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2024年新能源電池產(chǎn)品發(fā)布會(huì)、展會(huì)頻頻提及固態(tài)電池，意欲何為？

5月17日，國(guó)軒高科在第13屆科技大會(huì)上隆重推出了 “金石”電池。據(jù)國(guó)軒高科全固態(tài)電池項(xiàng)目總工潘瑞軍博士介紹，“金石”電池通過(guò)微納化固體電解質(zhì)、超薄膜包覆單晶正極、三維介孔硅負(fù)極的綜合性方案，實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)電池材料端的技術(shù)突破，預(yù)計(jì)2027年小批量上車試驗(yàn)，2030年量產(chǎn)。

“金石”電池單體電芯能量密度達(dá)350Wh/kg，體積能量密度達(dá)800Wh/L，循環(huán)次數(shù)超過(guò)3000次。整包能量密度也達(dá)到280Wh/kg，續(xù)航里程1000公里，且一次性通過(guò)200℃熱箱測(cè)試，遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)要求的130℃。

（圖片來(lái)源：國(guó)軒高科官方公眾號(hào)）

在上個(gè)月底的CIBF重慶電池展會(huì)上，以贛鋒鋰電、太藍(lán)新能源、欣旺達(dá)、巨灣技研等代表的數(shù)十個(gè)電池企業(yè)也悉數(shù)展示半固態(tài)和全固態(tài)電池方案，攜最新產(chǎn)品技術(shù)方案紛紛亮相。

（圖片來(lái)源：贛鋒鋰電、太藍(lán)新能源等公眾號(hào)，MIR整理）

汽車主機(jī)廠也不甘示弱。近日智己汽車在為新車智己L6宣傳時(shí)，特意提出將首次搭載與清陶能源合作的固態(tài)電池；早前，蔚來(lái)也推出ET7車型，宣布搭載衛(wèi)藍(lán)新能源的半固態(tài)電池；此外，廣汽集團(tuán)也發(fā)布能量密度達(dá)400Wh/kg以上的全固態(tài)電池，計(jì)劃于2026年首先搭載于昊鉑車型。

面對(duì)“里程焦慮”和“出行安全”兩大電車痛點(diǎn)，固態(tài)電池?zé)o疑已經(jīng)成為了公認(rèn)的下一代電池技術(shù)開發(fā)方向，成為了多方角逐的有力武器，誰(shuí)能率先研發(fā)、裝車搭載、甚至批量生產(chǎn)固態(tài)電池，就意味著誰(shuí)獲取了先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在新沙場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中搶占高地，獲得資本市場(chǎng)的青睞以及行業(yè)的持續(xù)關(guān)注。

02

為什么固態(tài)電池會(huì)成為

下一代電池技術(shù)的開發(fā)方向？

安全性和能量密度的雙重瓶頸成為阻礙液態(tài)電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素，固態(tài)電池應(yīng)運(yùn)而生。

固態(tài)電池，是相對(duì)于采用液態(tài)電解質(zhì)的電池而言的。液態(tài)電池的安全問(wèn)題始終是懸在用戶頭上的“達(dá)摩克利斯之劍”，而固態(tài)電池在理論安全性方面則具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

在液態(tài)電解質(zhì)中，鋰離子來(lái)回穿梭進(jìn)行充放電活動(dòng)，隔膜在其中起到阻隔電解液的作用。然而在過(guò)充、撞擊、高溫等工況下，隔膜極易被刺穿，導(dǎo)致電解液與正負(fù)極直接接觸，引起電池起火甚至爆炸；而固態(tài)電解質(zhì)可以有效隔絕正負(fù)極，降低起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

固態(tài)電池的理論能量密度也遠(yuǎn)高于液態(tài)電池。據(jù)MIR采訪了解，考慮到液態(tài)電解質(zhì)的安全性，一般將電解液和隔膜的體積比例保持在35%~45%，而固態(tài)電池直接采用密度更高的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行替代，且能縮短正負(fù)極之間的距離至10μm，理論能量密度也提高到500Wh/kg以上，遠(yuǎn)高于液態(tài)電池的理論能量密度上限350Wh/kg。

由于液態(tài)電解質(zhì)在能量密度和安全性方面的雙重瓶頸，液態(tài)電池產(chǎn)品性能同質(zhì)化的發(fā)展趨勢(shì)也愈發(fā)凸顯。

一方面，產(chǎn)業(yè)鏈員工的頻繁跳槽以及后發(fā)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步正在不斷縮短電池企業(yè)在技術(shù)know-how乃至專利上的差距；另一方面，汽車主機(jī)廠出自于擺脫產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)苤朴谌说脑V求，從布局Pack、到Cell、甚至上游原材料的自研和生產(chǎn)，也在不斷擠壓電芯/Pack企業(yè)的生存空間，迫使電池企業(yè)另辟蹊徑，依托在電池研發(fā)、生產(chǎn)方面的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)提前布局固態(tài)電池賽道，通過(guò)自研、聯(lián)合研發(fā)甚至綁定產(chǎn)業(yè)鏈上下游的方式，意圖搶占市場(chǎng)先機(jī)。此外，CTP、CTC等Pack方案推陳出新，在整包性能，尤其是能量密度層面，正逐漸抵消先進(jìn)企業(yè)在電芯研發(fā)能力方面的優(yōu)勢(shì)，電池整包能量密度乃至新能源汽車?yán)m(xù)航里程區(qū)間等指標(biāo)趨于同質(zhì)化，固態(tài)電池?zé)o疑成為差異化競(jìng)爭(zhēng)的新沙場(chǎng)。

另外， eVOTL等領(lǐng)域電池的新興應(yīng)用正逐漸興起，也將對(duì)電池的能量密度提出更高要求。

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固態(tài)電池已提出多年

 還能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化嗎？

早前3月份，寧德時(shí)代曾毓群在接受《金融時(shí)報(bào)》采訪時(shí)表示：“寧德時(shí)代已經(jīng)在固態(tài)電池領(lǐng)域開發(fā)了10年，但在電動(dòng)汽車的應(yīng)用過(guò)程中不斷遇到阻礙。盡管固態(tài)電池技術(shù)在電動(dòng)汽車中備受推崇，但是目前固態(tài)電池既不實(shí)用也不安全?！?/p>

全球電池寡頭尚且如此，那么，固態(tài)電池還能順利實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化嗎？

MIR采訪多個(gè)企業(yè)員工了解到，不管是半固態(tài)，還是全固態(tài)電池，目前不少電池企業(yè)的固態(tài)電池產(chǎn)品仍處于產(chǎn)品開發(fā)前期，且沒(méi)有明確的定點(diǎn)客戶，距離真正的大批量生產(chǎn)乃至批量裝車還有很長(zhǎng)的一段路要走，即研發(fā)、試產(chǎn)固態(tài)電池目前只是對(duì)市場(chǎng)釋放出的一種象征或者信號(hào)，或者作為技術(shù)上的提前布局，應(yīng)對(duì)可能到來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

在技術(shù)路線上，也在通過(guò)半固態(tài)→準(zhǔn)固態(tài)→全固態(tài)的產(chǎn)業(yè)化路徑不斷進(jìn)行嘗試。半固態(tài)電池作為過(guò)渡路線，主要是因?yàn)榭梢詮?fù)用或者兼用現(xiàn)存的液態(tài)電池生產(chǎn)工藝。據(jù)MIR采訪了解，針對(duì)半固態(tài)電池生產(chǎn)工藝，除了混料、注液和原位固態(tài)化等關(guān)鍵工序以外，其余超過(guò)80%的制造工藝及設(shè)備都可以跟液態(tài)電池通用。另外，半固態(tài)電池方案可以暫時(shí)應(yīng)對(duì)固態(tài)電池的固固界面問(wèn)題，解決間隙問(wèn)題形成穩(wěn)定界面。

MIR觀察到，近幾年以清陶能源、贛鋒鋰電、國(guó)軒高科為代表的電池企業(yè)，以及以蔚來(lái)、長(zhǎng)安深藍(lán)為代表的汽車主機(jī)廠，陸續(xù)發(fā)布半固態(tài)電池的量產(chǎn)和裝車規(guī)劃，時(shí)間點(diǎn)則“不約而同”地定在2025年前后，屆時(shí)有望實(shí)現(xiàn)初步量產(chǎn)，但是市場(chǎng)實(shí)際表現(xiàn)和競(jìng)爭(zhēng)力仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

全固態(tài)電池量產(chǎn)方面，寧德時(shí)代打響了“第一槍”。

CIBF重慶電池展會(huì)的技術(shù)研討會(huì)上，寧德時(shí)代首次公開全固態(tài)電池技術(shù)方案。寧德時(shí)代結(jié)合技術(shù)成熟度（TRL）和工藝成熟度（MRL）將產(chǎn)品的發(fā)展階段分為9個(gè)等級(jí)，稱目前處在4級(jí)階段，即技術(shù)定型及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下生產(chǎn)技術(shù)驗(yàn)證階段，預(yù)計(jì)到2027年可以提升到7~8級(jí)實(shí)現(xiàn)小批量試生產(chǎn)，9級(jí)大批量量產(chǎn)目前仍有很大困難，尚未規(guī)劃。

（圖片來(lái)源：CIBF_吳凱_《車用全固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》）

回到文初國(guó)軒高科“金石“全固態(tài)電池的量產(chǎn)規(guī)劃，也是將初步量產(chǎn)時(shí)間定在2027年；此外，國(guó)外的LG、三星SDI、豐田等企業(yè)的全固態(tài)電池規(guī)劃量產(chǎn)時(shí)間也在2027年前后。

大家似乎又“不約而同“地將時(shí)間點(diǎn)定在了2027年前后，但是對(duì)于“既不實(shí)用又不安全”的固態(tài)電池，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)真的很容易嗎？

在2023年寧德時(shí)代年報(bào)業(yè)績(jī)交流的2400人電話會(huì)議中，寧德時(shí)代曾毓群回答提問(wèn)時(shí)曾如此說(shuō)道：“前沿技術(shù)的落地要經(jīng)歷3個(gè)路線，即技術(shù)路線、產(chǎn)品路線和商品路線。首先看在技術(shù)上是否成立、能否打通：其次，變成產(chǎn)品之后，在生產(chǎn)制造過(guò)程中安全性、可靠性、一致性、質(zhì)量是否能保證；第三，是否能賣出去，因?yàn)樘F了可能會(huì)賣不動(dòng)?！?/p>

可見(jiàn)，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化雖可期，但任重而道遠(yuǎn)。

對(duì)于技術(shù)路線，目前已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)室階段的充分驗(yàn)證。半固態(tài)電池方面，以清陶能源、領(lǐng)新新能源為代表的企業(yè)陸續(xù)宣布半固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)初步量產(chǎn)，以聚合物、氧化物或者復(fù)合材料路線為主。

全固態(tài)電池方面，寧德時(shí)代也在CIBF重慶電池展會(huì)研討會(huì)上交出了“學(xué)霸”的答卷：寧德時(shí)代認(rèn)為硫化物全固態(tài)電池將率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。硫化物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率高，能夠解決固固界面這一核心問(wèn)題；而聚合物及氧化物雖生產(chǎn)可行性高，但室溫離子電導(dǎo)率低。

具體來(lái)看，寧德時(shí)代硫化物的方案采用高鎳三元，克容量達(dá)230mAh/g，活性物質(zhì)占比85%時(shí)，面容量可達(dá)5mAh/cm2；負(fù)極則采用鋰金屬，臨界電流密度20mA/cm2（4C），綜合能量密度較液態(tài)電解質(zhì)體系提升40%以上。

                                （圖片來(lái)源：CIBF_吳凱_《車用全固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》）

此外，面對(duì)全固態(tài)電池的固固界面的離子傳輸效率、制造工藝、空氣穩(wěn)定性和鋰金屬負(fù)極的高反應(yīng)性幾大核心痛點(diǎn)，寧德時(shí)代也提出了獨(dú)特的解決方案：

首先，將高鎳三元顆粒從多晶換成單晶材料，并進(jìn)行雙層包覆。第一層無(wú)機(jī)氧化物包覆，抑制界面的反應(yīng)；第二層固體電解質(zhì)包覆，提升界面離子擴(kuò)散。研發(fā)的多功能復(fù)合粘結(jié)劑可以穩(wěn)定極片導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高循環(huán)壽命，實(shí)現(xiàn)6000次長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。

其次，采用變相自相填技術(shù)增強(qiáng)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)界面鋰離子的高速傳輸。

另外，疏水層包覆固態(tài)電解質(zhì)，以此應(yīng)對(duì)空氣穩(wěn)定性問(wèn)題。包覆后的材料在-40℃的露點(diǎn)溫度下能夠保持穩(wěn)定，同時(shí)研發(fā)新的合成工藝來(lái)降低Li2S的材料成本。

最后，采用干法電極制備和等靜壓一體化成型工藝，同時(shí)通過(guò)粘結(jié)劑的梯度設(shè)計(jì)保證粘結(jié)性能。

（圖片來(lái)源：CIBF_吳凱_《車用全固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》）

對(duì)于“學(xué)霸”的這一答卷，其他電池企業(yè)似乎沒(méi)有直接“抄答案”，或是出于聯(lián)合上下游企業(yè)、形成“生態(tài)圈”、“利益圈”的需要、亦或是因?yàn)楣虘B(tài)電池這一賽道主力軍是以一眾獨(dú)角獸企業(yè)為代表的“新面孔”，避免跟豐田、寧德時(shí)代等行業(yè)頭部公司在硫化物這一路線上的“正面交鋒”，固態(tài)電池企業(yè)紛紛在全固態(tài)電池方面嘗試各自的路線，基于半固態(tài)的氧化物體系逐漸摸索，也在聚合物+氧化物、硫化物+鹵化物等復(fù)合材料路線上進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

對(duì)于產(chǎn)品路線，主要是生產(chǎn)問(wèn)題。據(jù)MIR采訪了解，目前進(jìn)展并不理想，生產(chǎn)全固態(tài)電池所需的設(shè)備體系尚不成熟，尤其是核心的燒結(jié)、真空、干燥等關(guān)鍵工序設(shè)備，全固態(tài)電池產(chǎn)線目前生產(chǎn)的良率、一致性并不高。但是這一痛點(diǎn)通過(guò)固態(tài)電池企業(yè)和相關(guān)設(shè)備企業(yè)的持續(xù)投入和研究，以及導(dǎo)入先進(jìn)的AI大數(shù)據(jù)和智能制造技術(shù)等方式，是有望逐步提升解決的。

對(duì)于商品路線，主要是成本問(wèn)題，問(wèn)題的核心在于能夠形成對(duì)于液態(tài)電池在成本、性能方面的綜合優(yōu)勢(shì)。MIR認(rèn)為這是影響固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)在未來(lái)能否真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

其中，核心是低良率、高損耗導(dǎo)致的高生產(chǎn)成本問(wèn)題。在量產(chǎn)初期，由于工藝/設(shè)備體系不成熟，良率、稼動(dòng)率等指標(biāo)較低，企業(yè)將面臨極大的成本壓力，長(zhǎng)期提升困難的話產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)將難以為繼。

另外，在過(guò)去的液態(tài)電池技術(shù)發(fā)展路線中，由于鈷金屬對(duì)外依存度高，價(jià)格高昂，為了解決該痛點(diǎn)降低鈷含量，各電池企業(yè)的“無(wú)鈷”電池方案層出不窮。無(wú)獨(dú)有偶。對(duì)于固態(tài)電池，氧化物電解質(zhì)同樣需要依賴如鋯、鑭等稀有金屬；而硫化物電解質(zhì)也需要鍺這樣的稀有金屬。其中，鋯金屬目前對(duì)外依存度很高，鍺金屬在我國(guó)儲(chǔ)量豐富但價(jià)格也同樣高昂。原材料的稀缺和高成本無(wú)疑成為固態(tài)電池在降本之路上的又一大難題。

考慮到液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)非常成熟，以寧德時(shí)代麒麟電池、神行PLUS電池等產(chǎn)品為代表的行業(yè)領(lǐng)先水平，在性能和成本方面已經(jīng)形成了雙重優(yōu)勢(shì)。未來(lái)固態(tài)電池能夠打破產(chǎn)業(yè)自身桎梏，同時(shí)在跟日韓企業(yè)的硫化物全固態(tài)電池“正面交鋒”中脫穎而出呢？答案依然是個(gè)未知數(shù)。

因此MIR認(rèn)為，在短期內(nèi)，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的路徑是以半固態(tài)電池作為過(guò)渡路線，2025年前后初步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但最終能否大規(guī)模上量則需要市場(chǎng)進(jìn)一步對(duì)成本、性能進(jìn)行綜合驗(yàn)證；中長(zhǎng)期來(lái)看，全固態(tài)電池的初步量產(chǎn)和上車試驗(yàn)，按照各企業(yè)規(guī)劃基本要到2027年前后，屆時(shí)產(chǎn)品體系初步成熟，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成凍結(jié)；而全固態(tài)電池的批量生產(chǎn)，即工藝設(shè)計(jì)凍結(jié)，乃至進(jìn)行多輪降本以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品普及，真正形成對(duì)液態(tài)電池的全方位優(yōu)勢(shì)，要到2030年甚至更晚。固態(tài)電池真正意義上的量產(chǎn)乃至提高市場(chǎng)滲透率的產(chǎn)業(yè)化之路仍方興未艾。