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全固态电池会颠覆现有的锂电池吗

时间:2024-01-22 09:18来源:言之成锂 作者:言之成锂
点击: 次
 
2024年1月21日，由欧阳明高院士发起的中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP) 在北京举办了揭牌仪式，会上邀请了来自工信部、能源局，物理与化学电源协会，中国产学研合作促进会等部委和协会的领导致辞，对固态电池的发展前景以及CASIP恰当其时的成立给予了较高的评价。
 
此前业界就对固态电池寄予厚望，号称是锂离子电池的“最终形态”，是对现有业态锂离子电池的颠覆性创新。那么，CASIP成立的目的是什么？全固态电池真的会颠覆现有的锂离子电池吗？本文带您分析。
一、CASIP成立的目的
 
关于中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)成立的目的，欧阳明高院士在其主题报告中做了比较完整的表述。主旨概括起来如下：
 
1. 过去十年中国动力电池产业的发展取得了辉煌的成就，电池能量密度提高3倍，成本下降80%，电池产量占全球接近70%。这些辉煌成绩有力保证了新能源汽车的发展：去年新能源汽车的销量接近950万辆，渗透率超过30%。有望在2025~2026年达成渗透率50%的目标，比原定的2035年提前10年左右。而且新能源汽车的领先也对汽车出口产生了积极影响，去年950万辆车里面有120万出口到海外市场，助力我国超越日本，成为世界第一大汽车出口国。
2. 虽然成就有目共睹，但是动力电池产业的发展面临着产能过剩以及行业内卷的问题。其中低端的磷酸铁锂电池价格已经跌到了0.4元/Wh，并且有望持续下跌到0.32元/Wh左右，这样的价格已经低于成本线。
 
所以除了头部的两家企业之外，国内大部分动力电池企业并没有赚钱，还处于亏损状态。我们不能总盯着低成本的电池来内卷，也要开发高比能高安全的电池来占领高端市场。
3. 为了改善高比能电池的安全，欧美日韩普遍采用了全固态电池的路线。尤其是在硫化物技术路线方面，日本深耕多年，专利和技术遥遥领先，这一轮硫化物固态电解质电导率的提升都是日本团队主导的。尤其是东京工业大学的Kanno教授，可以说凭借一个课题组之力将硫化物电解质的离子电导率提高到了逆天的程度，也侧面促进了丰田从2012年开始的固态电池布局。
 
韩国的三星SDI电池性能也很不错，美国的Solid Power的电池A样也已经给宝马测试。而我国在还主要停留在半固体电池的阶段，其基本思路跟液态电池是一致的，只是提高了安全性，不是颠覆性技术。
4. 目前在全固态电池专利布局上，日本遥遥领先，尤其是丰田已经有超过1300个全固态电池的专利授权，而国内大部分企业专利授权数量不足100。
 
考虑到全固态电池是一种颠覆性的技术，在安全性，能量密度，温度范围，倍率以及系统集成效率等多个方面超过目前的液态锂电池。我们必须要提前布局，避免在该领域被欧美日韩弯道/换道超车。
5. 基于以上分析，考虑到目前国内对于全固态电池研发认识不统一，力量比较分散，产学研不协调等现状，急需联合起来建立协同创新平台，从基础研发，科研服务，以及产业协作等几个方面来统筹协调国内全固态电池的发展。
 
既能够解决共性问题，比如Li2S的大规模合成，固态电池设备的统筹开发等（会上欧阳明高院士提到，如果采用全固态电池以及干法工艺，目前的锂电设备大约60~70%都要重新开发），也能保留各家企业的特色技术，加快全固态电池的创新发展，来赶上欧美日韩2027~2030年全固态电池的量产时间节奏。
 
同时也能够让制定政策的高层乃至普通消费者们掌握固态电池的发展现状和未来趋势，不再为国内电池的发展前景担忧。
二、全固态电池会颠覆锂离子电池吗？
 
虽然全固态电池号称是锂离子电池的“最终形态”，但是其发展的时间比液态锂电池更早。这从物理所陈立泉院士今天的报告中可见端倪，全固态电池早在20世纪70年代就开始研发，90年代初由于索尼公司成功商用了液态电解液的锂离子电池，固态电池退居幕后。随着电动汽车的广泛普及，电池安全的重要性不断提高，在2011年以后重新引起了学术界和产业界的瞩目。
全固态电池的核心是改善电池安全，正是因为电芯本征安全的改善，就可以使用更高能量密度的材料体系，做成高比能的电池。
 
不过在取消隔膜和电解液以后，电池内部的空间都要由固态电解质进行填充，如果采用石墨或者硅负极的话，正负极的孔隙率都要考虑，即使是密度较低的硫化物电解质，其质量占比一般都在20%以上，导致同样的正负极配方，固态电池的比能量不占优势(参考全固态电池更加务实了)。
 
比如欧阳明高院士展示的350Wh/kg的硫化物全固态电池，正极克容量235mAh/g, 负极硅克容量2400mAh/g, 要是用液态电池的话，那么能量密度可以达到450Wh/kg(不过电芯的安全性可能会比较差)。
 
从这个意义上讲，宁德时代的凝聚态电池比能量达到了500Wh/kg, 虽然不是全固态这种颠覆性技术，如此高的比能量依然让其他固态体系望尘莫及。
实际上，欧阳明高院士课题组也做了基于原位聚合的半固体电池（类似于凝聚态），通过电解液配方的优化以及聚合物包覆层对正极释氧的阻隔，热失控特征温度T2提升接近50℃，并且比能量可到320Wh/kg, 充电倍率4C, 1C循环寿命1500次以上。
 
而且这些是在不怎么增加成本的情况下实现的，在国内车企既要又要还要也要的复杂需求下，虽然半固体电池算不上颠覆，但是短期内有望迅速铺开。
当然了，全固态电池的核心还得是高端化，从电解质材料合成到电极制作都有较高的壁垒，这样才有更多的利润。比如近期韩国的SK On跟美国硫化物固态电池初创公司Solid Power签署合作协议，其中在电池设计和生产工艺的方面，SK On需支付2000万美元，才能得到后者的授权进行研发活动，且仅限研发，不能量产。生产线的组装还得额外支付2200万美元，而且还得独家从Solid power购买硫化物电解质，预计也要1000万美元。
 
不过这样的合作方式估计在国内很难展开，因为国内从事某一行业的人才高度集中，且专利意识不强，人才的流动很容易导致技术的流动，所以一旦哪家掌握了固态电池的技术，其他家可能很快就会赶上。比如手机的AI大模型，2023年寥寥无几，今年全都上了；卫星通讯也随着华为的引领，变成了各家旗舰机普及的性能。
 
综合来看，全固态电池很难颠覆现有的锂离子电池。不过在特斯拉model S出现之前，国内也几乎没人相信电动汽车能搞成，因为电池的能量不够，续航太短；苹果当初搞触屏智能手机，诺基亚摩托罗拉们也是嗤之以鼻，因为这手机打电话不稳定，短信也不能群发，最基本的功能都无法保证；丰田的HEV技术超级节油且可靠性也很高，谁能想到比亚迪的DM-i取消了多档变速箱，且国内LFP电芯成本能降到0.4元/Wh以下，使得PHEV的性能和成本超过了HEV。
 
所以说对全固态电池还是要满怀敬畏之心，就如乔布斯所说的”Stay hungary, Stay foolish”。
 
小结：随着中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)的成立，我国全固态电池的发展迈入了新的阶段，从之前的单打独斗到后面的产学研协同，希望能够在跟日韩欧美的激烈竞争中脱颖而出，赶在2030年前全面实现商业化。
 
虽然从目前的技术路线来看，全固态电池很难彻底颠覆现有的锂电池，但是不能忽略人工智能AI技术在新材料开发中的变数。考虑到国内产业的发展现状和投资环境，能有多少企业坚持到2030年还是未知，过程中可能需要政府的专项支持，至于后面的政策如何，让我们拭目以待，静待花开。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 锂电池 全固态电池
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