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固態(tài)電池離商業(yè)化還有多遠(yuǎn)?

人民日報海外版發(fā)布時間:2024-12-20 10:28:06

  續(xù)航更長、“體重”更輕、安全性更強(qiáng)、循環(huán)壽命更長……固態(tài)電池好處很多。和傳統(tǒng)電池電芯采用液態(tài)電解質(zhì)和隔膜不同,固態(tài)電池電芯用的是固態(tài)電解質(zhì)。近年來,市場對高性能電池的需求日益增加,作為下一代電池技術(shù)的“明星”,固態(tài)電池賽道吸引了大量資金和技術(shù)投入,商業(yè)化進(jìn)程不斷提速。

  目前固態(tài)電池研發(fā)取得了哪些突破?距離量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)?難點在哪?記者探訪相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu),了解固態(tài)電池的發(fā)展故事。

  優(yōu)勢多 前景廣

  “準(zhǔn)備就緒,起飛,開始計時!”飛速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳撥弄著風(fēng)聲,一架白色涂裝的飛行器垂直沖上云霄,視野里的樹木、道路、場地越來越小。

  在飛行測試基地,搭載“獵鷹”鋰金屬固態(tài)電池的電動垂直起降飛行器(eVTOL)億航EH216按照既定路線完成高功率起飛、巡航、懸停等動作后,緩緩降落在地面上。

  48分10秒!機(jī)艙屏幕上的時間,定格了一個新紀(jì)錄。深圳欣界能源科技有限公司(以下簡稱“欣界能源”)總裁孫立很興奮:“這場飛行共持續(xù)了48分10秒!創(chuàng)下載人eVTOL續(xù)航時長的新紀(jì)錄,相較行業(yè)現(xiàn)有水平取得大幅提升。”

  孫立介紹,“獵鷹”電池的單體能量密度達(dá)到480Wh/kg,比傳統(tǒng)電池提升1倍以上。采用創(chuàng)新材料體系,電池安全性也更有保障。

  “獵鷹”鋰金屬固態(tài)電池是欣界能源研發(fā)的新產(chǎn)品,每千克電芯可釋放出480瓦時的電能。業(yè)界認(rèn)為,固態(tài)電池的能量密度一般應(yīng)達(dá)到400Wh/kg,而目前市面上主流的鋰離子電池能量密度約在150—250Wh/kg之間。從能量密度上看,固態(tài)電池具有很大優(yōu)勢。

  固態(tài)電池的優(yōu)勢還不止于此。在低溫環(huán)境下,傳統(tǒng)鋰電池往往容易出現(xiàn)續(xù)航縮短、性能下降現(xiàn)象。而固態(tài)電池適應(yīng)極端溫度的能力更加出色,即使在寒冷的冬季也可以保證正常使用。“這款電池的使用溫域比較寬,一般鋰電池的工作溫度在0℃到60℃之間,固態(tài)電池在-40℃到150℃都可以使用。”孫立介紹。

  隨著飛行汽車、電動垂直起降飛行器、城市空中交通(UAM)的發(fā)展,固態(tài)電池有望成為低空飛行載具的一項主流電池技術(shù),為固態(tài)電池下游應(yīng)用打開市場空間。

  除了低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,固態(tài)電池在新能源汽車、3C數(shù)碼、儲能、深海探測等領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出不俗的潛力。有機(jī)構(gòu)預(yù)測,2025年全球固態(tài)電池需求量為17.3GWh,到2030年有望超過200GWh的市場規(guī)模,2025年至2030年年復(fù)合增長率達(dá)65.8%。

  數(shù)據(jù)顯示,截至今年11月,國內(nèi)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)已超過200家;近4年固態(tài)電池行業(yè)投擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃金額超2000億元,規(guī)劃產(chǎn)能超過400GWh,若以純電動汽車每輛80千瓦時的電池容量測算,可裝車500萬輛。

  業(yè)內(nèi)人士告訴記者:“固態(tài)電池突破了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池面臨的一些瓶頸,具有高能量密度和優(yōu)異的安全性,在電動汽車及高端消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域,固態(tài)電池的應(yīng)用前景廣闊。”

  一場攻關(guān)“馬拉松”

  作為下一代電池技術(shù)的“明星”,固態(tài)電池賽道吸引到大量的真金白銀和技術(shù)投入。

  在固態(tài)電池這條新賽道,不少企業(yè)立下“軍令狀”:比亞迪計劃2027年小批量生產(chǎn)硫化物全固態(tài)電池,并在2030年將其應(yīng)用于主流電動車型;寧德時代擬于2027年達(dá)到小批量生產(chǎn)全固態(tài)電池水平;億緯鋰能計劃2026年取得工藝突破、2028年實現(xiàn)技術(shù)突破,推出400Wh/kg高比能全固態(tài)電池;國軒高科計劃2027年固態(tài)電池小批量上車實驗,2030年實現(xiàn)量產(chǎn);長安汽車計劃在2030年推出液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)等8款自研電芯。

  業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為,2030年或是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵節(jié)點。但是,目前固態(tài)電池離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚有一段差距。

  從技術(shù)上看,固態(tài)電池的研發(fā)之路還面臨著不少挑戰(zhàn)。這場比新比強(qiáng)的技術(shù)競賽,更像是一場需要耐心與毅力的“馬拉松”。

  與傳統(tǒng)電池的“固—液界面”相比,“固—固界面”的接觸性和穩(wěn)定性更差,離子傳輸效率相對較低,這是固態(tài)電池研發(fā)的首要技術(shù)難題。

  “固態(tài)電解質(zhì)之間有縫隙就是斷路狀態(tài),所以怎么把電解質(zhì)無縫隙地壓到一起,是我們要攻關(guān)的問題。”惠州億緯鋰能股份有限公司中央研究院常務(wù)副院長趙瑞瑞介紹。

  不少企業(yè)選擇了一條過渡線路:半固態(tài)、凝膠態(tài)電池。這兩類電池保留了部分電解液,能夠改善界面接觸和電導(dǎo)率問題,而且結(jié)構(gòu)與液態(tài)電池相仿,與企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)線的兼容度高。不過,趙瑞瑞團(tuán)隊在研究中發(fā)現(xiàn),半固態(tài)、凝膠態(tài)電池發(fā)熱現(xiàn)象增多,不得不犧牲電池的一部分性能。所以,發(fā)展固態(tài)電池仍然是主流趨勢。

  按照電解質(zhì)的不同,固態(tài)電池的技術(shù)路線可分為聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物等路線。出于多種考量,趙瑞瑞團(tuán)隊把目光投向硫化物路線。

  硫化氫是劇毒物。提起研發(fā)經(jīng)歷,趙瑞瑞的語氣透露著一絲緊張。

  做實驗前的第一件事,就是把硫化物電解質(zhì)暴露在空氣中,測定硫化氫的含量。“為了判斷實驗環(huán)境是否安全,我們在每個房間內(nèi)都安裝了3個以上的硫化氫監(jiān)測探頭,即使有一個出故障,其他兩個還能工作。”趙瑞瑞說,“每個人都全副武裝,穿戴好防護(hù)服、防毒面具,但還是有很大的心理壓力。”

  經(jīng)過反復(fù)嘗試,預(yù)實驗取得了一些成果,團(tuán)隊逐漸掌握了硫化物電解質(zhì)的特性,看到了固態(tài)電池研發(fā)的希望。

  要讓固態(tài)電池走進(jìn)千家萬戶,還需克服一個巨大障礙,那就是成本。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心副研究員鞠江偉向記者介紹:“前期投入大,固態(tài)電池尚未形成規(guī)模,難以實現(xiàn)從原材料到制備流程的降本。不過,隨著材料體系、產(chǎn)線裝配逐漸成熟,未來固態(tài)電池成本會逐漸降下來。”

  保持信心與耐心

  在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化不斷提速的同時,許多人好奇,中國的固態(tài)電池研發(fā)在全球競爭中處于何種水平?

  從固態(tài)電池的研發(fā)歷史來看,日本、韓國和一些歐美國家起步相對較早,中國雖入局較晚,但在部分特定領(lǐng)域的技術(shù)專利上并不落后。鞠江偉分析,日本在前期材料的制備合成上研究比較成熟,因此在固態(tài)電解質(zhì)材料方面有不少專利;而在中后期的制膜、疊片、組裝及設(shè)備開發(fā)方面,我國的專利布局比較系統(tǒng),具有技術(shù)上的領(lǐng)先性。

  國家知識產(chǎn)權(quán)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,截至2023年5月,全球固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)專利申請量為20798項,其中中國有7640項,占比達(dá)36.7%;2018—2023年,中國固態(tài)電池全球?qū)@暾埩磕昃鲩L20.8%,增速位列全球第一,中國企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在研發(fā)競賽中展現(xiàn)出強(qiáng)勁勢頭。

  作為未來技術(shù)高地,固態(tài)電池研發(fā)的全球競爭十分激烈:日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省推出國家電池戰(zhàn)略,目標(biāo)是在2030年左右實現(xiàn)固態(tài)電池的全面商業(yè)化;韓國擬通過固態(tài)電池打造第二個“漢江奇跡”;歐盟發(fā)布《電池戰(zhàn)略研究與創(chuàng)新議程》,將固態(tài)鋰電池確定為重點研究主題之一……

  因此,中國要在這場競賽中贏得先機(jī),還需多方主體共同發(fā)力。

  “固態(tài)電池研發(fā)投入大,且短期內(nèi)難以收到回報。從實驗室走向企業(yè)和市場的過程,需要國家給予政策支持,并引導(dǎo)龍頭企業(yè)加大研發(fā)力度。”鞠江偉表示。

  近年來,國家政策密集出臺,行業(yè)所需已成政策所向:2020年10月,國務(wù)院辦公廳發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》,首次將固態(tài)電池列入行業(yè)重點發(fā)展對象,并提出加快研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程;2023年1月,工信部等六部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出加強(qiáng)固態(tài)電池標(biāo)準(zhǔn)體系研究;今年6月,工信部發(fā)布《2024年汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作要點》,明確提出圍繞固態(tài)電池、電動汽車換電、車用人工智能等新領(lǐng)域,前瞻研究相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)子體系,支撐新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式創(chuàng)新發(fā)展……

  趙瑞瑞認(rèn)為,在現(xiàn)有政策支持的基礎(chǔ)上,還應(yīng)針對電池研發(fā)出臺一些規(guī)范或指導(dǎo)性意見,防止部分研究者急于求成,忽視必要的技術(shù)和安全條件盲目實驗。一旦釀成重大事故,將會打擊整個行業(yè)的研發(fā)積極性和市場的信心。

  當(dāng)前,固態(tài)電池還處在商業(yè)化的初級階段。面對激烈的技術(shù)競爭,中國的研究者們對固態(tài)電池的研發(fā)、量產(chǎn)和商業(yè)化保持著信心與耐心。提起研發(fā)經(jīng)歷,趙瑞瑞說,她在項目規(guī)劃時會把任務(wù)分解成多個階段,一步一步來。“對固態(tài)電池這種特別難的項目,我們的每一步探索并不需要創(chuàng)造多大的經(jīng)濟(jì)價值,只要和之前比,循環(huán)壽命、環(huán)境適應(yīng)能力等指標(biāo)有所突破,那就是值得的。”

  “現(xiàn)在我們已經(jīng)站在了潮頭浪尖上。我們希望通過全行業(yè)的努力,開拓更多的應(yīng)用領(lǐng)域,為消費者帶來更多的便利,為社會創(chuàng)造更多的價值,讓中國企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域不斷創(chuàng)新、奮勇爭先。”孫立說。

  來源:人民日報海外版



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