全固態電池會顛覆現有的鋰電池嗎
時間:2024-01-22 09:18來源:言之成鋰 作者:言之成鋰
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2024年1月21日，由歐陽明高院士發起的中國全固態電池產學研協同創新平臺(CASIP) 在北京舉辦了揭牌儀式，會上邀請了來自工信部、能源局，物理與化學電源協會，中國產學研合作促進會等部委和協會的領導致辭，對固態電池的發展前景以及CASIP恰當其時的成立給予了較高的評價。
此前業界就對固態電池寄予厚望，號稱是鋰離子電池的“最終形態”，是對現有業態鋰離子電池的顛覆性創新。那么，CASIP成立的目的是什么？全固態電池真的會顛覆現有的鋰離子電池嗎？本文帶您分析。
一、CASIP成立的目的
關于中國全固態電池產學研協同創新平臺(CASIP)成立的目的，歐陽明高院士在其主題報告中做了比較完整的表述。主旨概括起來如下：
1. 過去十年中國動力電池產業的發展取得了輝煌的成就，電池能量密度提高3倍，成本下降80%，電池產量占全球接近70%。這些輝煌成績有力保證了新能源汽車的發展：去年新能源汽車的銷量接近950萬輛，滲透率超過30%。有望在2025~2026年達成滲透率50%的目標，比原定的2035年提前10年左右。而且新能源汽車的領先也對汽車出口產生了積極影響，去年950萬輛車里面有120萬出口到海外市場，助力我國超越日本，成為世界第一大汽車出口國。
2. 雖然成就有目共睹，但是動力電池產業的發展面臨著產能過剩以及行業內卷的問題。其中低端的磷酸鐵鋰電池價格已經跌到了0.4元/Wh，并且有望持續下跌到0.32元/Wh左右，這樣的價格已經低于成本線。
所以除了頭部的兩家企業之外，國內大部分動力電池企業并沒有賺錢，還處于虧損狀態。我們不能總盯著低成本的電池來內卷，也要開發高比能高安全的電池來占領高端市場。
3. 為了改善高比能電池的安全，歐美日韓普遍采用了全固態電池的路線。尤其是在硫化物技術路線方面，日本深耕多年，專利和技術遙遙領先，這一輪硫化物固態電解質電導率的提升都是日本團隊主導的。尤其是東京工業大學的Kanno教授，可以說憑借一個課題組之力將硫化物電解質的離子電導率提高到了逆天的程度，也側面促進了豐田從2012年開始的固態電池布局。
韓國的三星SDI電池性能也很不錯，美國的Solid Power的電池A樣也已經給寶馬測試。而我國在還主要停留在半固體電池的階段，其基本思路跟液態電池是一致的，只是提高了安全性，不是顛覆性技術。
4. 目前在全固態電池專利布局上，日本遙遙領先，尤其是豐田已經有超過1300個全固態電池的專利授權，而國內大部分企業專利授權數量不足100。
考慮到全固態電池是一種顛覆性的技術，在安全性，能量密度，溫度范圍，倍率以及系統集成效率等多個方面超過目前的液態鋰電池。我們必須要提前布局，避免在該領域被歐美日韓彎道/換道超車。
5. 基于以上分析，考慮到目前國內對于全固態電池研發認識不統一，力量比較分散，產學研不協調等現狀，急需聯合起來建立協同創新平臺，從基礎研發，科研服務，以及產業協作等幾個方面來統籌協調國內全固態電池的發展。
既能夠解決共性問題，比如Li2S的大規模合成，固態電池設備的統籌開發等（會上歐陽明高院士提到，如果采用全固態電池以及干法工藝，目前的鋰電設備大約60~70%都要重新開發），也能保留各家企業的特色技術，加快全固態電池的創新發展，來趕上歐美日韓2027~2030年全固態電池的量產時間節奏。
同時也能夠讓制定政策的高層乃至普通消費者們掌握固態電池的發展現狀和未來趨勢，不再為國內電池的發展前景擔憂。
二、全固態電池會顛覆鋰離子電池嗎？
雖然全固態電池號稱是鋰離子電池的“最終形態”，但是其發展的時間比液態鋰電池更早。這從物理所陳立泉院士今天的報告中可見端倪，全固態電池早在20世紀70年代就開始研發，90年代初由于索尼公司成功商用了液態電解液的鋰離子電池，固態電池退居幕后。隨著電動汽車的廣泛普及，電池安全的重要性不斷提高，在2011年以后重新引起了學術界和產業界的矚目。
全固態電池的核心是改善電池安全，正是因為電芯本征安全的改善，就可以使用更高能量密度的材料體系，做成高比能的電池。
不過在取消隔膜和電解液以后，電池內部的空間都要由固態電解質進行填充，如果采用石墨或者硅負極的話，正負極的孔隙率都要考慮，即使是密度較低的硫化物電解質，其質量占比一般都在20%以上，導致同樣的正負極配方，固態電池的比能量不占優勢(參考全固態電池更加務實了)。
比如歐陽明高院士展示的350Wh/kg的硫化物全固態電池，正極克容量235mAh/g, 負極硅克容量2400mAh/g, 要是用液態電池的話，那么能量密度可以達到450Wh/kg(不過電芯的安全性可能會比較差)。
從這個意義上講，寧德時代的凝聚態電池比能量達到了500Wh/kg, 雖然不是全固態這種顛覆性技術，如此高的比能量依然讓其他固態體系望塵莫及。
實際上，歐陽明高院士課題組也做了基于原位聚合的半固體電池（類似于凝聚態），通過電解液配方的優化以及聚合物包覆層對正極釋氧的阻隔，熱失控特征溫度T2提升接近50℃，并且比能量可到320Wh/kg, 充電倍率4C, 1C循環壽命1500次以上。
而且這些是在不怎么增加成本的情況下實現的，在國內車企既要又要還要也要的復雜需求下，雖然半固體電池算不上顛覆，但是短期內有望迅速鋪開。
當然了，全固態電池的核心還得是高端化，從電解質材料合成到電極制作都有較高的壁壘，這樣才有更多的利潤。比如近期韓國的SK On跟美國硫化物固態電池初創公司Solid Power簽署合作協議，其中在電池設計和生產工藝的方面，SK On需支付2000萬美元，才能得到后者的授權進行研發活動，且僅限研發，不能量產。生產線的組裝還得額外支付2200萬美元，而且還得獨家從Solid power購買硫化物電解質，預計也要1000萬美元。
不過這樣的合作方式估計在國內很難展開，因為國內從事某一行業的人才高度集中，且專利意識不強，人才的流動很容易導致技術的流動，所以一旦哪家掌握了固態電池的技術，其他家可能很快就會趕上。比如手機的AI大模型，2023年寥寥無幾，今年全都上了；衛星通訊也隨著華為的引領，變成了各家旗艦機普及的性能。
綜合來看，全固態電池很難顛覆現有的鋰離子電池。不過在特斯拉model S出現之前，國內也幾乎沒人相信電動汽車能搞成，因為電池的能量不夠，續航太短；蘋果當初搞觸屏智能手機，諾基亞摩托羅拉們也是嗤之以鼻，因為這手機打電話不穩定，短信也不能群發，最基本的功能都無法保證；豐田的HEV技術超級節油且可靠性也很高，誰能想到比亞迪的DM-i取消了多檔變速箱，且國內LFP電芯成本能降到0.4元/Wh以下，使得PHEV的性能和成本超過了HEV。
所以說對全固態電池還是要滿懷敬畏之心，就如喬布斯所說的”Stay hungary, Stay foolish”。
小結：隨著中國全固態電池產學研協同創新平臺(CASIP)的成立，我國全固態電池的發展邁入了新的階段，從之前的單打獨斗到后面的產學研協同，希望能夠在跟日韓歐美的激烈競爭中脫穎而出，趕在2030年前全面實現商業化。
雖然從目前的技術路線來看，全固態電池很難徹底顛覆現有的鋰電池，但是不能忽略人工智能AI技術在新材料開發中的變數。考慮到國內產業的發展現狀和投資環境，能有多少企業堅持到2030年還是未知，過程中可能需要政府的專項支持，至于后面的政策如何，讓我們拭目以待，靜待花開。
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