固态电池离商用化还有多远？

刘文婷 高宏

自2018年5月起，日本经济产业省出资16亿日元，联合丰田、本田等汽车厂商及电池、材料厂商，共同研发固态电池，将固态电池上升到国家战略高度，欲抢占行业发展先机。近年来，固态电池在材料结构和性能上不断取得突破，被认为是未来替代锂离子动力电池的最终解决方案。为此，我国在提升技术相对成熟的锂离子电池性能的同时，也应加快固态电池的技术研发、储备及应用，建立电动汽车的多类型动力电池供应体系。

研发取得新进展

固态电池使用固体电极材料和固体电解质材料，是不含有任何液体的锂电池。主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池。与传统锂电池一样，固态电池由正极、负极、电解质等各单元构成，工作原理相同。两者构成的差异主要在于电解质固态化。

固态电池是动力电源传统锂电池的潜在竞争者。固态电池突破传统锂电池的技术短板，有望解决目前困扰动力电池行业的两大“挑战”——安全隐患和能量密度低，成为电动汽车传统锂电池的有力竞争者。固态电池优势明显：一是安全性高。由于固态电池的电解质固态化，不含易燃易爆、易挥发等成分，可彻底消除传统电池因漏液引发的电池冒烟、起火等，以及在充放电过程中生成锂枝晶造成的安全隐患，被称为最安全电池体系。二是能量密度高。目前，市场上应用的磷酸铁锂电池单体能量密度约为120-140Wh/kg，三元电池单体能量密度约为130-220Wh/kg。受制于现有体系架构和关键正极材料影响，这两种电池均难以满足我国《节能与新能源汽车技术路线图》中提出的到2025年、2030年锂电池能量密度分别达到400Wh/kg、500Wh/kg的需求。而固态电解质电化学窗口宽，可以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料，适配性强，能极大地提升能量密度空间。目前，固态电池可提供的能量密度约为300-400Wh/kg，且具有循环性强、适用范围广、柔性强、回收方便等优势。

发达国家研发应用不断取得新突破。日本丰田、美国Sakti3、法国Bolloré为全球固态电池研发三巨头，分别代表了硫化物、氧化物和聚合物三大固态电解质的技术开发方向。日本是固态电池研发最早且技术最为成熟的国家，以丰田公司为代表。丰田已推出能量密度为400Wh/L的全固态锂离子电池，计划于2020年全面实现全固态电池商业化，并将全固态电池应用于RAV4车型，将行驶里程提高至500公里。丰田以拥有30项固态电池的专利数量居全球首位。在美国，Sakti3公司已研发出能量密度达到1000Wh/kg的固态电池，若实现商业化量产后，成本只有当前锂电池的20%。在法国，Bolloré公司研发的固态电池已经批量应用于共享电动汽车“Autolib”和小型电动巴士“Bluelus”，总体应用超过3000辆，这是全球首次用于电动汽车的商业化全固态电池。在我国，中科院青岛能源所已自主研发6Ah大容量三元固态锂电池，并用于深潜器进行马里亚纳海沟探测；中科院化学研究所成功开发出新型双功能聚合物电解质，可用于室温固态金属锂电池。

产业化尚需时日

固态电解质技术瓶颈制约固态电池的发展。固态电解质材料很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如安全性能、功率密度、循环稳定性、高低温性能以及使用寿命等。固态电解质的发展主要遵循两条路线，一是聚合物路线；二是无机物路线，无机物又可分为氧化物和硫化物。但现阶段两种技术路线均存短板。具体是：聚合物固体电解质虽高温工作性能较好，但室温电导率较低、电压较低，限制了其大规模商业化应用；氧化物化学稳定性好，但室温离子电导率较低。硫化物具有较高的室温离子电导率，但是其环境稳定性差。这两种作为无机物固态电池最大的问题是能量密度相对较低，与现有电池相比尚无经济性优势。

固态电池产业化应用尚需时日。目前，固态电解质电导率总体偏低，导致固态电池倍率性能较低、充电速度慢，成本较高，阻碍了其产业化应用。一是充电速度慢。由于固态电池的电解质材料均为固体，导电过程中是点接触，因此电极与电解质之间有效接触较弱，界面阻抗过大，造成电池内阻急剧增大、充电过程中能量损失较快，从而充电时间长。二是规模化制备工艺有待提高。固态电池生产工艺尚未成熟。三是生产成本高。目前，液态锂电池生产成本在200-300美元/千瓦时，而固态电池尚未实现产业化，成本非常高。按照美国Sakti3公司预测，其最终会把以氧化物技术研发的固态电池成本降低至100美元/千瓦时，但Sakti3并没有公布具体时间计划。

核心技术亟需突破

紧跟技术发展新动向，着力突破关键材料和工艺技术。发展固态电池是抢占全球车用动力电池技术制高点的重要举措，我国应抓住电动汽车快速发展的有利时机，鼓励在固态电池领域具有基础优势的科研机构，紧跟国际技术发展新趋势，进一步加强固态电池在工作过程中的固-固界面结构特征、离子传输、空间电荷层等机理研究；重点突破高离子电导率的聚合物、氧化物、硫化物等关键电解质材料，以及电极与固体电解质膜的大面积、高速度制造等电芯技术，从而降低界面电阻，提高电池高倍率容量。

加大政府财税支持及科研投入力度。加强产业投资专项基金、创新创业投资基金等對固态电池的支持。发挥风险基金等作用，鼓励社会资本投向固态电池创新型企业和基础研究、关键技术攻关、产业化培育等项目。

开展国际合作，加快引进固态电池先进技术。鼓励企业依托我国巨大的市场需求优势，与美国Sakti3和Seeo、日本丰田等拥有先进固态电池技术的企业开展合作，利用技术外溢效应，带动我国固态电池自主创新发展。