固態電池技術發展與現狀

偷書賊夢光植 2024-05-09 發布于湖南

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引言

近年來，伴隨著新能源汽車及大規模儲能產業的快速發展，動力電池作為能源存儲的載體越來越受到社會各界的廣泛關注。目前，在儲能和新能源汽車等領域使用的動力電池主要是鋰電池、鉛酸電池、鈉電池等液態電池。相比于固態電池，液態電池能量密度較低，在安全性、能量密度與使用壽命上存在明顯的弱點，其潛力也已經被發揮到極致。固態電池作為一種新興的能源存儲技術，具有高安全性、高能量密度、使用壽命長等特點，不僅會得到更廣泛的市場化推廣與應用，也將會成為未來能源存儲領域的重要力量。然而，由于固態電池在固態電解質穩定性、電極材料選擇、制造工藝與成本、規模化應用安全性、規模化生產技術等方面仍面臨著諸多困難，固態電池尚處于發展階段，其產業化還有一段艱難的路要走。鑒于此，筆者擬從當前固態電池發展的技術路線出發，總結固態電池的發展現狀與研究進展，分析我國固態電池產業化發展所面臨的挑戰，以便為固態電池研究提供詳盡認識，同時力爭為構建高安全性固態電池科技發展體系和推動其產業化提供有益的參考。

1 固態電池概述與特點

1.1 固態電池的涵義

固態電池是一種全固體形式存在、使用固體電極材料和固體電解質材料、不含任何液體成分的電池[1]。與液態（鋰離子）電池、半固態電池（液體電解質質量占比小于 10%）和類固態電池（液體電解質質量占比小于 5%）等類型的電池不同，固態電池的核心是電池的正負極之間通過固態電解質來儲存和釋放電能，是所有材料都以固態形式存在的儲能器件。目前，市場上使用的主流鋰電池的電解質為液態，即鋰電池由正極材料、負極材料、電解液和隔膜組成。而固態電池的能量密度較高，其改進的部分主要是將液態電解質完全變為固態電解質，以便大幅度提升電池性能[2]。

1.2 固態電池的技術路線

由于固態電池沒有隔膜，固態電解質既要傳導離子又需要具備隔膜功能，所以，開發具有較高離子電導率的固體電解質尤為重要。目前，依據固態電解質的差異，固態電池可分為聚合物、氧化物、硫化物（鹵化物）三種技術路線（表 1），具體情況如下。

第一，聚合物固態電池。聚合物固態電解質通常是由聚合物基體（如聚酯、聚醚、聚胺等）和鋰鹽（如 LiPF6、LiClO4、LiAsF6 等）構成，具有質量輕、彈性好、易加工、成本低等特點，是歐美一些企業早期選擇的主要技術路線[3]。法國早在 2011 年就實現了聚合物固態電池的千臺裝車應用，電池包能量密度十年前就達到 100 Wh/kg。但是，聚合物電解質室溫下離子導電率低，需加熱至 60?C以上，熱穩定性有限，再加上高壓穩定性較差、材料常溫電導率低等問題，電池能量密度難以繼續提升。

第二，氧化物固態電池。氧化物電解質通常密度較高，具有較高的機械強度，也是歐美企業選擇的技術路線。該類型電池的主要優勢是電化學穩定性高，可同時適配鋰金屬負極和高電壓正極。但常溫電導率低，且電解質材料硬度高、制備工藝難度大，電池性能也難以充分發揮，開發的樣品始終停留在小容量實驗室層級，無規模化制備能力，離實際應用有較大差距。

第三，硫化物固態電池。硫化物固態電解質通常具備較高的離子電導率，其離子電導率總體水平超過傳統的液態電解質，也能兼容鋰金屬負極和高電壓正極，常溫電導率達到了能方便應用的水平，制備相對容易[4]。該類型電池當前是各國普遍關注的技術路線，中國、美國、日本、韓國和歐洲各國家均在積極布局。目前，發展硫化物固態電池的難題主要是兩個方面：一是存在著生成和釋放有毒硫化氫的風險；二是研發生產成本較高。而鹵化物具有硫化物類似特性，又能解決有毒硫化氫和成本難題，近年來也受到了一定關注，但也面臨著負極穩定性差等新的技術難題。

1.3 固態電池的產品類型

發展固態電池的意義，不僅僅是將電解液替代為固態電解質，更重要的是通過兼容更高電壓克容量的體系，實現更高能量密度。按照固態電池正負極化學體系的差異，可將固態電池產品分為三代（表 2）。第一代固態電池僅僅將電解液和隔膜替換為固態電解質，正負極沒有變化，相比液態鋰離子電池沒有能量密度優勢，成本也難以下降；此外，針對電池安全性問題，第一代固態電池缺乏絕對優勢，對應的液態鋰離子電池一樣可以實現。第二代固態電池將負極材料替換為鋰金屬負極材料，甚至可以不用鋰金屬負極材料，鋰金屬的克容量是當下石墨負極的 10 倍，能量密度可提升至400 Wh/kg 以上。第三代固態電池除了采用鋰金屬負極材料以外，正極替換為克容量更高的材料，比如富鋰正極材料，其能量密度可提升至 500 Wh/kg以上。總體而言，第一代固態電池在性能方面并沒有實質性提升，在突破固態電解質本身的技術難題后，優化電池正負極以開發出第二代、第三代固態電池才更有意義（圖 1）。

2 國內外固態電池的發展現狀

2.1 國外固態電池發展現狀

在歐美地區，固態電池已被視為新能源汽車、儲能等領域下一代電池技術戰略競爭的焦點。早在2012 年，美國 Solid Power 公司與寶馬、福特、現代等汽車制造商建立了合作關系，有針對性地研究新的電池技術。目前，Solid Power 公司正在重點研究第一代硫化物固態電池技術，已開發的樣品能量密度為 320 Wh/kg 左右，并著力建設固態電池的中試線，預計 2025 年協助寶馬進行固態電池原型車集成測試。Quantum Scape 企業則與大眾集團積極開展合作，目前已宣布將推進 10 層固態電池的測試，這是 Quantum Scape 企業正在向商業上可行的電動汽車固態電池邁進的一個重要體現。同時，大眾集團也計劃于 2025 年推出搭載全固態電池的 BEV 車型，這不僅是對固態電池實際產業化應用的體現，也將會對未來新能源汽車行業產生一定影響。針對固態電池，日本多家企業在基礎研究和專利布局方面具有一定的先發優勢，尤其是豐田、本田、松下、日立等企業優勢較明顯。在這些企業中，豐田率先研發固態電池，其目標是第二代硫化物全固態電池，其擁有固態電池的專利數量最多。目前，豐田宣稱其硫化物全固態電池技術取得了一定突破，預計在 2027 年實現商業化，續航可達1 200 公里，且支持 10 min 快充，重量、體積、成本減半，但沒有給出關鍵技術的具體說明。日立則研發出了大容量固態電池（1 000 mA），其特點是既可以在高溫（36?C ～100?C）的環境下工作，也能在?40?C～0?C的嚴酷環境下使用。此類型的固態電池將極大地擴寬其使用領域，如用于航空航天、海洋漁業、工業機械等領域[5]。韓國也一直積極地致力于固態電池的研究。按照韓國固體電池的專利發表數量排序來看，LG 化學、三星、現代等企業在固態電池研究方面也取得了一些優異成績。比如，韓國三星企業針對第二代硫化物固態電池技術展開了重點研究，在 2020年推出了 6Ah 級固態電池技術，能量密度達到了427 Wh/kg。企業還計劃建設全固態電池試驗生產線，并于 2027 年進行規模化生產。再如，現代汽車企業也對固態電池進行了針對性的研究，并取得了一些進展，其研發的固態電池體積比相同容量的鋰離子電池要小很多，單次充電可行駛 700 公里左右。企業計劃在 2025 年試生產配備全固態電池的新能源汽車，并計劃在 2030 年左右實現批量化生產。

2.2 我國固態電池發展現狀

相比于液態電池，固態電池在能量密度、充電速度、安全性、循環性等方面具有較大優勢，一直被視為下一代電池技術的發展方向，國內一些高校、科研院所和企業積極致力于固態電池性能、界面和材料等方面的研發，并取得了一定成績。基于固態電池相關專利、科研成果、科研項目等統計數據來看，中國科學院、北大深圳研究院、華中科技大學、清華大學、哈爾濱工業大學、浙江大學等科研院所和高校目前正在積極投身固態電池的研發，取得的成果在行業領域也產生了積極的影響。在企業層面，寧德時代、贛鋒鋰業、比亞迪、珈偉新能、鵬輝能源等企業都在積極致力于研發固態電池。比如，寧德時代重點聚焦于研發第二、第三代硫化物固態電池技術，其開發的固態原型電池可實現 3C 快充（充電時間 20min），循環壽命達 6 000次，具備 2Ah 級固態電池制備能力，續航可超 1 500公里，但工程化制造還有待突破。而蜂巢能源、中汽創智、贛鋒鋰業等企業也展示了其研發的硫化物固態電池樣品，對推動儲能電池的革新起到了一定促進作用。當前，由于全固態電池技術難度大，國內大部分企業的目標都是半固態電池，即在保留電解液的前提下加入部分固態電解質。據中科院院士、清華大學教授歐陽明高分析，固液混合物電池在現有的液態電池技術的基礎上，仍然保留了部分電解液，電池機理改變不大，全固態電池的規模化、市場化仍未完全實現。

3 我國固態電池產業化發展面臨的挑戰

目前，關于固態電池技術突破和產業化的各種信息較多，但我國的固態電池研發和產業化發展仍面臨著一些難題和挑戰。具體而言，主要體現在以下四個方面。

3.1 關鍵技術難題待解決

其一，固態電池中界面接觸問題。固態電池中的界面既有物理接觸，也有化學接觸，而固態電池的電解質和電極材料均為固體，與液體材料相比缺乏流動性，接觸面的浸潤程度也較低。固態電解質和固態電極難以保持完好的界面接觸，會導致充放電過程中接觸電阻升高，熱量增大，影響電池的總體性能。其二，固態電解質的穩定性問題。固態電池的關鍵是固態電解質，相關電解質必須具備高離子導電性和良好的穩定性，但目前的固態電解質材料仍存在高溫或高電壓環境下不穩定、容易分解、電極材料脫落等問題，這些問題極大地限制了固態電池的安全性能和循環壽命[6]。其三，其他技術安全問題。比如，負極金屬鋰容易產生鋰枝晶，存在穿透固態電解質引發電池內短路的風險。此外，固態電池正極、電解質、負極的化學組成及其物理、化學、力學等特性還需改進，材料間的兼容性有待提升，電池層級的安全管理技術也并不成熟[7]。這些問題的解決均是固態電池實現量產、商業化所面臨的挑戰。

3.2 工程化制備技術待突破

相比鋰電池，固態電池在安全性與可靠性方面具有一定優勢，但其成本較高、制備工藝更為復雜，在工程制造和量產方面也面臨較大挑戰。其一，為實現固態電池結構完全致密化以改善界面問題，需要特殊的高溫、高壓（數百 MPa 標準）工藝。但滿足高溫、高壓的相關設備目前被西方國家所壟斷，國內尚無相關的先進設備，亟待開發與優化。其二，固態電池制造對工藝環境有較高的要求。比如濕度方面，固態電池要遠高于現有液態電池的濕度要求，才能避免硫化物與水分接觸釋放劇毒硫化氫氣體，因此目前規模化生產還存在較大困難。其三，固態電池工藝一致性要求更高，規模化量產也需要強大的工程能力和制造經驗，生產成本較高，需要進一步降低成本才能實現產業化。

3.3 知識產權布局待優化

相比于西方國家，我國在固態電池研發方面起步較晚，關鍵材料和基礎專利受制于人。特別是在固態電池材料方面，專利數量排名前五的企業均為日韓企業。比如，在硫化物材料方面，全球擁有專利數量最多的前五家企業分別是豐田汽車、松下控股、出光興產、三星電子、村田制作所，而它們全部來自日本和韓國。其中，關于固態電池的專利，豐田汽車企業最多，數量超過了 1 000 件。一直以來，日韓對知識產權的保護較為完善，這些專利形成了強大的技術壁壘，導致其他國家或相關企業在研發固態電池時過程會更加困難。如果使用這些日韓企業的專利，還需要繳納高額的專利費用。此外，據業內專家分析，在固態電池產業化發展方向的核心技術方面，目前國內的開發能力明顯不足，電池類相關企業在創新研發方面成效也不顯著。同時，在已有固態電池研發成果方面，我國尚欠缺知識產權布局，再加上現有科研成果轉化機制缺乏一定合理性，前端科研機構的成果與后端市場的轉化運用尚未完全融合，導致知識產權供需出現一定的錯位現象，對我國固態電池的產業化發展造成了一定制約。

3.4 發展技術路線不清晰

近年來，關于固態電池的相關概念和技術層出不窮，包括半固態電池、準固態電池、原位固態化電池、混合固液電池等。這些技術在本質上仍屬于液態鋰離子電池的范疇，但是在儲能和動力電池領域產生了一定影響，也對部分新能源企業的產品研發和創新工作造成了一定干擾，不利于國內固態電池的技術布局和研發創新。由于液態鋰離子電池與第一代固態電池技術性能接近（液態電池目前最高能量密度為 300 Wh/kg，半固態電池為 360 Wh/kg），應用場景也基本相同，再加上固態電池的研發耗時較長、制造工藝相對復雜、成本較高等問題，導致國內部分新能源企業在固態電池研發方面存在徘徊不前、缺乏動力、技術路線不明確等問題。此外，由于固態電池的研發需要較多的人力、財力和物力投入，造成國內部分新能源電池企業計劃直接從國外引進成熟的核心技術，希望通過走捷徑的方式實現彎道超車，這在一定程度上影響著我國固態電池產業的未來競爭力。

4 我國固態電池產業化發展的對策

4.1 加大政策扶持，推動技術創新研究

一是加強基礎研究。在研發高性能電解質、正負極活性材料、不同應用特點固態鋰電池等方面，基礎研究一直是我國的短板。當前，我國已成為科技大國，針對固態電池技術，要不斷加強基礎研究，積極創新和布局專利，這對整個固態電池行業的發展尤為重要。

二是加強政策引導。今天，固態電池被認為是新一代電池的發展趨勢，相關部門應將固態電池納入國家重點領域或關鍵行業的研發體系，借助國家重點基礎研究發展計劃、高新技術研究發展計劃、產學研發展計劃等方式，加強固態電池核心技術攻關和產業化培育布局。

三是加強財稅扶持。通過大基金支持計劃、產業發展投資專項基金、創新創業投資基金等方式，加大對固態電池研究與發展的財力支持，提供基礎保障[8]。此外，積極引導社會資本投向固態電池創新型企業和相關技術創新的項目，特別是要對從事固態電池基礎性研究的企業提供稅收優惠政策。

4.2 明確發展目標，堅持多元化發展策略

發展固態電池產業，需要明確發展的目標與技術路線，重點支持第二代、第三代固態電池。如前所述，由于液態鋰離子電池具備第一代固態電池同樣的技術性能和應用場景，所以研發第一代固態電池的意義和價值不大，真正有價值的是第二代、第三代固態電池。因此，應聚焦資源、瞄準目標，設定技術攻關的路線，加大對固態電池基礎科學領域（如新型固態電解質材料、固態電極界面設計、正負極活性材料等）的創新性研究，重點攻關固態電池界面設計技術和制造工藝的難題。需要指出的是，固態電池雖然是未來電池技術的主流發展方向，但是對其技術難度和應用前景要有客觀、理性的認識。換句話說，固態電池相關技術實現了突破，也主要應用于航空航天、能源存儲、移動設備等高端領域，其生產制造成本短期來講不具備優勢，不會完全顛覆或替代液態鋰離子電池。因此，針對固態電池的發展，既要正視與國外的差距，做到奮起直追，大力支持國內固態電池核心技術的研發與創新，也不能放棄現有液態電池，應堅持液態、固態及其他新體系電池的多元化發展策略。

4.3 強化產學研合作，推進科研成果轉化

一是組建電池技術應用創新聯盟。針對固態電池發展，積極推進高等院校、科研院所、社會企業等相關組織機構組建產業技術創新與應用推廣聯盟，重點突破固態電池的界面接觸、高性能電解質材料、固態電極界面設計、正負極活性材料、工程化制造工藝等難題，以推進固態電池技術協同創新工作。

二是推進科研成果產業化應用。充分利用國內現有的電池應用及生產示范平臺，通過組織開展在新能源汽車、智能化電網、電子數碼產品等領域的應用示范活動，推動固態電池科研成果的產業化和市場化發展。此外，重點支持福建寧德、四川宜賓、江蘇常州等地區著力打造特色固態鋰電池產業鏈，加速推進相關新能源企業實現規模化生產。

三是強化人才支撐與引領。固態電池發展中的電極界面設計、工程化制造工藝等關鍵技術的攻關，需要大量專業人才給予支撐，尤其對高層次科研人才的需求更為迫切，因此，需要強化人才支撐與引領服務。一方面，地方政府可結合社會企業需求及時調整或優化人才引進政策，聯合用人單位對引進的相關高層次人才給予妥善安置[9]；另一方面，加強與高校院校、社會企業的合作，采取訂單式的人才培養方式，結合企業對人才專業知識、實踐能力和綜合素質的要求，培養適合企業要求的人才。

4.4 扶持龍頭企業，明確固態電池優先發展級

在眾多產業走向中高端的道路上，龍頭企業的帶動作用越來越突出。比如：寧德時代作為目前國內最大的鋰電池生產商之一，其動力電池和儲能電池的出貨量已連續四年穩居世界前列，在國內新能源電池領域具有不可替代的作用。相關管理部門要重點支持像寧德時代、比亞迪等電池企業開展固態電池技術的研究攻關，通過財政補貼政策、鼓勵企業合并重組、鼓勵產業合作聯盟、創造公平競爭環境等措施，讓龍頭企業持續保持和擴大我國在電池領域的領先優勢。尤其是那些在液態鋰離子電池領域具備豐富研發和工程制造經驗的大型企業，往往最有潛力推動固態電池實現商業化發展，國家對他們更應加大支持力度。國家在扶持和支持固態電池的發展過程中，要明確固態電池優先發展級。基于固態電池在新能源汽車、儲能、航空等不同領域的能源存儲要求和市場發展現狀，相關機構和企業應科學規劃固態電池類型、技術路線、相關產業鏈等方面的發展優先級。一方面，針對高優先級的固態電池技術研發和工程化制造工藝，政府管理部門可集中各方優勢力量，著力攻克關鍵核心技術。另一方面，針對低優先級固態電池產品制造和產業化發展，國家應出臺相關扶持政策，調整和改善新能源電池產業發展結構，形成協同發展趨勢，為其市場化發展營造良好的環境[10]。

4.5 強化國際合作，探索發展新模式

一是積極借鑒固態電池先進技術。部分日韓企業在固態電池基礎研究方面具有一定的先發優勢，并且在材料研發、電池設計、電池制造等方面具備較強的綜合實力。國內相關企業可結合自身發展需求，適當引進國外的先進固態電池技術，并與國外擁有先進固態電池技術的相關企業加強交流合作，在技術引進基礎上加強再創新工作，以推動國內固態電池產業的自主創新與可持續性發展。

二是大力強化固態電池自主研發。日本豐田等國外企業在硫化物固態電池關鍵技術方面專利布局較早且具有明顯的優勢，但是我們不應“人先有、我后有”式地簡單跟隨，而要注重開發獨立自主的技術方案，繞開日本、韓國、美國等國外知識產權的壁壘和限制，從而在未來的國際新能源市場競爭中占領制高點。

三是注重推進固態電池標準國際化。相關部門和企業應聯合電池產業鏈上下游的企業和不同組織機構，針對固態電池的研發設計、電導率測試、電解質材料、生產制造、質量安全評估、核心裝備配置等環節，借助數字化信息技術開展相關標準修訂工作，從而打造標準化的公開、共享的體系與平臺，在推進固態電池標準國際化的同時，營造面向全球發展的共享、共贏環境。

5 結語

固態電池作為一種新興的能源存儲技術，具有高安全性、高能量密度、使用壽命長等特點，將會成為下一代儲能電池的主要發展方向。筆者分析了目前固態電池的技術路線與發展現狀，總結了我國固態電池產業發展中面臨的一些主要問題，如關鍵技術難題待解決、工程化制備技術待突破、知識產權布局待優化、發展技術路線不清晰等，并從政策扶持、發展目標、技術路線、國際合作、發展模式等方面提出了應對策略，即：加大政策扶持，推動技術創新研究；明確發展目標，堅持多元化發展策略；強化產學研合作，加速研究成果轉化；扶持龍頭企業，明確固態電池優先發展級；強化國際合作，探索發展新模式。以此為基礎，我國的固態電池研發和市場化會取得更大的成果。