固态电池产业化时间表确定

固态电池被称为“压垮燃油车时代的最后一根稻草”。而如今，固态电池产业化时间表似乎可以确定下来：全固态锂电池很可能在2030年左右就能实现商业化。
近日，在2023中国(新余)锂电新能源材料科技大会上，加拿大国家工程院院士、加拿大皇家科学院院士张久俊表示，“未来五年内全球全固态电池的商业化可能会有些难度，但十年内商业化量产没有问题。”
今年2月，日产对外表示固态电池研发成功。根据日产计划，有望在2025年前实现固态电池的限量试点生产，在2026年前完成初始技术的工程设计，并在2028年前推出第一款搭载固态电池的量产版电动汽车。这一时间表似乎比此前预计2030年实现固态电池商业化的时间表提前了许多。
5月13日，据法媒《回声报》报道，辉能科技计划投资52亿欧元(约393.64亿元人民币)在法国北部的敦刻尔克新建一座电池工厂。
5月16日消息，三星电机正在研究开发和制造针对IT设备的氧化物固态电池。同时，关联公司三星SDI计划专注于陶瓷硫化物固态电池。该公司计划在今年第二季度内开始运营一条电池试验线……
由此可见，业界对固态电池的研发及产业化应用越来越多。如果固态电池产业化，电动汽车的安全性问题、续航里程、充电效率等问题将迎刃而解，势必将带来一场真正的电池技术革命。除了动力电池，汽车技术变革正呈现电动化、智能化、网联化的特征，特别是5G、人工智能等一系列新技术在汽车领域的应用，正掀起智能网联的革命。6月8日，全球领先的专业电子机构媒体AspenCore将携手深圳市新一代信息通信产业集群联合主办2023国际AIoT生态发展大会，其平行分论坛——智能网联汽车论坛，将探讨和分析汽车电子技术发展新趋势和方向，以及产业存在的技术挑战和机遇。欢迎参会!
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受捧的固态电池
固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池，其内部完全没有液体的存在，由无机物或有机高分子固体作为电池的电解质，是电动汽车非常理想的电池。
整体来看，固态电池具有以下技术优势：一是能量密度高，理论值接近当前液态电解质锂电池理论值的10倍。例如卫蓝新能源推出的半固态电池，能量密度360Wh/kg，或可实现单次充电续航1000公里。而全固态电池可实现更高的能量密度，打破现有锂电池能量密度受限的格局。
二是安全性能好，没有了液态电解质，不会造成电解液遗漏，出现内部短路，固态电解质也能更好的抑制锂枝晶，对锂金属具有化学和电化学稳定性。如果要求倍率性能高、电化学体系激进，一定条件下固体电解质中也会生长锂枝晶，存在内部短路的风险。
三是循环寿命强。锂离子电池使用固态电解质后，解决了液态电解质在充放电过程中形成的SEI膜(固体电解质界面膜)的问题，以及抑制了锂枝晶的出现，从而大大提升了锂离子电池的循环性和使用寿命。
四是能超快速充放电，自放电大幅降低。
五是更易设计电池的大小和形状，更能实现动力电池的定制化。
然而，固态电池也并非绝对完美，主要挑战在于：一是制造的成本高，在传统锂电池的设备和工艺上需要有大幅革新，技术研发投入大。减少稀有元素，降低制造成本，成为了行业努力的方向。目前，采用氧化物路径制备的半固态电池，与传统锂电设备及工艺兼容性可达70%以上，这可以帮助电池企业更好的向固态电池过度。
二是界面阻抗过大，固态电解质与电极材料之间的界面是固-固状态，因此电解质、电极两者之间的有效接触能力较弱，从而导致离子在固体物质中传输动力学低，由此产生影响电池性能的界面阻抗。
尽管这种电池仍然面临着成本和技术双重挑战，但似乎业界对其产业化抱有很大的期待。
目前，宁德时代、中创新航、赣锋锂业、孚能科技等头部动力电池企业，都已公开表明在固态电池技术方面有所布局。
根据辉能科技在法国的投资计划，新工厂预计在2024年开始建设，在未来10年内分三期建成。辉能科技计划项目总投资额75亿欧元(当前约567.75亿元人民币)，最大的一期工程将耗费52亿欧元(当前约393.64亿元人民币)，最终产能将达到120GWh。
Bloomberg数据预计，2028-2035年，采用固态电池的电动车将增长37倍，而固态电池的成本将下降至40美元/KWh，甚至低于液态电池。

又难又贵的固态电池
从各大电池企业以及相关机构的研发计划与进展来看，固态电池产业化似乎不再遥远，但仍然是一个比较难商业化的技术。特斯拉创始人埃隆·马斯克就曾公开表示：“固态电池距离技术成熟还需要时间，不足以改变特斯拉的战略。”
实际上，目前全固态锂金属电池在实验室里可以实现能量密度400Wh/kg以上，甚至500Wh/kg、600Wh/kg更高。同时，全固态锂金属电池可保证日常使用中绝无任何自燃的可能性，2000次甚至上万次的完整循环寿命 、高速快充(5分钟之内将电量从0充到100%) 、可直接打碎分类环保回收再利用。
特斯拉官方数据显示，4680电池的能量密度将达到300kWh/kg，相对固态电池仍然有不小的差距。然而，对于整车商而言，管控成本是其重点考量的因素。
在新能源汽车领域，电池是新能源汽车核心部件，在其进化与升级中，电池技术的瓶颈突破是关键一环。无论目前主流的三元锂或磷酸铁锂等液态电解质的锂离子电池，还是业内公认的下一代二次动力电池即全固态锂金属电池，都将面临一个特别现实的问题——电池最终造价里占比最高的“工艺成本“问题。
目前，全固态电池成本被认为比锂电池高4倍以上。据美国福特汽车估算，目前纯电动汽车用锂电池的成本为每千瓦时约合1000元，2030年将降低到511元以下。如果固态电池要批量生产、应用普及，到2030年固态电池的制造成本，要达到五六百元，是现在成本的1/6左右。
尽管固态电池前景被看好，但宁德时代、LG新能源、松下等厂商都未考虑立即量产，主要在于两点：一是目前的磷酸铁锂/三元锂的投资付出的沉没成本太高，必须优先考虑回本、盈利;二是固态电池短期内成本高昂，终端应用必然不多，短期内投资收益平衡很难实现，何况盈利的可能性。
宁德时代董事长曾毓群也曾经表示：“固态电池有很多科学及技术的基础问题尚未解决，我们公司深耕10多年，仍然认为难以形成有技术可行性和市场竞争力的产品。”
宁德时代发布凝聚态电池 图源：宁德时代
在实现固态电池产业化过程中，宁德时代也试水了半固态电池过渡方案——凝聚态电池。4月19日，宁德时代在上海车展上举行了凝聚态电池的发布会，首次宣布了将在今年内量产的第一代凝聚态电池(Condensed Battery)。
这款电池是一种半固态化的胶质状态，既能完成锂离子在正负极的传导工作，也因为电解液本身的粘性使得流动性降低，能提高动力电池整体的安全性能，避免了传统液态锂离子电池的热失控的巨大风险。
除了安全性能之外，凝聚态电池的能量密度高达500Wh/kg，比目前液态锂离子电池的理论能量密度上限(350Wh/kg)还高出了30%。
而另一大电池企业赣锋锂业的使用锂金属负极固态电池样品能量密度可达到400Wh/Kg，且通过了针刺等严苛安全测试。该公司正在重庆建设20GWh的全国最大的固态电池基地，生产半固态电池产品。
另外，蔚来汽车、孚能科技、清陶能源、国轩高科、天齐锂业、辉能科技等也是国内固态电池的积极参与者，但产品基本上是含有部分液态电解质的半固态电池。
固态电池话语权至关重要
当前，固态电池以安全性高、容量大被行业看好，成为全球动力电池争夺的制高点之一。该电池安全性、容量大两大特性决定了其能够解决目前动力电池面临的两大核心难题：续航里程不够长、电池不够安全。
全固态电池将取代传统锂电池已经成为业界共识，也得到了各国政策支持，而且上升到国家战略层面。
从国家和区域政策来看，美国、日本和德国已经对未来电池技术作了比较完善的规划，不仅探索新概念电池技术，也在大力推进固态电池成本的降低。
我国则在《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》中，提出了加强固态电池研发和产业化进程的要求，首次将固态电池上升到了国家层面，提出到2030年，我国液态电解质将演变为固态电解质的目标。
4月20日，韩国更是宣布，计划到2030年投入20万亿韩元(约合151亿美元)来开发固态电池等先进电池技术，以使韩国率先实现商业化固态电池生产，成为世界上固态电池商业化的第一个国家。
从技术实力来看，日本在固态电池领域走在全球前列。调查机构Patent Result数据显示，专利数前五的企业分别为丰田、松下控股(HD)、出光兴产、三星电子、村田制作所，除了三星电子，其余4家均为日本企业。其中，丰田专利数居第一，专利数达1331件，是第二名的三倍。而全固态电池专利数前十名中，日本企业6家、韩国企业4家，没有一家中国企业上榜。
另据日经新闻3月19日报导，Maxell将成为全球第一家量产产业机械用大容量全固态电池的厂商，将在今年夏天开始生产使用于工厂机器人的大容量全固态电池。
数年之前，在锂电池关键材料方面，中国厂商需要向日企缴专利费才能获得想要的技术。尽管目前中国已经在锂电池技术上实现了逆转(可供应全球60-90%的锂电池材料，其中负极材料中的石墨则100%由中国生产)，但未来又将面临固态电池这一技术专利赛道的垄断和竞争。
从技术挑战来看，电池行业是一个高度重资产的行业，对资本、人才储备、产业链都有非常高的要求，其技术难度和重要性近似先进芯片工艺。
张久俊指出，固态电池的挑战是离子电导率一般较低，电极/电解质界面接触，部分材料成本相对较高，其大规模发展要求电解质材料具有高离子导电性、高离子迁移数、宽电化学窗口、机械强度高、热稳定性好，以及与电极接触良好等性能。
固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质，其主流技术路线分别为聚合物、氧化物、硫化物固态电解质。三者技术路线各有优劣，比如聚合物固态电解质的缺点是离子电导率低，氧化电压低;氧化物固态电解质的主要缺点是界面接触差;硫化物固态电解质的主要缺点是易氧化，水汽敏感。
值得一提的是，最近美国马里兰大学团队制备了一种具有固态硫正极的全固态石榴石电池，运用 LLZO 固态电解质首次实现了全固态锂硫电池。该研究的第一作者为马里兰大学博士毕业生石昌民。他表示，“这是我博士阶段的最后一个项目，在世界上首次实现了氧化物固态锂硫电池的全固态化，完全不需要添加任何液态电解液。该技术在固态电池领域里属于技术革新，并且基于电池的原材料和制备方法，有利于该全固态电池的大规模商业化生产。”

全固态双层LLZO锂硫电池在60℃下的电化学性能(来源：ACS Energy Letters)综合上述，全固态电池技术已不仅仅是一场单纯的技术变革，解决里程焦虑和行车安全问题，更代表着能源存储的未来。对此，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高甚至判断：“现在全球已经有无数人投入到了这场创新运动。随着ChatGPT技术的出现，对新材料的探索效率极大提高，开发的周期能够缩短，通过全球的努力，全固态电池能够取得成功。”

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