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“全固態(tài)電池有可能2030年左右實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化……，產(chǎn)品性能上具有技術(shù)顛覆的潛力……，我們要居安思危?！敝袊茖W院院士、清華大學教授歐陽明高在談及中國為何要發(fā)展全固態(tài)電池時說到。

歐陽明高認為，對于汽車技術(shù)而言，1%是很重要的市場份額，所以不需要替代到50%，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義。

2024年1月21日，中國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺（CASIP）在北京舉行揭牌儀式。該創(chuàng)新平臺旨在發(fā)揮帶動作用，積極引導(dǎo)和組織整車、動力電池、關(guān)鍵材料企業(yè)和有關(guān)高校、科研院所開展協(xié)同創(chuàng)新，來推動全固態(tài)電池技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

歐陽明高在會上詳細分析了固態(tài)電池的技術(shù)進展情況、發(fā)展前景以及現(xiàn)有難點。他反復(fù)強調(diào)，2030年左右，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破的可能性極大，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需要敲響警鐘，重視全固態(tài)電池的技術(shù)的發(fā)展，謹防全固態(tài)電池帶來的顛覆性變革。

硫化物電解質(zhì)引領(lǐng)固態(tài)電池新一輪發(fā)展

先來看下固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展進程。

固態(tài)電池是有幾條技術(shù)路線并存的。早期，固態(tài)電解質(zhì)采用氧化物，日本叫酸化物，但是由于材料穩(wěn)定性較差，沒有進一步發(fā)展，被放棄了。

另一個就是硫化物固態(tài)電解質(zhì)，初期和二期的硫化物表現(xiàn)也不是很好，真正爆發(fā)的是第三期硫化物。

技術(shù)路線上，還有鹵化物固態(tài)電解質(zhì)和石榴石型氧化物路線等。

技術(shù)進展方面，上世紀60年代開始至今，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率數(shù)量級從剛開始10-8到10-7到10-3，現(xiàn)在到10-2 S/cm。前期的固態(tài)電解質(zhì)都是在10-4、10-5，基于這些固態(tài)電解質(zhì)制成的電池一直無法滿足實用要求。1992年液態(tài)鋰離子電池發(fā)明后，迅速產(chǎn)業(yè)化并在2000年后逐步應(yīng)用于電動汽車，引發(fā)了新能源汽車革命。

近十年來以硫化物固態(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)率趕上甚至超過液態(tài)電解質(zhì)。2011年，東京工業(yè)大學的Kanno教授發(fā)現(xiàn)了一種具有三維Li離子通道的硫化物電解質(zhì)Li10GeP2S12 (LGPS), 其電化學窗口高達5V以上，室溫下鋰離子電導(dǎo)率達12mS/cm，與有機電解液基本相當。2016年，他繼續(xù)創(chuàng)造奇跡，將離子電導(dǎo)率提升至25mS/cm，2023年最高達到32mS/cm，不過該固態(tài)電解質(zhì)中含有鍺元素，成本比較高。

目前成本較低的硫化物固態(tài)電解質(zhì)也在研究中，鋰磷硫氯是目前用的比較多的固態(tài)電解質(zhì)。

隨著硫化物電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率接近甚至超過液態(tài)鋰離子電池，進入了新一輪的全固態(tài)電池的全球競爭。

全固態(tài)電池的論文在2011年之后呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，原先是在三五百篇，現(xiàn)在到三五千篇，增長了十倍。

超越液態(tài)電池性能的潛力

在解決了導(dǎo)電率這一關(guān)鍵問題后，固態(tài)電池在其他性能上的優(yōu)勢就值得重視了。

用歐陽明高的話說，全固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的性能潛力。歐陽明高強調(diào)，不是說目前固態(tài)電池具備這個能力，有這個潛力。

從幾個方面可以看出。

首先，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°C，液態(tài)電解質(zhì)是100°C就要蒸發(fā)了，所以它增加了200°C的安全空間，“我們也專門做過全固態(tài)電池的安全性，至少可以提升200°C，這個對我們正常的工作范圍是有安全保障的?！?/p>

其次，高能量密度。當然固態(tài)電池現(xiàn)在并沒有實現(xiàn)高能量密度，但是它有這個潛力。不僅從單體電池，而且從電池模組的角度也有這個潛力，因為它可以做成雙極板?，F(xiàn)在的液態(tài)單體電池必須把它包起來，否則電解液漏液就會短路。將來是固態(tài)電解質(zhì)，不需要包起來了，既然不需要包起來，就沒有必要用那么多外殼，就像燃料電池一樣串疊起來就可以。它從單體和模組兩個方面都可以提升能量密度。

第三，高功率特性。目前液態(tài)鋰離子電池的離子傳導(dǎo)是叫運載模式，通俗講就是離子在液態(tài)電解質(zhì)中移動需要“坐船”，但是鋰離子在固態(tài)電解液中間是跳躍模式，它傳遞速率更高，這就導(dǎo)致充電的速度可以大幅度提高，這就是它的高功率特性。這個快充和現(xiàn)在的快充不一樣，現(xiàn)在的充電速度如果太快就會析鋰，負極電位低到零就會析鋰，因為鋰離子都堆在負極的門口進不去，就會導(dǎo)致極化增加、電位下降，導(dǎo)致析鋰。這個問題到全固態(tài)電池之后是可以解決的。

第四，是溫度適應(yīng)性。現(xiàn)在的液態(tài)電池在低溫環(huán)境下續(xù)航里程不理想。液態(tài)電解質(zhì)，鋰離子導(dǎo)率和溫度直接相關(guān)，全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30°C和100°C的范圍內(nèi)都不會凝固，不會氣化，所以溫度適應(yīng)性很好，不需要搞那么復(fù)雜的熱管理，也不會因為冬天大幅的容量下降。

此外，材料的選擇范圍更廣了，因為固態(tài)電池的電化學窗口要寬，例如，鹵化物抗氧化特性非常好，可以適應(yīng)高壓。再如，硫化物適應(yīng)低電壓。現(xiàn)在也有人把這兩個配合起來，就可以做成電化學窗口很寬的電池，這樣可以把電壓進一步提升。

與液態(tài)電池不同，固態(tài)電池的不同特性可以同時被滿足。液態(tài)電池往往一方面性能好了，另外一方面性能就不好了。例如，液態(tài)電池比能量高了，但是充電速率降下來了，也可能是電池壽命縮短了。再如，充電倍率性能提升了，可能循環(huán)壽命就降下來了，固態(tài)電池不是這樣的，如果充電倍率提升，電池壽命反而會有增長趨勢。實驗表明，全固態(tài)電池1C循環(huán)1000次，5C反而可以循環(huán)10000次，它與液態(tài)電池的特性是不一樣的。因此，全固態(tài)電池是動力電池重要的發(fā)展方向之一。

全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局

目前，全固態(tài)電池是公認的下一代電池的首選方案之一，被列入中國、美國、歐盟、日韓等主要國家的發(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。

從全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局來看，中國的企業(yè)大概最多，然后是日本。日本企業(yè)雖然不多，但是實力很強。美國主要是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)。歐洲主要是和美國的創(chuàng)業(yè)企業(yè)合作，然后韓國也不多，但是力量很強。

首先看日本，日本是舉國家之力推動全固態(tài)電池商業(yè)化，他們也有官-產(chǎn)-學聯(lián)盟，豐田、本田、日產(chǎn)，既做全固態(tài)電池研發(fā)又搞整車生產(chǎn)，在電池與整車性能匹配結(jié)合方面會比較有優(yōu)勢。

豐田、本田和日產(chǎn)先后發(fā)布了產(chǎn)業(yè)化時間表，豐田做的是最早也最深的，現(xiàn)在日產(chǎn)也發(fā)布了他們試生產(chǎn)和產(chǎn)品上線的時間節(jié)點，他們整體的一個行動。

另外就是韓國。韓國的汽車廠倒是不積極，但是韓國有三大電池廠，應(yīng)該說目前是全球居于第二位的電池產(chǎn)業(yè)大國，雖然它的電池廠不多，但是這三家實力很強，在全固態(tài)電池方面這三家都還是取得了實質(zhì)性的進展。尤其是三星，現(xiàn)在國內(nèi)還有很多單位在復(fù)現(xiàn)它們做出的全固態(tài)電池。

美國方面，則是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)為主導(dǎo)。美國的大企業(yè)并沒有介入太多，他們的汽車廠也沒介入，他們沒什么電池廠，所以基本上都是靠創(chuàng)業(yè)企業(yè)。

那么這些初創(chuàng)企業(yè)靠什么支撐？

歐陽明高認為，他們一方面靠股市，另一方面靠歐洲車廠。比如Solid Power和寶馬合作，比如說Quantum Scape和大眾合作，最近兩家都發(fā)布了消息，尤其是Quantum Scape股市漲得很好，因為，此前它們發(fā)布了一個產(chǎn)品。

總之，目前很多公司都發(fā)布了全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)路線圖，產(chǎn)業(yè)化時間基本都是在2027-2030年。歐陽明高認為，大家都聚焦到這個時間，這不是偶然，是有一定共識的。

中國固態(tài)電池技術(shù)路線相對多元化。中國以固液混合為主，國外以全固態(tài)為主。固液混合就是氧化物和聚合物電解質(zhì)等的結(jié)合為主，硫化物在國內(nèi)并不是主導(dǎo)技術(shù)路線。

國內(nèi)做固態(tài)電池的單位是很多的，有很多原先也是做全固態(tài)的，后來轉(zhuǎn)向半固態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈也比較完整，而且現(xiàn)在很多原先是創(chuàng)業(yè)企業(yè)做，現(xiàn)在好多主流電池廠也都在做固液混合、半固態(tài)。有些企業(yè)也在嘗試裝車。

半固態(tài)電池的特點是固液混合的電化學原理與液態(tài)鋰離子電池還是相同的，不屬于顛覆性技術(shù)，是提升安全性的技術(shù)之一。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)壽命這些問題還需要解決。大規(guī)模生產(chǎn)，還需要提高良品率、降低電池成本，而且充電倍率一般會有所下降，循環(huán)壽命也會很難跟液態(tài)的進行比較，這是需要解決的問題。

全固態(tài)電池技術(shù)方面，目前國內(nèi)外專利的布局差距是比較大的，豐田是1300多項。我國近五年在加速，截止2023年10月，國內(nèi)公司有關(guān)全固態(tài)電池的專利，最高沒到一百項。

要不要發(fā)展全固態(tài)電池？

目前中國是電池的領(lǐng)先國家，好像也不用擔心。就算是全固態(tài)電池搞出來，就算是2030年產(chǎn)業(yè)化，要想替代液態(tài)鋰離子電池50%市場份額至少需要20—30年。

但是歐陽明高也指出，電動車現(xiàn)在也就只替代了30%，全球就驚呼中國車要領(lǐng)先了，不需要到50%，到1%就已經(jīng)預(yù)警了。“當年我們新能源汽車市場占有率達到1%的時候，大概2016年全球開始向電動汽車轉(zhuǎn)向，對于汽車技術(shù)而言1%是很重要的市場份額，所以市占份額不需要替代到50%，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義?！?/p>

因此，中國既要發(fā)展這種漸近性的半固態(tài)技術(shù)路線，又要防范激進型全固態(tài)技術(shù)路線帶來的顛覆性風險。

在歐陽明高看來，目前液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)取得輝煌的成就，十年來動力電池能量密度提升3倍，成本下降80%以上。中國電池的產(chǎn)量也接近全球70%，這個值得驕傲和肯定?？墒侨缃?，電池行業(yè)也面臨產(chǎn)能過剩、行業(yè)內(nèi)卷的問題。

現(xiàn)在電池行業(yè)，一方面是電池的成本不斷下降，技術(shù)門檻比較低，門檻低來的人就多，很多民營企業(yè)有錢的都要進來。另一方面，中國的電池技術(shù)沒有完全滿足電動車客戶的需求，比如說超級快充，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，這是一個很大的挑戰(zhàn)；低溫續(xù)航、體積能量密度，也都是挑戰(zhàn)。

歐洲德國廠家都提出在2026年，負極硅的含量要達到接近50%，國內(nèi)主流硅含量只有百分之幾，因為膨脹率太高，50%怎么達到？50%的硅這對壽命會有極大影響。

為什么要這么做？

歐陽明高表示，這是因為動力電池體積能量密度還要進一步提升，畢竟磷酸鐵鋰電池的體積能量密度還是偏低的。當然，這不是沒有技術(shù)方案，但是產(chǎn)業(yè)面臨著技術(shù)門檻不斷提高的挑戰(zhàn)。

在歐陽明高看來，鋰離子電池的技術(shù)創(chuàng)新周期大概30年。鋰離子電池從手機到動力電池是從2000年左右開始的。第一個十年，從手機電池到動力電池，首先要處理的問題就是安全?，F(xiàn)在還在繼續(xù)解決，但有的領(lǐng)先企業(yè)基本上解決了?，F(xiàn)有的比能量下應(yīng)該可以解決，但是比能量再提升呢？大家會反問比能量為什么還要提升？問題是如果比能量提升了，成本不用提升太多呢，是不是就要顛覆？

歐陽明高認為，近十年來，智能化技術(shù)逐步在電池行業(yè)應(yīng)用，近幾年現(xiàn)在還在解決，行業(yè)內(nèi)卷急需提質(zhì)降本增效，用什么辦法？數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即電池全生命周期全鏈條智能化。

現(xiàn)在已經(jīng)開始的十年是材料換代的新周期。為什么鋰離子電池能夠應(yīng)用到汽車上？早期三元和鐵鋰電池剛剛裝車時候起火事件頻發(fā)，那時候鋰離子電池根本不被看好。中國新能源汽車國家科技專項到2005年才勉強把鋰離子電池作為重點，在這之前還是鉛酸電池和鎳氫電池。

后來由于磷酸鐵鋰和三元電池材料創(chuàng)新，鋰離子電池成為動力電池的主流?，F(xiàn)在我們又到了新一輪材料創(chuàng)新周期了?！斑@個周期大概要到2030年左右，也就是全固態(tài)電池有可能2030年左右實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！?/p>

全固態(tài)電池難題

全固態(tài)電池目前面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學科的特性、技術(shù)門檻極高，包括材料界面、工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)備等。

一是，科學技術(shù)挑戰(zhàn)。

科學難題方面，需要從關(guān)鍵材料、界面、復(fù)合電極、單體電池不同層面進行解決。例如，材料層次，硫化物電解質(zhì)化學穩(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。

歐陽明高認為，首先要把硫化鋰價格壓下去?，F(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，不然的話大家都自己做。其次，硅碳負極的問題是體積膨脹大，而鋰負極現(xiàn)在還不成熟。

界面放面，電極材料、固態(tài)電解質(zhì)的界面相容性，包括界面的副反應(yīng)，固-固界面機械接觸和體積變化等，制備的過程中加5000個大氣壓以上。而且這個界面很復(fù)雜，有空間電荷層等，要尋找新的材料作為過渡層，這些都要材料的創(chuàng)新。

電極層面，高面載復(fù)合電極應(yīng)變條件下的電荷輸運緩慢，電解質(zhì)本身10個mS/cm可以做，做成隔膜就不行了，做成復(fù)合電極就更差了。還有機械失效等問題。

電芯片層面，環(huán)境控制成本高，因為空氣穩(wěn)定性問題，只能在手套箱里面做，這也是大問題。等靜壓壓制方式的效率低， 5000個大氣壓壓制，這個制作效率比較低。另外電芯做大做厚很難，然后還有車載工況下的電芯性能綜合評估目前也沒有相關(guān)的評價標準。

二是，全固態(tài)電池的工藝設(shè)備挑戰(zhàn)。

全固態(tài)電池如果采用濕法工藝，大概能保留一半的現(xiàn)有設(shè)備。如果我們用干法工藝，三分之二的設(shè)備都不能用了，都要用新設(shè)備，這也是我們面臨的問題。所以我們必須要設(shè)備廠商同步。

三是，產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)。

中國電池產(chǎn)業(yè)鏈是全球最強大的。但是現(xiàn)在如果做全固態(tài)電池，那么我們從原料到基材生產(chǎn)、電芯/電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用到電池回收，全生命周期的產(chǎn)業(yè)鏈都會造成巨大的沖擊。

所以這些問題都需要一個個解決。當然我們也不要被這些困難所壓倒，雖然它面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在國外已經(jīng)取得重大的進展。但中國全固態(tài)電池的研發(fā)目前來看認識還不統(tǒng)一、力量比較分散、產(chǎn)學研不協(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)，這就是要建平臺的目的。

展望未來

歐陽明高認為，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。材料科學的研發(fā)范式正在被顛覆，Alpha Go顛覆了圍棋、Alpha Fold顛覆了蛋白質(zhì)預(yù)測、Alpha Geometry顛覆了數(shù)學。

最近《Nature》文章顯示，谷歌的DeppMind的AI+DFT，還有無人實驗室全套機器人+AI，短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了220萬個可能的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、40多萬個材料合成?！拔覀円呀?jīng)處于一個新的時代，人工智能的時代，不要用過去推論未來，這個時代會顛覆材料的創(chuàng)新模式，也就不是以前的試錯法，將來是24小時的黑燈實驗室，還有大算力的計算平臺幫助研究人員計算，這會大大加速。這會對2030左右實現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破增加了確定性?！?/p>

展望中國動力電池材料體系的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，新能源汽車發(fā)展需要低成本電池，但是同時也要高比能電池，因此要兩頭發(fā)力。歐陽明高再次強調(diào)，在2030年左右，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破的可能性極大，因此我們要敲響警鐘，需要共同努力，才能實現(xiàn)中國電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)引領(lǐng)全球。