告別鋰電池至暗時刻固態(tài)電池是最優(yōu)解？
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汽車綜合10月13日報道 鋰電池作為當下我們生活中不可缺少的能量源，小到手機腕表，大到汽車輪船，它都成為了一個必需且必要的存在。可是，自1970年代它被開始正式商業(yè)化運用后，這幾十年來技術(shù)人員在它身上下的功夫往往都集中在了提高能量密度方面，但針對于其“火爆”的脾氣似乎卻沒有很好的辦法去解決。就在技術(shù)人員紛紛尋求解決方法來破解困局時，一款全新電池技術(shù)的誕生成為了解開這道難題的答案，那就是固態(tài)電池。
眾所周知，純電動車作為一個完美達到0排放的車型，其發(fā)展的市場逐漸占據(jù)上風(fēng)，成為整個新能源汽車市場的中流砥柱。而隨著技術(shù)發(fā)展的不斷躍遷，其工況續(xù)航也從最早的不足500km，上升到了如今的超800km，可以說呈現(xiàn)出了逐年遞增的狀態(tài)。而這背后，自然與動力電池技術(shù)的發(fā)展有很大關(guān)系。
固態(tài)電池問世，解決鋰電池弊端的最優(yōu)解？
我們目前在市面上所見到的汽車動力電池都被稱之為液態(tài)鋰電池，這是因為這類電池在運作的過程中，其鋰離子都會分布在電解液中，負責(zé)電池的充放電過程。而由于電池有正負極之分，所以會在電解液中插入一塊隔膜，給鋰離子電池分成正負兩個室。
但所謂“成也蕭何敗也蕭何”，隔膜雖然能分出正負兩極，但是在充放電過程中，隨著電流的不斷加大，電解液中會慢慢形成一根根鋰枝晶，這些鋰枝晶在不斷生長的過程中，會逐漸刺穿隔膜，造成短路的現(xiàn)象，從而引發(fā)熱失控直至爆炸。
那么，該如何避免這個問題呢？技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，如果將液態(tài)的電解液轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)形式，這樣就能很好地去解決鋰枝晶生長造成熱失控風(fēng)險的問題，并且還能有效地提高電池的能量密度，這也就是我們所說的固態(tài)電池了。
作為固態(tài)電池，顧名思義，就是電解質(zhì)采用固態(tài)材料的電池，與傳統(tǒng)液態(tài)電池相比，固態(tài)電池的優(yōu)勢在于安全性高，因為固態(tài)電池電解質(zhì)不易泄漏或燃燒，且不會產(chǎn)生氣體，不易產(chǎn)生爆炸或火災(zāi)，并且它可以采用高電壓和高比能量的電極材料，實現(xiàn)高能量密度的存儲，但最主要的是，固態(tài)電池的電解質(zhì)不易受到環(huán)境影響，可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的電化學(xué)性能。
目前，按照電解質(zhì)材料的選擇，固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種電解質(zhì)體系。其中，聚合物電解質(zhì)屬于有機電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質(zhì)；按照正負極材料的不同，固態(tài)電池還可以分為固態(tài)鋰離子電池（沿用當前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負極、三元正極等）和固態(tài)鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。
各國開展布局，自主企業(yè)崛起奮進
或許正因為固態(tài)電池特有的高安全高能量密度的特性，因此各國政府都紛紛出臺政策來加以扶持推廣，比如2021年美國就發(fā)布了《國家鋰電發(fā)展藍圖2021-2030》，并宣布撥款2.1億美元支持相關(guān)技術(shù)研究。而歐洲則推出了《電池2030規(guī)劃》及《2030電池創(chuàng)新路線圖》，并批準了歐洲固態(tài)電池投資專項計劃，由歐盟多國共同出資32億歐元用于發(fā)展固態(tài)電池。
來到國內(nèi)，從2020年起，我國首次將固態(tài)電池列入行業(yè)重點發(fā)展對象并提出加快研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，并在2023年進一步提出加強固態(tài)電池標準體系研究，規(guī)劃到2030年，我國固態(tài)電池行業(yè)出貨量將達251.1GWh，屆時市場空間可達200億元。因此在這波紅利下，可以說有不少電池行業(yè)新勢力崛起，其中最突出的莫過于衛(wèi)藍新能源、太藍新能源和清陶能源等。
首先看衛(wèi)藍新能源，其成立于2016年，是由中國工程院院士陳立泉、中科院物理所研究員李泓、原北汽新能源總工俞會根共同發(fā)起創(chuàng)辦。目前在與蔚來汽車合作，將基于ET7車型，推出續(xù)航1000公里的半固態(tài)電池，能量密度達到了360Wh/kg，電池容量150度電。
而成立于2018年的太藍新能源，創(chuàng)始人曾在美國、日本頂尖實驗室從事固態(tài)電池研發(fā)。公司核心研發(fā)團隊從2011年開始便專注于固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，率先實現(xiàn)半固態(tài)鋰電池的量產(chǎn)化。并且憑借兩大核心技術(shù)——固態(tài)電解質(zhì)的材料和工藝創(chuàng)新，解決了氧化物路線所面臨的鋰離子電導(dǎo)率低、電極與電解質(zhì)之間的固-固界面接觸性差等問題，實現(xiàn)了產(chǎn)品性能的綜合提升。不僅如此，處于上升期的太藍新能源其已投入使用和正在建設(shè)的產(chǎn)能總計達到12.2GWh，并且其半固態(tài)動力電池樣品已受到多家主機廠認可，可以說太藍新能源的實力獲得了時間的檢驗。
最后再看清陶能源，其由清華大學(xué)南策文院士團隊創(chuàng)辦，在產(chǎn)品方面，清陶能源已覆蓋便攜、特種環(huán)境、動力電池、輕量化電池等多個領(lǐng)域。目前公司第一代半固態(tài)電池，液體含量在5%-15%，能量密度為368Wh/kg，成本可以與液態(tài)鋰電池相當；第二代產(chǎn)品液體含量降至5%以下，能量密度達到400-500Wh/kg，動力電池產(chǎn)品預(yù)計在2024年量產(chǎn)。
當然除了上述企業(yè)外，國內(nèi)對于固態(tài)電池領(lǐng)域的企業(yè)還包括高能時代、恩力動力、馬車動力等等，這里就不一一贅述了。不過綜合來看，基于固態(tài)電池本身的技術(shù)優(yōu)勢，毫無疑問地講到2030年前將會成為行業(yè)發(fā)展的重要關(guān)鍵時期。因此對于企業(yè)在研發(fā)水平、生產(chǎn)成本、產(chǎn)業(yè)化落地方面，都有了較高的考驗。
突破固態(tài)電池壁壘 頭部企業(yè)奮起發(fā)力
我們知道一款性能優(yōu)秀的動力電池產(chǎn)品，如何將其最終地商業(yè)化運用才是能夠證明該技術(shù)是否優(yōu)秀的重中之重。而固態(tài)電池從實驗室技術(shù)層面走到批量生產(chǎn)交付所遇到的制約目前體現(xiàn)在三個方面。首先，全固態(tài)電池從實驗室技術(shù)層面走到批量生產(chǎn)交付，企業(yè)首先要掌握全固態(tài)電解質(zhì)材料的研發(fā)生產(chǎn)能力以及導(dǎo)入工藝等關(guān)鍵技術(shù)；其次，因為全固態(tài)電解質(zhì)與正負極電極之間的 "固-固接觸"比較差，界面阻抗比較高，解決界面阻抗問題也是生產(chǎn)全固態(tài)電池的一個必要條件；最后關(guān)鍵的是所選的技術(shù)路線和材料體系是否能規(guī)模化量產(chǎn)，在產(chǎn)品性能和生產(chǎn)成本控制中尋找平衡，都是決定電池廠商能夠順利實現(xiàn)商業(yè)化的重要影響因素。
比如從研發(fā)技術(shù)層面來看，現(xiàn)階段的固態(tài)電池技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn)，就是如何解決界面阻抗較高的問題。這是因為固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，因此電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動力學(xué)低，也就會造成界面阻抗過大。
半固態(tài)電池是液態(tài)鋰電池向全固態(tài)電池過渡的階段，半固態(tài)電池實現(xiàn)量產(chǎn)后能夠為全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈布局打下基礎(chǔ)。
不過伴隨著技術(shù)的不斷迭代，國內(nèi)頭部電池企業(yè)紛紛布局，在面對固態(tài)電池商業(yè)化所面臨的發(fā)展壁壘方面，已有了不小的突破。比如太藍新能源，一方面通過材料、工藝的創(chuàng)新降低成本，另一方面，則通過半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)電池“三步走”的戰(zhàn)略，以實現(xiàn)半固態(tài)電池快速產(chǎn)業(yè)化的目標。目前，太藍新能源已經(jīng)量產(chǎn)第一代半固態(tài)電池產(chǎn)品和傳統(tǒng)液態(tài)電池相比，液態(tài)電解質(zhì)含量實現(xiàn)減半；獨有的固態(tài)電解質(zhì)和極片一體化復(fù)合技術(shù) 從材料本質(zhì)上遏制危險源頭問題，有助電芯實現(xiàn)本質(zhì)安全。
另外關(guān)于商業(yè)化方面，目前太藍新能源重慶工廠80%以上的生產(chǎn)工藝沿用現(xiàn)有液態(tài)鋰電池生產(chǎn)技術(shù)，因此成熟的產(chǎn)線和技術(shù)路線都能夠幫助其更好地達成產(chǎn)品落地和產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)透露，目前太藍新能源北京研發(fā)基地已開始全固態(tài)電池試產(chǎn)線的準備工作，預(yù)計很快實現(xiàn)全固態(tài)電池的小批量交付。
最后在產(chǎn)能方面，太藍新能源現(xiàn)投入使用和正在建設(shè)的產(chǎn)能為5.2GWh，總儲備產(chǎn)能達12.2GWh，分別為重慶兩江新區(qū)的制造基地一期0.2GWh（小型半固態(tài)動力電池生產(chǎn)制造基地一期），制造基地二期2GWh（車規(guī)級半固態(tài)動力電池生產(chǎn)制造基地二期），以及在建的安徽淮南工廠一期3GWh，同時還有7GWh二期的規(guī)劃產(chǎn)能。其中，重慶二期工廠預(yù)計明年年中投產(chǎn)，屆時可批量出貨至汽車主機廠。
所以可以肯定的是，固態(tài)電池的發(fā)展對于我國乃至全球的鋰電池產(chǎn)業(yè)有著至關(guān)重要的作用，它可以看作一個分水嶺，將傳統(tǒng)對于鋰電池商業(yè)產(chǎn)品所帶來的弊端消磨殆盡，讓清潔能源真正地成為我們生活的一部分，無論是汽車產(chǎn)業(yè)，還是生活家電，從長遠看，固態(tài)電池將會提升我們整體物質(zhì)生活質(zhì)量的關(guān)鍵，而我們也相信這個產(chǎn)業(yè)技術(shù)也將不斷進步，并走向真正的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展，我們拭目以待。
