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2025-02-24 03:03:25
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随着液态电池技术的(de)开发接近极限,固态电池凭借高(gao)能(neng)量密度、长寿命及安全性等优势(shi),成为下(xia)一代(dai)电池技术的(de)焦点,也是各大车(che)企和电池企业(ye)竞相研发的(de)方向。近期,多(duo)家车(che)企陆续(xu)公布了固态电池的(de)量产时间表(biao)。

比亚迪锂电池有限公司CTO孙华军在2月15日举行的(de)第二届中国全固态电池创新发展高(gao)峰(feng)论(lun)坛上表(biao)示,比亚迪计划(hua)于(yu)2027年前后启动全固态电池的(de)批量示范装车(che)应用;中国第一汽(qi)车(che)集团公司首席科学家王德平则透(tou)露,一汽(qi)全固态电池项(xiang)目计划(hua)在2027年实现(xian)小批量应用。在此之(zhi)前,长安汽(qi)车(che)、上汽(qi)集团和奇瑞汽(qi)车(che)也均表(biao)示,计划(hua)在2026年至2027年间实现(xian)固态电池的(de)量产或装车(che)验(yan)证。

从多(duo)家车(che)企的(de)表(biao)态看,2027年将(jiang)是固态电池量产的(de)关(guan)键时间节点。然而,宁德时代(dai)董事长曾毓群在去年3月的(de)业(ye)绩解读会上表(biao)示,固态电池离(li)商(shang)品化还很远,如果(guo)以技术和制造成熟度作为评价体系(以1—9打分,1分为入门,9分为成熟),目前整个行业(ye)只(zhi)到4分的(de)水平。宁德时代(dai)首席科学家吴凯更是直言,目前全行业(ye)均不具备量产全固态电池的(de)能(neng)力。

仍未找到完美的(de)技术路线

固态电池与液态电池的(de)最大区别在于(yu)电解质呈固态,这种改(gai)变使得固态电池在能(neng)量密度、安全性等方面具有显著优势(shi)。但固态电池的(de)制造仍然存在一系列(lie)关(guan)键问题需要(yao)突破解决,其中最重要(yao)的(de)是电解质技术路线的(de)选(xuan)择。

目前,固态电池的(de)电解质主要(yao)有硫化物(wu)、氧化物(wu)、聚合物(wu)、卤化物(wu)等技术路线,但“电解质中目前没有大家希望的(de)六(liu)边形战士(即完美无(wu)缺的(de)电解质),没有任何一种能(neng)满(man)足(zu)所(suo)有的(de)要(yao)求。”上海大学教授(shou)、中国全固态电池产学研协(xie)同创新平台专(zhuan)家委员会副主任卢世刚表(biao)示。

其中,硫化物(wu)的(de)离(li)子电导率高(gao),但化学稳定(ding)性差,容易(yi)与空气中的(de)水分和氧气反应,部分硫化物(wu)在高(gao)温下(xia)不稳定(ding),存在安全隐患;氧化物(wu)则因为脆性大,加工难度高(gao),且界面抗阻高(gao)与电极接触不良;聚合物(wu)电解质容易(yi)加工,但离(li)子电导率低,影响(xiang)电池性能(neng)。卤化物(wu)是固态电池中的(de)新兴材料(liao),有比较(jiao)好的(de)离(li)子电导率和稳定(ding)性,但脆性大不易(yi)组装,且成本较(jiao)高(gao)。

在这些并不完美的(de)电解质中,硫化物(wu)和氧化物(wu)电解质是目前行业(ye)研发和专(zhuan)利布局的(de)重点。丰田(tian)在固态电池上采(cai)用的(de)就是硫化物(wu)电解质。武汉大学化学与分子科学学院(yuan)教授(shou)艾新平指出:“硫化物(wu)是目前一个很好的(de)切入点,但是其是否具备未来装车(che)的(de)实际应用条件,以及安全性都还需要(yao)进(jin)一步的(de)考(kao)证。”

除电解质外,固态电池的(de)正(zheng)极和负极也存在多(duo)种选(xuan)择。如正(zheng)极材料(liao)有三(san)元材料(liao)、富锂锰基、磷酸铁锂、尖(jian)晶石等,负极材料(liao)有碳基材料(liao)、合金类(lei)材料(liao)、钛酸锂以及新型材料(liao)(如硅基、锂金属等)。但这些材料(liao)在性能(neng)、稳定(ding)性及成本方面各有优劣,尚未形成定(ding)论(lun)。

界面问题也是固态电池的(de)一大技术难题。曾毓群曾指出,研发全固态电池的(de)关(guan)键在于(yu)对材料(liao)和化学体系的(de)研究,其中最难的(de)就是“固—固界面”问题。因为固态电池中固体电解质与电极材料(liao)之(zhi)间难以实现(xian)完全紧(jin)密接触,接触电阻较(jiao)高(gao),影响(xiang)电池的(de)充放电效率。且在充放电过程中,电极材料(liao)会不可避免地发生(sheng)体积膨胀和收缩(suo),导致原本的(de)接触变差。另外,界面反应还会破坏(huai)界面结构形成锂枝晶,锂枝晶持续(xu)生(sheng)长可能(neng)穿透(tou)电解质,造成电池短路,引发大量产热和热失控。

在制造层面,固态电池的(de)干法和湿(shi)法工艺(yi)也存在争议。干法工艺(yi)具有工艺(yi)简单、生(sheng)产效率高(gao)的(de)优点,但难以保证电解质与正(zheng)负极材料(liao)的(de)良好接触;湿(shi)法工艺(yi)则能(neng)够更好地保证界面接触,但工艺(yi)复杂(za)、成本高(gao)。此外,固态电池的(de)生(sheng)产技术要(yao)求更高(gao),涉及高(gao)温高(gao)压等复杂(za)条件,增加了设备投入和生(sheng)产难度。这些因素都使得固态电池的(de)量产之(zhi)路充满(man)不确定(ding)性。

在不确定(ding)性中奔向量产

尽管固态电池的(de)最佳技术路线并没有确定(ding),但为了抢占市场取得先发优势(shi),国内多(duo)家车(che)企和电池生(sheng)产商(shang)在固态电池的(de)量产上持续(xu)进(jin)行着各自的(de)研究。在已经公布量产计划(hua)的(de)车(che)企中,各家的(de)技术路线均有所(suo)不同。

其中,比亚迪采(cai)用的(de)是硫化物(wu)复合电解质+高(gao)镍三(san)元正(zheng)极+硅基负极的(de)技术路线;奇瑞汽(qi)车(che)采(cai)用氧化物(wu)固态电解质路线,正(zheng)极材料(liao)采(cai)用高(gao)镍三(san)元材料(liao)或富锂锰基材料(liao),负极探索(suo)锂金属负极的(de)应用;长安汽(qi)车(che)采(cai)用氧化物(wu)复合固态电解质,正(zheng)极采(cai)用富锂锰基,负极选(xuan)用复合锂金属基材料(liao);广汽(qi)集团则并行推(tui)进(jin)两条研发路径,一是基于(yu)硫化物(wu)的(de)多(duo)元复合体系,二是基于(yu)聚合物(wu)的(de)多(duo)元复合体系。宁德时代(dai)同时推(tui)进(jin)硫化物(wu)电解质和氧化物(wu)电解质技术路线。

车(che)企和电池生(sheng)产商(shang)在固态电池技术路线上的(de)不同选(xuan)择,使得固态电池市场呈现(xian)出百家争鸣(ming)的(de)局面,但这正(zheng)是其量产落(luo)地的(de)不确定(ding)性的(de)体现(xian)。究竟(jing)哪(na)种技术路线将(jiang)成为未来发展的(de)主流?“全固态电池到了关(guan)键时期,需要(yao)确立技术路线,这关(guan)系到我国新能(neng)源汽(qi)车(che)产业(ye)持续(xu)健康发展。”在此次固态电池论(lun)坛上,中国科学院(yuan)院(yuan)士、清华大学教授(shou)欧阳(yang)明高(gao)表(biao)示。

欧阳(yang)明高(gao)指出,当前全固态电池的(de)技术路线,要(yao)聚焦以硫化物(wu)电解质为主体电解质,匹(pi)配高(gao)镍三(san)元正(zheng)极和硅碳负极的(de)技术路线。他认(ren)为,在硫化物(wu)固态电解质方面,目前众多(duo)企业(ye)已经建立了小批量供应能(neng)力,需要(yao)重点攻克大规模生(sheng)产工艺(yi),且目前全固态电池的(de)主体电解质逐渐聚焦于(yu)硫化物(wu)的(de)技术路线,包括丰田(tian)、本田(tian)等外资车(che)企,以及宁德时代(dai)、比亚迪、吉利等中国企业(ye)。

对于(yu)固态电池中长期的(de)发展路径,欧阳(yang)明高(gao)指出,2025年至2027年,要(yao)以200—300Wh/kg的(de)石墨/低硅负极硫化物(wu)全固态电池为发展目标为牵引,努力打通(tong)全固态电池的(de)技术链。2027年至2030年,要(yao)以400Wh/kg和800Wh/L为目标,重点攻关(guan)高(gao)容量硅碳负极,面向下(xia)一代(dai)乘用车(che)电池;2030年至2035年,则要(yao)以500Wh/kg和1000Wh/L为目标,重点攻关(guan)锂负极,逐步向符合电解质、高(gao)电压高(gao)比容量正(zheng)极发展。

至于(yu)量产时间,多(duo)数车(che)企瞄(miao)准了2027,有部分企业(ye)更是提(ti)出要(yao)在2026年进(jin)行量产。对此,无(wu)锡先导智能(neng)装备股份有限公司营销总经理叶正(zheng)平表(biao)示,车(che)企在2027年实现(xian)固态电池量产的(de)目标还是比较(jiao)冒险的(de),以采(cai)用硫化物(wu)电解质的(de)比亚迪为例,硫化物(wu)的(de)大规模生(sheng)产是个巨大的(de)挑战,而且成本压力也很大。

由于(yu)固态电池电解质可能(neng)使用一些高(gao)价稀有金属,同时固态电池的(de)生(sheng)产要(yao)求和设备投入更高(gao),导致固态电池总体成本高(gao)昂,这是固态电池量产应用的(de)一大难题。不过随着技术进(jin)步和规模量产,固态电池的(de)有望下(xia)降。孙华军表(biao)示,固态电池预计在2030年之(zhi)后实现(xian)大规模应用时,有望与液态电池达到同价水平。

总体来看,固态电池作为新能(neng)源汽(qi)车(che)市场的(de)关(guan)注焦点,其量产之(zhi)路仍然充满(man)争议和挑战,哪(na)种方案将(jiang)最终胜(sheng)出还需时间来验(yan)证。(记(ji)者 周(zhou)菊)

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