固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀
1、固態(tài)電池的研發(fā)現(xiàn)狀
在材料方面，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所、中國科學院上海硅酸鹽研究所為代表的團隊，已經(jīng)開發(fā)了一系列的氧化物和硫化物的粉體、陶瓷片等，已經(jīng)開始對社會提供樣品和供貨。
中科院化學研究所在雙功能聚合物電解質(zhì)相關(guān)研究中，成功開發(fā)出新型雙功能聚合物電解質(zhì)，并實現(xiàn)紫外光固化技術(shù)制備，其實現(xiàn)的高室溫離子電導(dǎo)率和機械強度，可用于室溫固態(tài)金屬鋰電池。
中科院青島生物能源與過程研究所在高能量密度固態(tài)電池研究中取得進展，針對固態(tài)電池發(fā)展中固固界面阻抗過大的瓶頸問題，研究成員創(chuàng)造性地提出“原位自形成固態(tài)電解質(zhì)”的解決方案，有效降低界面阻抗和提升電池綜合性能。目前中科院青島能源所已開發(fā)出6Ah大容量三元固態(tài)鋰電池，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、安全性能佳等優(yōu)勢。2017年1月15日，該所研發(fā)的固態(tài)鋰電池隨中科院深海所的深潛器出海，啟程遠赴馬里亞納海溝進行全海深示范應(yīng)用，這是我國首個自主研發(fā)可應(yīng)用于深潛器的高能量密度、高性能全固態(tài)鋰電池。
此外，由清華大學南策文院士團隊創(chuàng)建的清陶（昆山）能源發(fā)展有限公司也是國內(nèi)較早開展全固態(tài)鋰電池技術(shù)研發(fā)的團隊之一。南策文院士表示：“清陶發(fā)展把實現(xiàn)全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化定為2017年的首要任務(wù)，將重點解決材料匹配、裝備升級、產(chǎn)品一致性等核心問題，力爭于2017年9月推出第一批全固態(tài)鋰電池產(chǎn)品?！?/p>
2、企業(yè)的固態(tài)電池布局
電池中國網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，豐田、松下、三星、三菱以及國內(nèi)的寧德時代等電池行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)都已經(jīng)積極布局固態(tài)電池的儲備研發(fā)。
相對而言，技術(shù)成熟度較高、技術(shù)沉淀較深的當屬法國的Bolloré、美國Sakti3和日本豐田。這三家也分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態(tài)電解質(zhì)的典型技術(shù)開發(fā)方向。在歐洲比較出名的Bolloré，采用的是聚合物電解質(zhì)體系，三星采用的則是硫化物電解質(zhì)體系。英國富豪詹姆斯-戴森（JamesDyson）在2015年公司收購了固態(tài)電池企業(yè)Sakti3，2016年8月，戴森表示，將出資14億美元興建一座電池工廠。德國汽車零部件巨頭博世（BOSCH），2015年收購美國電池公司“Seeo”。博世和Seeo然后與日本著名的GSYUASA（湯淺）電池公司和三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽極鋰離子電池。
2016年12月17日，寧德時代研發(fā)經(jīng)理郭永勝在“第七屆全球新能源汽車大會（GNEV7）”上介紹了公司固態(tài)鋰金屬電池的研發(fā)進程，他表示，寧德時代在做固態(tài)電池之前對全球做固態(tài)電池的企業(yè)做了調(diào)研，目前該項目還處于早期階段。寧德時代在研發(fā)過程中，也在關(guān)注固態(tài)電池的制造問題，固態(tài)電池整個制造工藝跟傳統(tǒng)的鋰離子的制造工藝不同，需要新的設(shè)備，新的工藝，所以寧德時代也同時進行工藝的研發(fā)。
從整體來看，固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度還有待加強，能形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)有限，技術(shù)規(guī)?；瘮U產(chǎn)需要克服的困難還有很多，仍處于推廣發(fā)展期。但可以預(yù)期的是，隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電池中的科學和工藝上的問題會逐漸得到緩解，在未來幾年，固態(tài)電池產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機遇。
固態(tài)電池發(fā)展前景
中國固態(tài)鋰電池處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，清華大學、北大深圳研究院、電子科大、國防科大、中科院物理所、化學所、寧波材料所、青島能源所、上海硅酸鹽所等單位已開始固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料、固態(tài)鋰電池制造裝備及電芯制造技術(shù)的研發(fā)。同時，國內(nèi)鋰電池材料及電芯優(yōu)勢企業(yè)，如寧德時代、比亞迪、中航鋰電、貝特瑞、力神、贛鋒鋰業(yè)等，也已開始布局固態(tài)鋰電池技術(shù)開發(fā)。
●寧德時代
寧德時代投入固態(tài)電池研發(fā)已有幾年時間，在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關(guān)的研發(fā)工作。其招股說明書中表明，下一代電池研發(fā)重點就是全固態(tài)鋰電池。但從官方介紹的情況來看，離商業(yè)化仍然比較遠。在制造工藝方面，寧德時代初步提出以下工藝路線：正極材料與離子導(dǎo)體的均勻混合與涂覆；經(jīng)過一輪預(yù)熱壓，形成連續(xù)的離子導(dǎo)電通道；經(jīng)過二次涂覆LPS之后，再進行熱壓，全固態(tài)化之后可以去掉孔隙；再涂覆緩沖層后與金屬鋰復(fù)合疊加。
●比亞迪
比亞迪2016年中期業(yè)績會議透露，公司認為固體電池將是鋰電池未來的方向，已經(jīng)在嘗試小規(guī)模使用，并確定將在未來10年，最快5年內(nèi)提供該類型產(chǎn)品。2017年8月，比亞迪申請了一種全固態(tài)鋰離子電池正極復(fù)合材料及一種全固態(tài)鋰離子電池的發(fā)明專利。
●國軒高科
國軒高科固態(tài)電池的研發(fā)主要在海外進行，2018年2月，國軒高科透露正在美國和日本分別開發(fā)下一代動力電池生產(chǎn)技術(shù)工藝與生產(chǎn)設(shè)備，相關(guān)產(chǎn)品將使用半固態(tài)電池技術(shù)。目前，國軒高科半固態(tài)電池技術(shù)已處于實驗室向中試轉(zhuǎn)換階段，計劃2019年建設(shè)中試線。
●贛鋒鋰業(yè)
2017年8月，贛鋒鋰業(yè)通過引進寧波材料所的固態(tài)電池博士團隊，正式切入固態(tài)電池板塊，目標在3年內(nèi)實現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。隨后，贛鋒鋰業(yè)公告稱將投資2.5億元，于2018年底建成億瓦時級第一代固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線，并實現(xiàn)送樣；在2019年12月完成3億元固態(tài)電池銷售，并分別推動二代固態(tài)鋰電池技術(shù)成熟，實現(xiàn)三代固態(tài)鋰電池可研。根據(jù)測算，贛鋒鋰業(yè)生產(chǎn)的第一代固態(tài)鋰電池電芯的能量密度可達240Wh/kg，按照單車500kg電池組估算，80kWh的電量可以實現(xiàn)480km的續(xù)航，且千次循環(huán)后最大電量仍有90%，充電僅需12分鐘充滿。
●珈偉股份
2017年12月，珈偉股份子公司珈偉龍能發(fā)布了其首款快充類固態(tài)電池產(chǎn)品。珈偉龍能科技具備一期1億Wh高性能動力電池，采用類固態(tài)快充技術(shù)；2018年二期擬再次投產(chǎn)2GWh電池產(chǎn)能。公司生產(chǎn)的電池正極采用改性的鐵鋰和三元，負極則使用鈦酸鋰和納米化的石墨。然而，珈偉股份發(fā)布的電池與全固態(tài)電池技術(shù)不甚相同，此次珈偉股份生產(chǎn)的類固態(tài)電池為凝膠狀（類固態(tài)）電池，采用了隔膜，非完全意義的固態(tài)電池。
固態(tài)電池的發(fā)展趨勢
目前，具有高能量密度以及高安全特性的固態(tài)電池正在全球范圍內(nèi)受到關(guān)注。伴隨著新能源汽車的高速發(fā)展，提高車輛續(xù)航里程的呼聲日益響亮，想要汽車“跑”得遠，選用能量密度更高的固態(tài)電池成為一個可行的選擇。在此背景下，不同國家和地區(qū)的相關(guān)研究機構(gòu)和企業(yè)紛紛進入“賽道”，開啟了一場發(fā)力布局和加速固態(tài)電池研發(fā)的“拉力賽”。
“想要達到2020年及以后的動力電池能量密度發(fā)展要求，實現(xiàn)能量密度大于500Wh/kg的目標，現(xiàn)有的液體電解質(zhì)電池體系恐怕無能為力。作為下一代面向500Wh/kg的電池技術(shù)路線，固態(tài)電池體系的研發(fā)已成為剛需。新能源汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展需要新的技術(shù)儲備，固態(tài)鋰電池則有望成為下一代車用動力電池主導(dǎo)技術(shù)路線，它不只是未來二次電池的重要發(fā)展方向，也是當前的重要任務(wù)?！敝袊茖W院物理研究所研究員陳立泉近日表示。
國內(nèi)外市場同時發(fā)力
國內(nèi)外不少大型車企現(xiàn)已開始發(fā)力固態(tài)電池的研發(fā)，以求奪得未來發(fā)展新能源汽車的技術(shù)話語權(quán)?！案鞔笃嚠a(chǎn)業(yè)強國在研發(fā)應(yīng)用新一代高能量密度動力電池方面都不甘落后?！比涨鞍l(fā)布的《中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2018）》分析指出。
進軍固態(tài)電池領(lǐng)域，大眾汽車顯然早有計劃。其大規(guī)模電動車發(fā)展計劃“RoadmapE”預(yù)計投資500億歐元，將在中國、歐洲及北美開展動力電池長期戰(zhàn)略合作項目，并在2025年之后實現(xiàn)固態(tài)電池裝車應(yīng)用，實現(xiàn)1000公里的續(xù)航里程。同樣積極布局固態(tài)電池的還有寶馬汽車，其與美國電池技術(shù)公司SolidPower建立合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)電動汽車專用固態(tài)電池技術(shù)。
在亞洲，固態(tài)電池同樣是汽車公司以及電池企業(yè)布局的熱點。日本豐田給出的“答卷”是與松下聯(lián)合研發(fā)方形固態(tài)電池，同時計劃發(fā)展更高密度的新一代全固態(tài)電池。而韓國電池制造研發(fā)企業(yè)LGChem則選擇與三星SDI聯(lián)合研發(fā)高鎳NCM、NCA以及固態(tài)電池，并表示固態(tài)電池量產(chǎn)將在2025年左右。
面對競爭激烈的國際固態(tài)電池市場，我國以中國科學院物理研究所為代表的研究團隊，也正在積極推進固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化工作。同樣發(fā)力的還有企業(yè)，贛鋒鋰業(yè)正與中國科學院寧波材料所進行合作，寧德時代、天津力神、中航鋰電及衛(wèi)藍新能源等企業(yè)也在進行固態(tài)電池的開發(fā)。
“可以看到，不管是車企還是電池企業(yè)都著眼于全固態(tài)電池的研發(fā)，這更像是一場高比能全固態(tài)電池的技術(shù)競賽，將極大促進高比能全固態(tài)鋰電池最終實現(xiàn)?！北本├砉ご髮W材料學院教授吳伯榮表示。
多道難題待解
據(jù)記者了解，固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵是固態(tài)電解質(zhì)材料，現(xiàn)有的無機固體電解質(zhì)和高分子聚合物電解質(zhì)材料，沒有任何一種既有高離子電導(dǎo)率和機械強度，又有良好的加工性能?！澳壳案叻肿泳酆衔镫娊赓|(zhì)材料在室溫離子電導(dǎo)率低，而無機固體電解質(zhì)則存在制備困難的問題，怎么辦呢？我們要挑選各自的優(yōu)點，規(guī)避缺點?！敝袊茖W院院士南策文指出，想要“兩全其美”，就必須對固態(tài)電解質(zhì)材料的研發(fā)提出更高的要求。
面對固態(tài)電池發(fā)展過程中的阻力，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會秘書長劉彥龍同樣提出了自己的看法，“目前最基礎(chǔ)的問題仍然沒有在科研層面得到解決，即固體與固體之間的接觸界面高電阻問題。”過大的電阻不僅會帶來能量的浪費，還會導(dǎo)致電池溫度升高，對其安全性能造成不良影響。
除了技術(shù)上的不成熟，市場規(guī)則不完善同樣是固態(tài)電池成長的“煩惱”。中國汽車技術(shù)研究中心有限公司北京工作部副主任王成告訴記者，縱使近兩年的新能源汽車財政補貼標準關(guān)聯(lián)了動力電池能量密度和車輛續(xù)駛里程，且2018年新版的補貼政策更加細化和完善，但是對于產(chǎn)品能量密度的指標要求迭代周期過短，導(dǎo)致部分企業(yè)一味追求能量密度和高補貼，忽視了產(chǎn)品綜合性能的優(yōu)化，導(dǎo)致企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品難以形成積累。
“從整體的技術(shù)鏈來看，固態(tài)電池市場存在布局不均、鏈條不穩(wěn)的風險，難以打下持續(xù)發(fā)展提升的堅實基礎(chǔ)。”王成分析指出，目前仍需進一步引導(dǎo)企業(yè)在技術(shù)以及產(chǎn)品層面形成良性發(fā)展的健康體系，“研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)應(yīng)注重積累的效率，在不斷的積累量變過程中，促成迭代質(zhì)變?！?/p>
固態(tài)鋰電池成戰(zhàn)略重心
面對如火如荼的固態(tài)電池“競技場”，中國顯然搶到了參賽的入場券。國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》規(guī)劃中明確提出了對單體動力電池比能量的戰(zhàn)略布局，高比能、高安全、長壽命和低成本固態(tài)鋰離子電池，是我國實現(xiàn)新能源汽車“純電驅(qū)動”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的關(guān)鍵和重要支撐。自20世紀70年代以來，國內(nèi)各研究機構(gòu)、高校，以及近年來隨國家政策而創(chuàng)建的優(yōu)勢電池材料企業(yè)，在固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池研究方面已取得了系列研究成果。同時，贛鋒鋰業(yè)和寧德時代都將全固態(tài)鋰電池作為下一代高性能動力電池的研發(fā)重點。
“總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合、固態(tài)最后到全固態(tài)。負極會從石墨負極，到硅碳負極，最后有可能到金屬鋰負極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。”中國科學院院士歐陽明高近日分析指出，“到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，全固態(tài)電解質(zhì)會產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500Wh/kg。2030年，常規(guī)車型的續(xù)航里程應(yīng)該可以達到500km以上?！?/p>
目前，國家自然科學基金委員會、科技部和工信部都已將固態(tài)電池的研發(fā)列為重點專項，隨著更多新型固態(tài)電解質(zhì)材料的發(fā)展和全固態(tài)鋰電池反應(yīng)機制研究的逐步深入，固態(tài)電解質(zhì)性能有望得到持續(xù)改善。
“但光靠國家的支持是不夠的。”陳立泉指出，“希望鋰電產(chǎn)業(yè)界和投資促進局高度重視，使我國在這場激烈的國際競爭中獲勝，使動力電池產(chǎn)業(yè)從‘跟跑’變?yōu)椤I(lǐng)跑’，促進新能源汽車大規(guī)模的推廣應(yīng)用?！?/p>