全固态电池产业化需以市占率突破1%为标志

摘要

全固态电池的研发是为了“防止被颠覆”，其产业化需以市占率突破1%为标志。

自推进以来，全固态电池的必要性和产业化始终是备受争议的存在。

全固态电池的研发是为了“防止被颠覆”，其产业化需以市占率突破1%为标志。在近期举办的全固态电池创新发展高峰论坛上，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高发表了上述观点。

论坛上主流观点认为，全固态电池产业化较可能在2030年取得突破。由于固态电池可同时满足高安全性、高能量密度、高功率、高温度适应性等，且材料选择的范围更高，具备“颠覆”液态电池的潜力。

不过，目前国内发展全固态电池产业面临的挑战是巨大的，具有跨学科的特性、技术门槛极高，包括材料界面、工艺、产业链、设备等，需要业界进行协同创新。

为什么需要全固态电池及产业化？

中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高指出，固态电池相对于液态电池是颠覆性技术，行业应提高重视程度、积极研发，以防范风险。

首先，动力电池行业虽然已进入产能过剩的阶段， 电池成本不断下降，但并没有完全满足终端电动汽车客户的需求，如怎么在全寿命周期内不析锂、不影响寿命、不发生安全事故，低温续航，如何解决硅负极膨胀率高的问题、以提高负极中硅的含量、最终提高体积能量密度（磷酸铁锂电池）等。

其次，在新一轮技术创新周期中，行业已卷向“提质降本增效”，需要通过材料换代来实现。例如，行业内对于比能量的追求，并不单纯是提升比能量，而是在期待“比能量提升的同时，成本不需要提升太多”的颠覆。因此，行业需要居安思危，电池需要平衡的性能体系，全固态电池具备技术“颠覆”的潜力。

东风汽车集团有限公司研发总院副院长史建鹏同样认为，包括安全性、里程焦虑、能量密度在内的液态锂电池三大痛点，受到现有材料体系已接近能量密度上限因素的限制，本质上没有得到解决。

此背景下，产业希望构建新一代动力电池。其中，由于采用了固态电解质（不易燃、耐高温、化学活性低），固态电池能大幅提升电池安全性；又因为固态电池可兼容高比能正负极，将打开能量密度天花板，故有望成为动力电池下一轮技术竞赛的关键。

  南方科技大学教授许晓雄认为，高安全、高性能、低成本是锂二次电池产业发展的必然趋势，高性能要求则囊括了高能量密度、高功率（可快充）、长寿命等，全固态电池有望实现以上高性能要求。

  弗迪电池首席技术官孙华军则提出，全固态电池产业化能带来哪些价值，需要对标2030年液态电池会是什么状态来思考，液态电池也在持续改进；而且要从系统层级来思考，囊括如重量能量密度、体积能量密度、成本维度等。

  2.  全固态电池的量产标志是什么？

  从全球全固态电池产业化路线图来看，产业化时间聚焦在2027-2030年。

  欧阳明高进一步指出，较为合适的产业化定义是全固态电池市占率达到1%。参照2023年2000万左右的电动汽车销量预期来看，即全固态电池装车量超过20万辆。

  而一汽研究院院长王德平认为，全固态电池在2027或2030年的产业化，可能只是达到一定程度的小规模、小批量的示范性装车。对固态电解质等关键问题的突破，有望加速产业化的进程。

  孙华军认同上述观点并表示，新电池技术的应用遵循一定规律，如锂电池先应用在电子消费产品上，经过长时间积累后才过渡到动力电池产品。按此推算，固态电池也应该先在其他领域应用，再逐渐扩展至电动汽车。

  另据孙华军披露，比亚迪10年来持续进行着固态电池的研发，主要走硫化物路线，目前已可实现保留10%电解质的相关产品。

  3.  全球固态电池产业布局呈现出何种差异性？

  欧阳明高总结，从全球固态电池产业布局来看，中国企业最多，然后是日本、韩国，实力强劲。美国主要是一些创业企业，与欧洲合作广泛。

  日本在电池与整车性能匹配结合方面较有优势，已经搭建起官-产-学联盟。如丰田、本田、日产，同时进行全固态电池研发和整车生产，其中丰田的研发进度最为深入。

  韩国三大电池厂在全固态电池方面已取得实质性进展，尤其是三星，国内部分团队的任务之一，便是复现三星的全固态电池。

  美国以创业企业为主导，缺少车企、电池厂的力量，一方面靠资本市场支撑，一方面则靠欧洲车厂的合作，如Solid Power和宝马合作等。

  中国的固态电池技术路线相对多元化，以固液混合为主，以氧化物路线为主导。目前，国内半固态电池池正在试装车，但是良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命这些问题还需要解决。

  全固态电池技术方面，国内外专利布局存在较大差距。丰田有超过1300项相关专利，截至2023年10月，国内公司有关全固态电池的专利未超过100项。

  4.  固态电池整体上面临什么挑战？

  据史建鹏总结，目前固态电池存在四大挑战。

  首先，固态电池所需，不只是在现有三元正极材料体系上去做增量或补充，而是更为复杂的高性能正极材料。短期内，正极材料沿用高镍三元体系，安全性差且易发生热失控，长期应向超高镍、富锂锰基、高压尖晶石等材料迭代。关于高电压下三元正极易产气导致电池鼓包的问题，解决策略是通过单晶化、氧化物包覆、金属掺杂等手段进一步提升电压。

  第二，固-固接触的问题，既导致锂离子传输电导率低，也影响电池能量密度，可通过引入电解质膜改性等策略来解决。而现有设备难以支撑制备20μm以下电解质膜，叠加上材料复杂，成本高居不下。   三是相应负极材料的开发。硅负极在充放电过程中体积膨胀大，粉化和分层现象严重，有待解决。而在锂金属负极的开发过程中，锂枝晶生长、活性锂不断消耗，导致可逆性差；另受到工艺设备的影响，超薄锂金属负极的制备还存在困难。  

第四，固态电池的制造工艺还需优化，部分生产设备需要定制。其中，正负极和电解质膜的生产设备为主要需要改造或全新研发的设备，尤其是中前段设备。叠片设备也需要做相应升级，与传统液态电池生产设备的共用率约为70%。总的来看，目前搭建一条1GWh液态电池产线的成本约为1.5亿，而固态电池产线搭建成本是其2倍。

  具体到硫化物电解质全固态锂电池上，许晓雄指出，该类电池的优势是能量密度有望超过350Wh/kg、快充性能优、循环寿命长、工作温区宽等，但同时也面临着稳定性低、成本高、制造技术三大方面的挑战。  

其中，当硫化锂价格低至50万元/吨时，该类电池成本才有可能与液态相当。制造环节的挑战则集中在干法制备工艺和装备的突破上。

 

 

审核编辑：刘清