具有高能量密度以及高安全特性的固態(tài)電池正在全球范圍內(nèi)受到關(guān)注。伴隨著新能源汽車(chē)的高速發(fā)展，提高車(chē)輛續(xù)航里程的呼聲日益響亮，想要汽車(chē)“跑”得遠(yuǎn)，選用能量密度更高的固態(tài)電池成為一個(gè)可行的選擇。在此背景下，不同國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛進(jìn)入“賽道”，開(kāi)啟了一場(chǎng)發(fā)力布局和加速固態(tài)電池研發(fā)的“拉力賽”。

“想要達(dá)到2020年及以后的動(dòng)力電池能量密度發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)能量密度大于500Wh/kg的目標(biāo)，現(xiàn)有的液體電解質(zhì)電池體系恐怕無(wú)能為力。作為下一代面向500Wh/kg的電池技術(shù)路線，固態(tài)電池體系的研發(fā)已成為剛需。新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展需要新的技術(shù)儲(chǔ)備，固態(tài)鋰電池則有望成為下一代車(chē)用動(dòng)力電池主導(dǎo)技術(shù)路線，它不只是未來(lái)二次電池的重要發(fā)展方向，也是當(dāng)前的重要任務(wù)。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳立泉近日表示。

國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)同時(shí)發(fā)力

國(guó)內(nèi)外不少大型車(chē)企現(xiàn)已開(kāi)始發(fā)力固態(tài)電池的研發(fā)，以求奪得未來(lái)發(fā)展新能源汽車(chē)的技術(shù)話語(yǔ)權(quán)。“各大汽車(chē)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)在研發(fā)應(yīng)用新一代高能量密度動(dòng)力電池方面都不甘落后。”日前發(fā)布的《中國(guó)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2018)》分析指出。

進(jìn)軍固態(tài)電池領(lǐng)域，大眾汽車(chē)顯然早有計(jì)劃。其大規(guī)模電動(dòng)車(chē)發(fā)展計(jì)劃“RoadmapE”預(yù)計(jì)投資500億歐元，將在中國(guó)、歐洲及北美開(kāi)展動(dòng)力電池長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作項(xiàng)目，并在2025年之后實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池裝車(chē)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)1000公里的續(xù)航里程。同樣積極布局固態(tài)電池的還有寶馬汽車(chē)，其與美國(guó)電池技術(shù)公司SolidPower建立合作伙伴關(guān)系，共同開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用固態(tài)電池技術(shù)。

在亞洲，固態(tài)電池同樣是汽車(chē)公司以及電池企業(yè)布局的熱點(diǎn)。日本豐田給出的“答卷”是與松下聯(lián)合研發(fā)方形固態(tài)電池，同時(shí)計(jì)劃發(fā)展更高密度的新一代全固態(tài)電池。而韓國(guó)電池制造研發(fā)企業(yè)LGChem則選擇與三星SDI聯(lián)合研發(fā)高鎳NCM、NCA以及固態(tài)電池，并表示固態(tài)電池量產(chǎn)將在2025年左右。

面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際固態(tài)電池市場(chǎng)，我國(guó)以中國(guó)科學(xué)院物理研究所為代表的研究團(tuán)隊(duì)，也正在積極推進(jìn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化工作。同樣發(fā)力的還有企業(yè)，贛鋒鋰業(yè)正與中國(guó)科學(xué)院寧波材料所進(jìn)行合作，寧德時(shí)代、天津力神、中航鋰電及衛(wèi)藍(lán)新能源等企業(yè)也在進(jìn)行固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)。

“可以看到，不管是車(chē)企還是電池企業(yè)都著眼于全固態(tài)電池的研發(fā)，這更像是一場(chǎng)高比能全固態(tài)電池的技術(shù)競(jìng)賽，將極大促進(jìn)高比能全固態(tài)鋰電池最終實(shí)現(xiàn)。”北京理工大學(xué)材料學(xué)院教授吳伯榮表示。

多道難題待解

據(jù)記者了解，固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵是固態(tài)電解質(zhì)材料，現(xiàn)有的無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)和高分子聚合物電解質(zhì)材料，沒(méi)有任何一種既有高離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，又有良好的加工性能。“目前高分子聚合物電解質(zhì)材料在室溫離子電導(dǎo)率低，而無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)則存在制備困難的問(wèn)題，怎么辦呢?我們要挑選各自的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避缺點(diǎn)。”中國(guó)科學(xué)院院士南策文指出，想要“兩全其美”，就必須對(duì)固態(tài)電解質(zhì)材料的研發(fā)提出更高的要求。

面對(duì)固態(tài)電池發(fā)展過(guò)程中的阻力，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)劉彥龍同樣提出了自己的看法，“目前最基礎(chǔ)的問(wèn)題仍然沒(méi)有在科研層面得到解決，即固體與固體之間的接觸界面高電阻問(wèn)題。”過(guò)大的電阻不僅會(huì)帶來(lái)能量的浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，對(duì)其安全性能造成不良影響。

除了技術(shù)上的不成熟，市場(chǎng)規(guī)則不完善同樣是固態(tài)電池成長(zhǎng)的“煩惱”。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司北京工作部副主任王成告訴記者，縱使近兩年的新能源汽車(chē)財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)了動(dòng)力電池能量密度和車(chē)輛續(xù)駛里程，且2018年新版的補(bǔ)貼政策更加細(xì)化和完善，但是對(duì)于產(chǎn)品能量密度的指標(biāo)要求迭代周期過(guò)短，導(dǎo)致部分企業(yè)一味追求能量密度和高補(bǔ)貼，忽視了產(chǎn)品綜合性能的優(yōu)化，導(dǎo)致企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品難以形成積累。

“從整體的技術(shù)鏈來(lái)看，固態(tài)電池市場(chǎng)存在布局不均、鏈條不穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，難以打下持續(xù)發(fā)展提升的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”王成分析指出，目前仍需進(jìn)一步引導(dǎo)企業(yè)在技術(shù)以及產(chǎn)品層面形成良性發(fā)展的健康體系，“研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)應(yīng)注重積累的效率，在不斷的積累量變過(guò)程中，促成迭代質(zhì)變。”

固態(tài)鋰電池成戰(zhàn)略重心

面對(duì)如火如荼的固態(tài)電池“競(jìng)技場(chǎng)”，中國(guó)顯然搶到了參賽的入場(chǎng)券。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中明確提出了對(duì)單體動(dòng)力電池比能量的戰(zhàn)略布局，高比能、高安全、長(zhǎng)壽命和低成本固態(tài)鋰離子電池，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的關(guān)鍵和重要支撐。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)、高校，以及近年來(lái)隨國(guó)家政策而創(chuàng)建的優(yōu)勢(shì)電池材料企業(yè)，在固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池研究方面已取得了系列研究成果。同時(shí)，贛鋒鋰業(yè)和寧德時(shí)代都將全固態(tài)鋰電池作為下一代高性能動(dòng)力電池的研發(fā)重點(diǎn)。

“總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合、固態(tài)最后到全固態(tài)。負(fù)極會(huì)從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。”中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高近日分析指出，“到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，全固態(tài)電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500Wh/kg。2030年，常規(guī)車(chē)型的續(xù)航里程應(yīng)該可以達(dá)到500km以上。”

目前，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和工信部都已將固態(tài)電池的研發(fā)列為重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，隨著更多新型固態(tài)電解質(zhì)材料的發(fā)展和全固態(tài)鋰電池反應(yīng)機(jī)制研究的逐步深入，固態(tài)電解質(zhì)性能有望得到持續(xù)改善。

“但光靠國(guó)家的支持是不夠的。”陳立泉指出，“希望鋰電產(chǎn)業(yè)界和投資促進(jìn)局高度重視，使我國(guó)在這場(chǎng)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，使動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)從‘跟跑’變?yōu)椤I(lǐng)跑’，促進(jìn)新能源汽車(chē)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。”