固态电池再受关注：能否规模化应用“赶日超美”？

文/理逻 唐之霖（实习生）

近日，资本市场上对固态电池的关注度再次提升，而这距离《新能源汽车产业发展规划（2021-2035》已时隔一年。该技术的应用与推广有了哪些变化？

9月，前瞻产业研究院发布2020年中国固态电池行业研究报告，报告称中国直接针对固态电池行业的政策较少，主要是从提高锂电池行业标准，培育新型产业角度为固态电池发展提供路径引导，从加强新能源汽车动力电池续航要求角度倒逼固态电池产业升级。固态电池可用于医疗设备（智能手表、持续血糖监测系统等可穿戴设备）、新能源汽车和传统电子产品领域。前两者的增长潜力巨大。

对此，光大证券认为当前固态电池已经进入“军备竞赛”阶段，各企业都希望抢占先机赢得市场份额，预计2025年实现固态电池的规模化生产，2030年实现全固态电池的商业化应用。

不过，也有行业内人士给出了不同的观点。宁德时代电池开发负责人在接受相关采访时坦言，宁德时代要实现商品化，恐怕要到2030年以后。表示无法量产的企业还有很多，攻克成本和技术问题的难度大于预期。固态电池电解质的价格居高不下，多项进展仍停留在实验室阶段，液态锂电池向固态电池的转变也非一蹴而就，需要经历液态-->固液混合-->纯固态的转变。固态电池产业化之路充满艰难险阻。

固态电池是指采用固态电解质的锂电子电池，优点是安全性高，能量密度提升。固态电池和液态锂电池的主要区别在于电解质和中上游的负极材料（正极几乎一致，但如果完全发展至全固态电池，隔膜要被完全替换）。

固态电池不含电解液，具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，其核心固态电解质决定着固态电池的各项性能参数。使用锂金属负极能显著提升能量密度，可从现有的300Wh/kg的能量密度提升至500Wh/kg，同时省去冷却系统，进一步提升能量密度。

总体上，目前固态电池的缺点可从三个层面分析。一是工艺技术层面，固态电池的固固接触面容易接触不良。将液态电解质换成固态，相当于把浸泡在海水中的鹅卵石用沙子去包裹，鹅卵石和沙子间有较大的空隙，包裹力差。二是加工层面，产业链上各环节的缺失是固态电池高成本的一大原因。固态电池的制备工艺是全新的，没有产业链，而建立产业链作为产品的固定成本，需要投入大量资金，生产门槛高。三是原材料层面，生产氧化物固态电解质所需的薄膜LIPON量产成本高；硫化物固态电解质对生产环境要求苛刻，需要隔绝水和氧气；银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高，这是固态电池高成本的另一大原因。上述三大缺点决定了固态电池产业化尚远。

固态电池按电解质材料可分为三大体系，聚合物、氧化物和硫化物。聚合物电解质属于有机固态电解质，而氧化物和硫化物属于无机固态电解质。基于此，固态电池的技术路线分为三种，三者在导电、安全性、能量密度、界面接触性和稳定性、加工原材料、使用寿命等方面存在些许差异。

聚合物固态电池在聚合物电池在加工上存在优势。聚合物材料的生产工艺和现有锂电池的比较接近，能在最大程度上利用现有设备实现量产，然而在导电性、界面接触性和稳定性、能量密度方面存在劣势。聚合物固态电池的离子导电率低，提升离子导电率必须加热到60或85℃以上，这就意味着用电设备必须保持在充电和高温环境中，存在安全隐患。再是聚合物质地柔软，即便固态电池可抑制锂结晶的生长，锂结晶依旧能够穿透固态电解质，造成短路。最后是能量密度方面，电化学稳定性不好，能量密度有局限且无法提升。

相比聚合物固态电池，氧化物固态电池的导电率较高，但仍不如液态电解液。在界面接触性和稳定性方面也没有多大改善，固固接触接触不良，导致面接触变成点接触，界面损耗大。与此同时，使用寿命方面，氧化物的机械性能坚硬，容易脆裂，大大缩短了电池的使用时长。

硫化物固态电池的例子导电率性能更高，是所有固态材料中唯一能超过液态电解液的材料，也因此被视作全固态电池未来最有可能的技术路线。但在加工原材料方面的劣势尤为突出；硫化物接触性好但界面稳定性极差，能与空气、有机溶剂、正负极活性材料发生反应，与水接触后甚至能产生有臭味的H2S剧毒气体，直接违背固态电池安全性的初衷。

当前，中日韩欧美共有53家企业专注研发固态电池，其中有9家着眼于硫化物固态电池的研究。各国的发展侧重点各有不同，欧美企业偏好氧化物与聚合物体系，而日韩企业则偏好硫化物体系，相对来说，我们固态电池方面起步较晚。

从行业布局上看，欧美车企对固态电池的关注度高，大型车企如宝马、福特、大众等投资高校衍生的初创企业如Solid Power， Quantum Scape等获得技术支持，奥迪和保时捷也在后续跟进。今年十月，Solid Power已宣布拥有小规模制备硫化物全固态电芯的能力，每周一百只左右，容量0.25Ah以下小电芯用硫化亚铁材料，24Ah及以上大电芯用NCM622材料，负极为金属锂。预计2021年上市，2026年装车。Quantum Scape主打1000Wh/L以上、380-500Wh/kg的高能量密度电芯和快充技术，但因其展示的电芯厚度和高能量密度并不匹配，招致了行业内部的怀疑。

值得注意的是，美国的Sakti3本是全球氧化物固态电池的龙头，并在去年12月宣称生产出了能量密度达1000Wh/kg的固态电池，但Sakti3现因经营不善和技术路线问题倒闭，投资它的戴森不得不暂时放弃固态电池的跟进。投资固态电池公司需警惕技术路线变更和市场竞争风险。

日韩地区在固态技术领域起步较早。日本方面，丰田早在2008年就与固态电池企业Ilika开展了合作，2019年初，宣布与松下合作；三菱、日产紧随其后，与雷诺联合投资初创公司Ionic Materials，共同研发固态电池。日本在国家战略层面也给出了足够大的支持，近年来日本科技省和新能源研发机构年投入近45亿日元（折合人民币约2.8亿元），举全国之力，联合39加机构，推进硫化物固态电池产业化，预计其在日本动力市场的渗透率在2025年可达50%，2030年可达95%。在韩国方面，LG化学、三星SDI和SKI三大电池企业组成联盟。今年3月，三星在Nature Energy上发表了60℃下1000多循环的固体硫化物电池，负极材料采用银碳复合物，成为公开数据中最好的硫化物固态电池。

我国2000年后一直致力于追赶日韩，并逐步成为了锂电子产业化的主流。考虑到硫化物例子导电率高、活性强，成本高，研究难度大，研发门槛高，较短期内难以出现突破性成果，我国做氧化物全固态电池更多，并着眼于固态电解质和正负极材料改性。参与主体包括中科院化学所、中科院青岛能源所、中科院宁波材料所等研究机构，宁德时代、赣锋锂业等电池企业，也包括万象集团、比亚迪等车企。

目前，辉能科技是氧化物电解质技术的领军企业，首创“固态陶瓷电解质”锂电池，用抗压的固态陶瓷电解质取代隔离层和电解液，解决了漏液问题、短路问题，增加了安全性能。国内的赣锋锂业是全球最大的金属锂生产商，2017年也引入中科院团队开展战略布局。2018年第一代固态锂电池指标达单体容量10Ah，能量密度不低于240Wh/kg，1000次循环后容量保持率90%以上的水平，在电解质膜技术上实现了100吨的量产能力。宁德时代2016年开始硫化物固态电池的研究，目前电池实现了单体容量325mAh，能量密度达300Wh/kg，300次循环后容量保持率82%的指标。

一位行业内人士认为，我国目前只在氧化物固态电池上有一定的优势，总体上与欧美、日韩等国家仍存在较大的技术差距，硫化物固态电池短期内无法赶超。此外，目前在政策上的优惠和支持力度也偏弱，距离规模化生产和商业化应用尚有时日。

责任编辑：戚琦琦