全固態(tài)電池會(huì)顛覆現(xiàn)有的鋰電池嗎
時(shí)間:2024-01-22 09:18來源:言之成鋰 作者:言之成鋰
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2024年1月21日，由歐陽明高院士發(fā)起的中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)(CASIP) 在北京舉辦了揭牌儀式，會(huì)上邀請(qǐng)了來自工信部、能源局，物理與化學(xué)電源協(xié)會(huì)，中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)等部委和協(xié)會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)致辭，對(duì)固態(tài)電池的發(fā)展前景以及CASIP恰當(dāng)其時(shí)的成立給予了較高的評(píng)價(jià)。
此前業(yè)界就對(duì)固態(tài)電池寄予厚望，號(hào)稱是鋰離子電池的“最終形態(tài)”，是對(duì)現(xiàn)有業(yè)態(tài)鋰離子電池的顛覆性創(chuàng)新。那么，CASIP成立的目的是什么？全固態(tài)電池真的會(huì)顛覆現(xiàn)有的鋰離子電池嗎？本文帶您分析。
一、CASIP成立的目的
關(guān)于中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)(CASIP)成立的目的，歐陽明高院士在其主題報(bào)告中做了比較完整的表述。主旨概括起來如下：
1. 過去十年中國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了輝煌的成就，電池能量密度提高3倍，成本下降80%，電池產(chǎn)量占全球接近70%。這些輝煌成績(jī)有力保證了新能源汽車的發(fā)展：去年新能源汽車的銷量接近950萬輛，滲透率超過30%。有望在2025~2026年達(dá)成滲透率50%的目標(biāo)，比原定的2035年提前10年左右。而且新能源汽車的領(lǐng)先也對(duì)汽車出口產(chǎn)生了積極影響，去年950萬輛車?yán)锩嬗?20萬出口到海外市場(chǎng)，助力我國(guó)超越日本，成為世界第一大汽車出口國(guó)。
2. 雖然成就有目共睹，但是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著產(chǎn)能過剩以及行業(yè)內(nèi)卷的問題。其中低端的磷酸鐵鋰電池價(jià)格已經(jīng)跌到了0.4元/Wh，并且有望持續(xù)下跌到0.32元/Wh左右，這樣的價(jià)格已經(jīng)低于成本線。
所以除了頭部的兩家企業(yè)之外，國(guó)內(nèi)大部分動(dòng)力電池企業(yè)并沒有賺錢，還處于虧損狀態(tài)。我們不能總盯著低成本的電池來內(nèi)卷，也要開發(fā)高比能高安全的電池來占領(lǐng)高端市場(chǎng)。
3. 為了改善高比能電池的安全，歐美日韓普遍采用了全固態(tài)電池的路線。尤其是在硫化物技術(shù)路線方面，日本深耕多年，專利和技術(shù)遙遙領(lǐng)先，這一輪硫化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率的提升都是日本團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的。尤其是東京工業(yè)大學(xué)的Kanno教授，可以說憑借一個(gè)課題組之力將硫化物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提高到了逆天的程度，也側(cè)面促進(jìn)了豐田從2012年開始的固態(tài)電池布局。
韓國(guó)的三星SDI電池性能也很不錯(cuò)，美國(guó)的Solid Power的電池A樣也已經(jīng)給寶馬測(cè)試。而我國(guó)在還主要停留在半固體電池的階段，其基本思路跟液態(tài)電池是一致的，只是提高了安全性，不是顛覆性技術(shù)。
4. 目前在全固態(tài)電池專利布局上，日本遙遙領(lǐng)先，尤其是豐田已經(jīng)有超過1300個(gè)全固態(tài)電池的專利授權(quán)，而國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)專利授權(quán)數(shù)量不足100。
考慮到全固態(tài)電池是一種顛覆性的技術(shù)，在安全性，能量密度，溫度范圍，倍率以及系統(tǒng)集成效率等多個(gè)方面超過目前的液態(tài)鋰電池。我們必須要提前布局，避免在該領(lǐng)域被歐美日韓彎道/換道超車。
5. 基于以上分析，考慮到目前國(guó)內(nèi)對(duì)于全固態(tài)電池研發(fā)認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，力量比較分散，產(chǎn)學(xué)研不協(xié)調(diào)等現(xiàn)狀，急需聯(lián)合起來建立協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，從基礎(chǔ)研發(fā)，科研服務(wù)，以及產(chǎn)業(yè)協(xié)作等幾個(gè)方面來統(tǒng)籌協(xié)調(diào)國(guó)內(nèi)全固態(tài)電池的發(fā)展。
既能夠解決共性問題，比如Li2S的大規(guī)模合成，固態(tài)電池設(shè)備的統(tǒng)籌開發(fā)等（會(huì)上歐陽明高院士提到，如果采用全固態(tài)電池以及干法工藝，目前的鋰電設(shè)備大約60~70%都要重新開發(fā)），也能保留各家企業(yè)的特色技術(shù)，加快全固態(tài)電池的創(chuàng)新發(fā)展，來趕上歐美日韓2027~2030年全固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間節(jié)奏。
同時(shí)也能夠讓制定政策的高層乃至普通消費(fèi)者們掌握固態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)，不再為國(guó)內(nèi)電池的發(fā)展前景擔(dān)憂。
二、全固態(tài)電池會(huì)顛覆鋰離子電池嗎？
雖然全固態(tài)電池號(hào)稱是鋰離子電池的“最終形態(tài)”，但是其發(fā)展的時(shí)間比液態(tài)鋰電池更早。這從物理所陳立泉院士今天的報(bào)告中可見端倪，全固態(tài)電池早在20世紀(jì)70年代就開始研發(fā)，90年代初由于索尼公司成功商用了液態(tài)電解液的鋰離子電池，固態(tài)電池退居幕后。隨著電動(dòng)汽車的廣泛普及，電池安全的重要性不斷提高，在2011年以后重新引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的矚目。
全固態(tài)電池的核心是改善電池安全，正是因?yàn)殡娦颈菊靼踩母纳�，就可以使用更高能量密度的材料體系，做成高比能的電池。
不過在取消隔膜和電解液以后，電池內(nèi)部的空間都要由固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行填充，如果采用石墨或者硅負(fù)極的話，正負(fù)極的孔隙率都要考慮，即使是密度較低的硫化物電解質(zhì)，其質(zhì)量占比一般都在20%以上，導(dǎo)致同樣的正負(fù)極配方，固態(tài)電池的比能量不占優(yōu)勢(shì)(參考全固態(tài)電池更加務(wù)實(shí)了)。
比如歐陽明高院士展示的350Wh/kg的硫化物全固態(tài)電池，正極克容量235mAh/g, 負(fù)極硅克容量2400mAh/g, 要是用液態(tài)電池的話，那么能量密度可以達(dá)到450Wh/kg(不過電芯的安全性可能會(huì)比較差)。
從這個(gè)意義上講，寧德時(shí)代的凝聚態(tài)電池比能量達(dá)到了500Wh/kg, 雖然不是全固態(tài)這種顛覆性技術(shù)，如此高的比能量依然讓其他固態(tài)體系望塵莫及。
實(shí)際上，歐陽明高院士課題組也做了基于原位聚合的半固體電池（類似于凝聚態(tài)），通過電解液配方的優(yōu)化以及聚合物包覆層對(duì)正極釋氧的阻隔，熱失控特征溫度T2提升接近50℃，并且比能量可到320Wh/kg, 充電倍率4C, 1C循環(huán)壽命1500次以上。
而且這些是在不怎么增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)的，在國(guó)內(nèi)車企既要又要還要也要的復(fù)雜需求下，雖然半固體電池算不上顛覆，但是短期內(nèi)有望迅速鋪開。
當(dāng)然了，全固態(tài)電池的核心還得是高端化，從電解質(zhì)材料合成到電極制作都有較高的壁壘，這樣才有更多的利潤(rùn)。比如近期韓國(guó)的SK On跟美國(guó)硫化物固態(tài)電池初創(chuàng)公司Solid Power簽署合作協(xié)議，其中在電池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的方面，SK On需支付2000萬美元，才能得到后者的授權(quán)進(jìn)行研發(fā)活動(dòng)，且僅限研發(fā)，不能量產(chǎn)。生產(chǎn)線的組裝還得額外支付2200萬美元，而且還得獨(dú)家從Solid power購(gòu)買硫化物電解質(zhì)，預(yù)計(jì)也要1000萬美元。
不過這樣的合作方式估計(jì)在國(guó)內(nèi)很難展開，因?yàn)閲?guó)內(nèi)從事某一行業(yè)的人才高度集中，且專利意識(shí)不強(qiáng)，人才的流動(dòng)很容易導(dǎo)致技術(shù)的流動(dòng)，所以一旦哪家掌握了固態(tài)電池的技術(shù)，其他家可能很快就會(huì)趕上。比如手機(jī)的AI大模型，2023年寥寥無幾，今年全都上了；衛(wèi)星通訊也隨著華為的引領(lǐng)，變成了各家旗艦機(jī)普及的性能。
綜合來看，全固態(tài)電池很難顛覆現(xiàn)有的鋰離子電池。不過在特斯拉model S出現(xiàn)之前，國(guó)內(nèi)也幾乎沒人相信電動(dòng)汽車能搞成，因?yàn)殡姵氐哪芰坎粔�，續(xù)航太短；蘋果當(dāng)初搞觸屏智能手機(jī)，諾基亞摩托羅拉們也是嗤之以鼻，因?yàn)檫@手機(jī)打電話不穩(wěn)定，短信也不能群發(fā)，最基本的功能都無法保證；豐田的HEV技術(shù)超級(jí)節(jié)油且可靠性也很高，誰能想到比亞迪的DM-i取消了多檔變速箱，且國(guó)內(nèi)LFP電芯成本能降到0.4元/Wh以下，使得PHEV的性能和成本超過了HEV。
所以說對(duì)全固態(tài)電池還是要滿懷敬畏之心，就如喬布斯所說的”Stay hungary, Stay foolish”。
小結(jié)：隨著中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)(CASIP)的成立，我國(guó)全固態(tài)電池的發(fā)展邁入了新的階段，從之前的單打獨(dú)斗到后面的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，希望能夠在跟日韓歐美的激烈競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，趕在2030年前全面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
雖然從目前的技術(shù)路線來看，全固態(tài)電池很難徹底顛覆現(xiàn)有的鋰電池，但是不能忽略人工智能AI技術(shù)在新材料開發(fā)中的變數(shù)。考慮到國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和投資環(huán)境，能有多少企業(yè)堅(jiān)持到2030年還是未知，過程中可能需要政府的專項(xiàng)支持，至于后面的政策如何，讓我們拭目以待，靜待花開。
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鋰電池
全固態(tài)電池
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