我們有十年左右的窗口期，利用半固態(tài)電池繼續(xù)占領(lǐng)市場。

作者 | 馬詩晴

編輯 | 李雨晨

近日，第四屆未來汽車先行者大會在深圳啟幕。本屆大會以“拾級”為核心理念，倡導(dǎo)產(chǎn)業(yè)立足當(dāng)下、穩(wěn)步進(jìn)階，以扎實的技術(shù)積累奔赴長遠(yuǎn)未來。

作為新能源汽車“心臟”，以半固態(tài)電池為代表的動力電池新技術(shù)，已成為行業(yè)價值競爭的關(guān)鍵。5月30日，以「臨界與突破」為主題的“半固態(tài)電池價值論壇”舉行，旨在探討半固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化路徑與價值邊界。

會上，中國工程院院士金涌發(fā)表了題為《動力電池的前世·今生·未來》的演講，從歷史縱深出發(fā)，分享了動力電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化演進(jìn)脈絡(luò)。

金涌院士強(qiáng)調(diào)，行業(yè)從液態(tài)電池全面邁向全固態(tài)電池，仍有約十年的發(fā)展窗口期。半固態(tài)電池具備在能量密度、安全性與成本之間取得平衡的優(yōu)勢，已成為承接當(dāng)前、布局未來最合適的技術(shù)方案。

從國際競爭的角度看，當(dāng)前，歐洲、美國與中國的三方競爭形勢十分嚴(yán)峻。中國的最佳策略是從液態(tài)切換到半固態(tài)，持續(xù)研發(fā)固態(tài)電解質(zhì)，在適當(dāng)時機(jī)轉(zhuǎn)向全固態(tài)，從而在全球競爭中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。

以下為金涌院士的現(xiàn)場演講實錄，雷峰網(wǎng)《新智駕》作了不改變原意的編輯及整理：

回溯歷史，我們第一輛電動車誕生于190年前。當(dāng)時巴黎主要交通工具是馬車，導(dǎo)致道路上有很多馬糞，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。為解決這一問題，第一輛電動車出現(xiàn)了。然而，受限于當(dāng)時的儲電技術(shù)，車上搭載的是鉛酸電池，一次充電僅能跑30到50公里，很不方便。

恰逢此時，人類發(fā)現(xiàn)了石油，且石油煉制技術(shù)迅速提高，大量汽油車和柴油車涌現(xiàn)，迅速淘汰了第一代電動車。

真正的轉(zhuǎn)折點是鋰電池的發(fā)明。它使儲電能力成倍躍升，三位發(fā)明鋰電池的科學(xué)家也因此榮獲2019年諾貝爾獎。隨著中國在鋰化合物——特別是磷酸鐵鋰、六氟磷酸鋰等領(lǐng)域的突破，電動車迎來高速發(fā)展的黃金時代。在這期間，清華大學(xué)化工系做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)：將磷酸從化學(xué)純成功提升到了電子純，突破了材料專利瓶頸。

到了1991年，商用鋰電池出現(xiàn)了，隨后，中國也很快做出很大貢獻(xiàn)。動力電池發(fā)展經(jīng)歷了以下過程，從超級電容、鉛酸電池、鋰離子電池到鋰硫電池，再往下就要往固態(tài)方面發(fā)展。

2022年的時候，全球電動汽車銷量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1000萬輛，中國再次成為全球電動汽車銷量的領(lǐng)跑者。去年，中國電動車產(chǎn)量達(dá)到約1700萬輛，銷量占到世界的70%。我們在電動車全產(chǎn)業(yè)鏈取得了突破，包括電池、電機(jī)、電控。電機(jī)方面，由于有稀土元素我們可以做永磁電機(jī)，電控方面，我們的芯片國產(chǎn)化發(fā)展。

我們的基本材料也占了很大比例，原始材料不缺，還有世界二分之一的鋰鹽、鈷、錳加工產(chǎn)能。在整個電動車產(chǎn)業(yè)鏈，中國都有很好的優(yōu)勢。

但不容忽視的是，目前液態(tài)電池雖已大規(guī)模制備，仍面臨幾大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

一是能量密度瓶頸。這將導(dǎo)致充電次數(shù)較多，在續(xù)航體驗上不是很理想。

二是安全隱患難根除。鋰離子在正負(fù)極運動時沉積不均勻，容易產(chǎn)生“鋰枝晶”。一旦刺破電池中間的隔膜導(dǎo)致短路，電池就會燃燒，因為液體電解質(zhì)基本都是醇類。而且你不知道它什么時候穿透，所以有一定的危險性。

三是低溫性能受限。電解液在低溫下可能會凝固，導(dǎo)致電池在冬天的功率大幅打折。

要解決這些問題，有人改進(jìn)了鋰硫電池。電極里面一邊是鋰，另一邊是硫，硫會流失，所以要把硫困在電極里，這在一定程度上能防止鋰枝晶刺破隔膜。

但要徹底解決上述難題，公認(rèn)的終極解法依然是全固態(tài)電池。然而，全固態(tài)電池從基礎(chǔ)研究、工程轉(zhuǎn)化到大規(guī)模量產(chǎn)，普遍預(yù)計還需十年甚至更久。

為能迅速解決當(dāng)下的痛點，我們現(xiàn)在提出了一個方案：繼續(xù)使用液體傳導(dǎo)鋰離子在正負(fù)極運動，但要大幅減少液態(tài)電解質(zhì)的含量。這就催生了一個新的體系——半固態(tài)電池。

半固態(tài)電池平衡了能量密度、產(chǎn)品成本與安全性，成為三者之間的妥協(xié)方案。并且，半固態(tài)電池能很快實現(xiàn)大批量產(chǎn)業(yè)化，因為它與現(xiàn)有液態(tài)電池生產(chǎn)線達(dá)到70%到80%吻合度，改造成本增加不多。我們有十年左右的窗口期，利用半固態(tài)電池繼續(xù)占領(lǐng)市場。

半固態(tài)電池的原理是將液態(tài)電解液“困”在三維網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)里面是液體的，但網(wǎng)絡(luò)是由高分子材料組成的。電解液變成像我們吃的“膠凍”一樣的狀態(tài)，從而減少鋰枝晶產(chǎn)生，同時大大提升單位重量的儲電量。它的制備方法有很多，有直接原位的、有遷移的。這些都是廠家的專利，具有保密性。

我們估計，全固態(tài)電池雖然是終極目標(biāo)，但在其完全成熟前，還有相當(dāng)大的空間可供半固態(tài)電池的各種技術(shù)路線利用。

安全上，半固態(tài)電池可以將液體電解質(zhì)含量降低到5%到10%，燃燒的可能性能大幅度降低。成本上，我們讓它的成本保持在只比傳統(tǒng)液態(tài)電池高15%到30%，每瓦時的價格增加不到一塊錢。

因此，半固態(tài)電池可以廣泛應(yīng)用于長續(xù)航電動車、無人機(jī)、人形機(jī)器人等領(lǐng)域。其產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長會很快，未來產(chǎn)值將達(dá)到百億甚至上千億級別。中國制造商如寧德時代等，也都在全力加速鋰電池發(fā)展進(jìn)程。

接著我們再說說終極的全固態(tài)電池。它的電極是固體的，電解質(zhì)也要是固體的。目前面臨最大的困難就是固體和固體之間的接觸，假如固體電解質(zhì)和電極接觸不好，那么就增加了阻力，鋰離子傳導(dǎo)速率下降，影響電池性能。所以要解決“固-固界面”接觸問題。

有人說使用陶瓷，但陶瓷接觸不好就容易變形、破裂，而且需要很大的壓力才能使接觸表面變好。因此，固態(tài)電池是不可能一步到位的。

目前，全球在固體電解質(zhì)路線上處在競爭狀態(tài)，距離完全產(chǎn)業(yè)化，需要一定的時間。

豐田主攻硫化物路線，將硫化鋰作為固態(tài)電解質(zhì)。主要困難在于如何使“固-固”表面接觸得好。一般采取的方式是爆壓，要幾百個大氣壓的條件才能滿足。所以，該路線制備條件極其苛刻，要求絕對不能接觸水和空氣。因此，其成本高昂，比液態(tài)電解質(zhì)高三到五倍。

中國科研團(tuán)隊展現(xiàn)出卓越的創(chuàng)新力。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬老師提出了水合氧氯鋯鋰路線，具備低成本、高柔性和無需高壓的優(yōu)勢；《自然·通訊》提出氧氯鋰鋯鋁路線，常壓下百次循環(huán)衰減不足3%。此外，中科大、浙江工業(yè)大學(xué)提出鑭系鹵化物作為固態(tài)電解質(zhì)，可與鋰負(fù)極和三元正極直接接觸，在室溫下穩(wěn)定循環(huán)。

在技術(shù)不斷躍遷的同時，另一個值得關(guān)注的問題是電池回收。我們每年要生產(chǎn)幾千萬輛車，而電池是有壽命的，未來每年都將有大量動力電池面臨退役。因此，電池回收的重要性逐步提升。

鋰、鎳、鈷等資源我們國家不太多，尤其鎳和鋰大部分要靠進(jìn)口，所以我們要開發(fā)電池回收技術(shù)。諸如格林美、邦普等企業(yè)在電池拆解與廢舊金屬回收技術(shù)上的突破，一是能帶來大量資金收入，二是能一定程度解決材料的缺乏。

我們現(xiàn)在是全世界最好的電動車制造商，為保證我們繼續(xù)領(lǐng)先，要參與嚴(yán)肅的國際競爭。目前，美國正傾全力押注全固態(tài)電池，整個產(chǎn)業(yè)全體升級，從液態(tài)全部直接變成全固態(tài)，但它周期長、成本高；歐洲則專注于小的摩托車、無人機(jī)市場的占有。

中國的最佳策略是什么呢？我們認(rèn)為應(yīng)是：從液態(tài)平穩(wěn)切換至半固態(tài)，同時不放松對固態(tài)電池的研究，適當(dāng)時機(jī)轉(zhuǎn)化到全固態(tài)。

目前，半固態(tài)電池的能量密度較液態(tài)電池顯著提升，搭載該電池的電動汽車，單次充電續(xù)航里程可達(dá) 500 至 700 公里。相比之下，傳統(tǒng)燃油車一箱油的續(xù)航普遍在500 公里左右。從續(xù)航能力來講，搭載半固態(tài)電池的車型已經(jīng)完全和汽油車、柴油車相同了。

此外，得益于液體電解質(zhì)含量大幅降低至5%-10%，半固態(tài)電池安全性能有一定提升，也有效緩解了電動車在冬季的續(xù)航衰減問題。

最后，談?wù)勄迦A大學(xué)化工系的工作。無論是半固態(tài)還是全固態(tài)，瞬間放電能力往往不如液態(tài)電池。但高檔汽車在啟動和超車時，急需瞬間大電流爆發(fā)力。清華目前正在開發(fā)動力電容技術(shù)，旨在為電動車提供瞬間爆發(fā)力。我們認(rèn)為，電動車的發(fā)展仍有很大的研究開發(fā)的空間。

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