作為動力電池未來技術路線中難度較大的一種，寶馬、大眾、豐田等車企押注多年的全固態(tài)電池究竟何時能順利商業(yè)化量產(chǎn)，一直廣受業(yè)內(nèi)外關注。

在5月13日于江西新余召開的2023中國（新余）鋰電新能源材料科技大會上，加拿大國家工程院院士、加拿大皇家科學院院士張久俊對澎湃新聞記者表示，“未來五年內(nèi)全球全固態(tài)電池的商業(yè)化可能會有些難度，但十年內(nèi)商業(yè)化量產(chǎn)沒有問題。”

張久俊院士在會議演講中，澎湃新聞記者森寧拍攝

在此次大會作的《高能固態(tài)鋰電池及復合電解質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、展望》報告中，張久俊指出，發(fā)展固態(tài)電池是提高電池能量密度和改善電池安全性的有效策略。    

通常認為，固態(tài)鋰電池是一種采用固體電極和固體電解質(zhì)的鋰離子電池，不使用有機電解液和塑料類高分子隔膜，電池負極未來可以用鋰金屬替代石墨和硅作為原材料。

在張久俊看來，目前，傳統(tǒng)主流的液態(tài)鋰離子電池面對著十大挑戰(zhàn)，分別包括能量密度、功率密度、安全特性、循環(huán)壽命、日歷壽命、自放電、快充性能、溫度范圍、資源環(huán)境、成本等。“其中能量密度和安全性是研發(fā)最關注的指標，被認為是技術更新?lián)Q代的標志。”張久俊說。

除了安全性能高、能量密度高（使用鋰金屬作為負極能量密度能達到500Wh/Kg），固態(tài)電池的優(yōu)點還包括熱穩(wěn)定性好（溫度范圍更廣），結構緊湊，易于組裝。

實際上，近年來諸多國際主流車企和電池企業(yè)一直不遺余力地支持固態(tài)電池研發(fā)。今年早些時候，日本汽車制造商日產(chǎn)（Nissan）宣布，日產(chǎn)研發(fā)的全固態(tài)電池和現(xiàn)在的液體電解液鋰離子電池相比，成本會降低50%，能量密度提高1倍，并且可提供比現(xiàn)在電池快3倍的充電速度。日產(chǎn)計劃在2025年建立并運行全固態(tài)電池試點生產(chǎn)廠，2028年首次應用在汽車上，逐步實現(xiàn)量產(chǎn)。

大眾集團投資了固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape，并在2021年稱，預計固態(tài)電池投入使用的時間將在2025年。寶馬集團則與初創(chuàng)公司Solid Power公司合作，第一輛采用全固態(tài)電池的寶馬原型車計劃2025年之前推出，2030年之前將實現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)。

就在上個月的上海國際車展上，全球動力電池龍頭寧德時代發(fā)布了全新一代凝聚態(tài)電池，并宣布將于年內(nèi)量產(chǎn)，用于載人航空和新能源汽車。電池使用了高動力仿生凝聚態(tài)電解質(zhì)，高比能正極，新型負極和電池隔膜，能量密度達到了500WH/kg。在業(yè)內(nèi)看來，寧德時代的凝聚態(tài)電池被認為是介于液態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電解質(zhì)電池之間的一種路線。

而國內(nèi)的電池企業(yè)中，除了寧德時代，贛鋒鋰業(yè)的使用鋰金屬負極固態(tài)電池樣品能量密度可達到400Wh/Kg，已經(jīng)通過了針刺等嚴苛安全測試。公司正在重慶建設20GWh的全國最大的固態(tài)電池基地，生產(chǎn)半固態(tài)電池產(chǎn)品，已和多家車企達成合作，將在多款車型上實現(xiàn)裝車運營。

此外，國內(nèi)固態(tài)電池的積極參與者還有蔚來汽車、孚能科技、清陶能源、國軒高科、天齊鋰業(yè)、輝能科技等，目前產(chǎn)品多為含有部分液態(tài)電解質(zhì)的半固態(tài)電池，大部分還在實現(xiàn)量產(chǎn)落地裝車的進程中。

復合固態(tài)電解質(zhì)材料可成為新方向

在張久俊看來，固態(tài)電池的發(fā)展趨勢，仍然是液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，最終實現(xiàn)電解質(zhì)的全固態(tài)。

不過，可以看到，受技術和成本的制約，固態(tài)電池的量產(chǎn)仍然存在挑戰(zhàn)。張久俊指出，固態(tài)電池的挑戰(zhàn)是離子電導率一般較低，電極/電解質(zhì)界面接觸，部分材料成本相對較高。

其大規(guī)模發(fā)展要求電解質(zhì)材料具有高離子導電性、高離子遷移數(shù)、寬電化學窗口、機械強度高、熱穩(wěn)定性好，與電極接觸良好等性能。

據(jù)介紹，目前全球主流的固態(tài)電解質(zhì)材料路線主要有三種，例如，Solid Power、SEE選擇的是聚合物固態(tài)電解質(zhì)路線，松下、本田、豐田、三星、寶馬、寧德時代選擇的是硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線，QuantumScape、贛鋒鋰業(yè)、清陶能源、大眾、LG新能源選擇的是其中氧化物電解質(zhì)路線。

但張久俊認為，單組分固態(tài)電解質(zhì)的性能參數(shù)目前看來各有優(yōu)劣，很難達到電池性能要求，例如“聚合物固態(tài)電解質(zhì)的缺點是離子電導率低，氧化電壓低；氧化物固態(tài)電解質(zhì)的主要缺點是界面接觸差；硫化物固態(tài)電解質(zhì)的主要缺點是易氧化，水汽敏感。”張久俊說。

基于此，張久俊提出，使用復合固態(tài)電解質(zhì)將成為解決固態(tài)電池缺點的有效解決方案。具體而言，四類主要的復合固態(tài)電解質(zhì)包括了無機填充復合固態(tài)電解質(zhì)、二維層狀結構復合固態(tài)電解質(zhì)、三位連續(xù)結構復合固態(tài)電解質(zhì)以及開放骨架機構復合固態(tài)電解質(zhì)。

以零維無機顆粒填充復合固態(tài)電解質(zhì)為例，零維顆粒無極材料填充于聚合物中可形成復合固態(tài)電解質(zhì)，相對于單相固態(tài)電解質(zhì)材料，所形成的復合固態(tài)電解質(zhì)的室溫離子導電率提高了幾十倍到上百倍。

張久俊院士在會議演講中，澎湃新聞記者森寧拍攝

張久俊告訴澎湃新聞記者，“無機顆粒填充復合固態(tài)電解質(zhì)目前來看可能發(fā)展最快，同時成本最低。”

盡管目前業(yè)內(nèi)對于固態(tài)電池的商業(yè)化前景仍然充滿了爭議，但張久俊表示出了對固態(tài)電池前景的看好。“固態(tài)鋰電池的進一步開發(fā)是實現(xiàn)電動汽車電池安全性高、長循環(huán)壽命、高能量密度目標的必要策略。提高能量密度、功率密度、壽命、安全性仍然是固態(tài)電池開發(fā)的研究重點，而探索低成本的高性能電極、固態(tài)電解質(zhì)材料是關鍵因素。”張久俊說。