技術(shù)競(jìng)賽，更像是一場(chǎng)需要耐心與毅力的“馬拉松”。
與傳統(tǒng)電池的“固—液界面”相比，“固—固界面”的接觸性和穩(wěn)定性更差，離子傳輸效率相對(duì)較低，這是固態(tài)電池研發(fā)的首要技術(shù)難題。
“固態(tài)電解質(zhì)之間有縫隙就是斷路狀態(tài)，所以怎么把電解質(zhì)無(wú)縫隙地壓到一起，是我們要攻關(guān)的問(wèn)題。”惠州億緯鋰能股份有限公司中央研究院常務(wù)副院長(zhǎng)趙瑞瑞介紹。
不少企業(yè)選擇了一條過(guò)渡線(xiàn)路：半固態(tài)、凝膠態(tài)電池。這兩類(lèi)電池保留了部分電解液，能夠改善界面接觸和電導(dǎo)率問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)與液態(tài)電池相仿，與企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)線(xiàn)的兼容度高。不過(guò)，趙瑞瑞團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)、凝膠態(tài)電池發(fā)熱現(xiàn)象增多，不得不犧牲電池的一部分性能。所以，發(fā)展固態(tài)電池仍然是主流趨勢(shì)。
按照電解質(zhì)的不同，固態(tài)電池的技術(shù)路線(xiàn)可分為聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物等路線(xiàn)。出于多種考量，趙瑞瑞團(tuán)隊(duì)把目光投向硫化物路線(xiàn)。
硫化氫是劇毒物。提起研發(fā)經(jīng)歷，趙瑞瑞的語(yǔ)氣透露著一絲緊張。
做實(shí)驗(yàn)前的第一件事，就是把硫化物電解質(zhì)暴露在空氣中，測(cè)定硫化氫的含量。“為了判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否安全，我們?cè)诿總€(gè)房間內(nèi)都安裝了3個(gè)以上的硫化氫監(jiān)測(cè)探頭，即使有一個(gè)出故障，其他兩個(gè)還能工作。”趙瑞瑞說(shuō)，“每個(gè)人都全副武裝，穿戴好防護(hù)服、防毒面具，但還是有很大的心理壓力。”
經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，預(yù)實(shí)驗(yàn)取得了一些成果，團(tuán)隊(duì)逐漸掌握了硫化物電解質(zhì)的特性，看到了固態(tài)電池研發(fā)的希望。
要讓固態(tài)電池走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，還需克服一個(gè)巨大障礙，那就是成本。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心副研究員鞠江偉向記者介紹：“前期投入大，固態(tài)電池尚未形成規(guī)模，難以實(shí)現(xiàn)從原材料到制備流程的降本。不過(guò)，隨著材料體系、產(chǎn)線(xiàn)裝配逐漸成熟，未來(lái)固態(tài)電池成本會(huì)逐漸降下來(lái)。”
保持信心與耐心
在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化不斷提速的同時(shí)，許多人好奇，中國(guó)的固態(tài)電池研發(fā)在全球競(jìng)爭(zhēng)中處于何種水平?
從固態(tài)電池的研發(fā)歷史來(lái)看，日本、韓國(guó)和一些歐美國(guó)家起步相對(duì)較早，中國(guó)雖入局較晚，但在部分特定領(lǐng)域的技術(shù)專(zhuān)利上并不落后。鞠江偉分析，日本在前期材料的制備合成上研究比較成熟，因此在固態(tài)電解質(zhì)材料方面有不少專(zhuān)利;而在中后期的制膜、疊片、組裝及設(shè)備開(kāi)發(fā)方面，我國(guó)的專(zhuān)利布局比較系統(tǒng)，具有技術(shù)上的領(lǐng)先性。
國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2023年5月，全球固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量為20798項(xiàng)，其中中國(guó)有7640項(xiàng)，占比達(dá)36.7%;2018—2023年，中國(guó)固態(tài)電池全球?qū)＠暾?qǐng)量年均增長(zhǎng)20.8%，增速位列全球第一，中國(guó)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在研發(fā)競(jìng)賽中展現(xiàn)出強(qiáng)勁勢(shì)頭。
作為未來(lái)技術(shù)高地，固態(tài)電池研發(fā)的全球競(jìng)爭(zhēng)十分激烈：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省推出國(guó)家電池戰(zhàn)略，目標(biāo)是在2030年左右實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的全面商業(yè)化;韓國(guó)擬通過(guò)固態(tài)電池打造第二個(gè)“漢江奇跡”;歐盟發(fā)布《電池戰(zhàn)略研究與創(chuàng)新議程》，將固態(tài)鋰電池確定為重點(diǎn)研究主題之一……
因此，中國(guó)要在這場(chǎng)競(jìng)賽中贏得先機(jī)，還需多方主體共同發(fā)力。
“固態(tài)電池研發(fā)投入大，且短期內(nèi)難以收到回報(bào)。從實(shí)驗(yàn)室走向企業(yè)和市場(chǎng)的過(guò)程，需要國(guó)家給予政策支持，并引導(dǎo)龍頭企業(yè)加大研發(fā)力度。”鞠江偉表示。
近年來(lái)，國(guó)家政策密集出臺(tái)，行業(yè)所需已成政策所向：2020年10月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，首次將固態(tài)電池列入行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，并提出加快研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程;2023年1月，工信部等六部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出加強(qiáng)固態(tài)電池標(biāo)準(zhǔn)體系研究;今年6月，工信部發(fā)布《2024年汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》，明確提出圍繞固態(tài)電池、電動(dòng)汽車(chē)換電、車(chē)用人工智能等新領(lǐng)域，前瞻研究相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)子體系，支撐新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式創(chuàng)新發(fā)展……
趙瑞瑞認(rèn)為，在現(xiàn)有政策支持的基礎(chǔ)上，還應(yīng)針對(duì)電池研發(fā)出臺(tái)一些規(guī)范或指導(dǎo)性意見(jiàn)，防止部分研究者急于求成，忽視必要的技術(shù)和安全條件盲目實(shí)驗(yàn)。一旦釀成重大事故，將會(huì)打擊整個(gè)行業(yè)的研發(fā)積極性和市場(chǎng)的信心。
當(dāng)前，固態(tài)電池還處在商業(yè)化的初級(jí)階段。面對(duì)激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)的研究者們對(duì)固態(tài)電池的研發(fā)、量產(chǎn)和商業(yè)化保持著信心與耐心。提起研發(fā)經(jīng)歷，趙瑞瑞說(shuō)，她在項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)會(huì)把任務(wù)分解成多個(gè)階段，一步一步來(lái)。“對(duì)固態(tài)電池這種特別難的項(xiàng)目，我們的每一步探索并不需要?jiǎng)?chuàng)造多大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，只要和之前比，循環(huán)壽命、環(huán)境適應(yīng)能力等指標(biāo)有所突破，那就是值得的。”
“現(xiàn)在我們已經(jīng)站在了潮頭浪尖上。我們希望通過(guò)全行業(yè)的努力，開(kāi)拓更多的應(yīng)用領(lǐng)域，為消費(fèi)者帶來(lái)更多的便利，為社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值，讓中國(guó)企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域不斷創(chuàng)新、奮勇?tīng)?zhēng)先。”孫立說(shuō)。
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)海外版記者 呂九海
作者：呂九海
評(píng)論