傳統(tǒng)的液態(tài)電池使用液態(tài)電解質(zhì)作為離子遷移通道，通過(guò)隔膜隔離正極和負(fù)極以防止短路。固態(tài)電池是指用固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，其基本原理與液態(tài)電池相似，即帶電離子在正極和負(fù)極之間往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程。
目前液態(tài)電池為全球鋰電池主流技術(shù)，工藝及供應(yīng)鏈成熟，伴隨著技術(shù)更新迭代，液態(tài)電池已接近能量密度上限，并且存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池具有輕量化、安全性好、能量密度高、使用溫域?qū)?、循環(huán)壽命長(zhǎng)、快速充放電等優(yōu)勢(shì)，它被認(rèn)為是今后解決新能源汽車?yán)m(xù)航和安全性問(wèn)題的新一代鋰電池。
2023年底，中國(guó)臺(tái)灣企業(yè)輝能科技的固態(tài)電池生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。這是全球首條實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的固態(tài)電池生產(chǎn)線，加快了業(yè)界對(duì)固態(tài)電池量產(chǎn)的信心。
1、固態(tài)電池技術(shù)挑戰(zhàn)與全球戰(zhàn)略布局
固態(tài)電池上游的基礎(chǔ)原料主要包括鈷、鋰、鎳、錳、石墨等礦產(chǎn)原料，其中最主要的有色金屬原料為鋰礦。中游的鋰電池材料主要包括電解質(zhì)、正極材料和負(fù)極材料，是生產(chǎn)鋰電池電芯及電池包的主要原料，也是鋰電池產(chǎn)業(yè)的核心環(huán)節(jié)。下游應(yīng)用主要集中于新能源汽車、儲(chǔ)能、消費(fèi)電子、航空航天等領(lǐng)域。
固態(tài)電池目前仍處于產(chǎn)業(yè)化初期階段，面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在固態(tài)電池的材料、構(gòu)造、加工等方面，依然存在技術(shù)難題。目前的固態(tài)電池難題，一是存在固-固界面接觸時(shí)，內(nèi)阻較大，循環(huán)性能、倍率性能差等問(wèn)題；二是加工工藝難度大，如硫化物固態(tài)電解質(zhì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，同時(shí)涉及薄膜沉積等與現(xiàn)有液態(tài)鋰電池完全不同的生產(chǎn)工藝，大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)尚未解決；三是生產(chǎn)成本高，固態(tài)電池生產(chǎn)過(guò)程成本超過(guò)50%，而目前的液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程成本僅為20%-30%。
在新能源汽車應(yīng)用方面，固態(tài)電池對(duì)于新能源汽車的設(shè)計(jì)提出了新的要求。例如，固態(tài)電池對(duì)于整車的熱管理設(shè)計(jì)、一體化集成、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、全生命周期監(jiān)測(cè)和管理提出了新的需求，需要整車企業(yè)和電池企業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，共同改進(jìn)。另外，當(dāng)前以液態(tài)電池為核心的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)非常成熟。切入固態(tài)電池賽道，從原材料到基材生產(chǎn)、電芯/電池包裝配、電池生產(chǎn)應(yīng)用到電池回收，各環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生影響。
固態(tài)電池有望成為下一代動(dòng)力電池的解決方案，被列入中國(guó)、美國(guó)、歐盟以及日韓等主要國(guó)家的能源發(fā)展戰(zhàn)略中。
從海外政策發(fā)布看，日韓、歐美通過(guò)大額補(bǔ)貼推動(dòng)技術(shù)落地。日本采用“官—產(chǎn)—學(xué)聯(lián)盟”形式，打造共同研發(fā)體系，政府資金支持力度超2000億日元（約100億元人民幣），力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)；韓國(guó)政府出臺(tái)稅收抵免政策，疊加動(dòng)力電池巨頭聯(lián)合推進(jìn)，目標(biāo)于2030年完成固態(tài)電池裝車；歐洲國(guó)家中德國(guó)聯(lián)邦教育及研究部出資320萬(wàn)歐元發(fā)起固態(tài)電池研發(fā)項(xiàng)目；美國(guó)由初創(chuàng)企業(yè)主導(dǎo)，能源部出資約2億美元支持固態(tài)電池等先進(jìn)動(dòng)力電池技術(shù)研究。
我國(guó)對(duì)固態(tài)電池的政策總體以前瞻性布局為主，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2、固態(tài)電池中使用的化工材料概況
電解質(zhì)
固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心組成部分，可同時(shí)作為電池的隔膜以及電池的電解質(zhì)。電解質(zhì)的核心作用是在正負(fù)極之間傳導(dǎo)Li+。理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)滿足電子電導(dǎo)率高、界面阻抗低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性高、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。
根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，當(dāng)前研發(fā)中的固態(tài)電池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術(shù)路線。當(dāng)前日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線；歐美企業(yè)多以氧化物與硫化物電解質(zhì)為主，中國(guó)企業(yè)這三種固態(tài)電解質(zhì)路線均有布局。
正極材料
固態(tài)電池正極材料相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池的變化較小，仍可沿用現(xiàn)在的磷酸鐵鋰、三元材料的體系。但由于固態(tài)電池具有更寬的電化學(xué)窗口，因此可以兼容更高電壓的正極材料。
目前固態(tài)電池正極材料的開(kāi)發(fā)主要集中在高鎳三元正極、鎳錳酸鋰、富鋰錳基等路線。高鎳三元電極憑借能量密度高、倍率性能好、商業(yè)化程度高等特點(diǎn)，成為當(dāng)前固態(tài)電池研發(fā)的主流正極材料體系。鎳錳酸鋰、富鋰錳基與高鎳三元材料相比高能量密度優(yōu)勢(shì)突出且生產(chǎn)成本更低，有望成為未來(lái)固態(tài)電池正極材料的主攻方向。
負(fù)極材料
固態(tài)電池的負(fù)極材料主要包括石墨、硅、合金、金屬鋰等。由于固態(tài)電池對(duì)高能量密度的要求，負(fù)極材料的發(fā)展路線較為清晰，將遵循從石墨到硅基，最終邁向金屬鋰負(fù)極的路徑。硅基負(fù)極是中短期主要方案，金屬鋰負(fù)極是長(zhǎng)期方案。
固態(tài)電解質(zhì)與負(fù)極材料的組合，可以在一定程度上解決當(dāng)前負(fù)極材料的應(yīng)用缺陷。比如硅負(fù)極+硫化物電解質(zhì)體系中，硫化物電解質(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)率，可以有效促進(jìn)硅負(fù)極極片中的離子擴(kuò)散，同時(shí)硫化物電解質(zhì)具有優(yōu)良的機(jī)械延展性，可以緩沖硅負(fù)極的體積變化。對(duì)于金屬鋰負(fù)極，固態(tài)電解質(zhì)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較高的鋰離子遷移數(shù)，可以抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，可以有效避免由鋰枝晶穿刺帶來(lái)的安全問(wèn)題。
鋁塑膜
鋁塑膜是軟包電池的主要封裝材料。軟包封裝是最適用于固態(tài)電池的裝配工藝。首先，固態(tài)電池電解質(zhì)柔韌性較差，軟包封裝可以更好地解決柔韌性問(wèn)題，防止電池在使用過(guò)程中因內(nèi)部壓力或變形導(dǎo)致的破裂；其次，固態(tài)電池制造過(guò)程不需要電解質(zhì)注入和化成工序，軟包封裝簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程；此外，軟包封裝與全固態(tài)電池的固-固界面處理相匹配，可以更精確的控制和優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸。
固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用有望提升軟包電池的滲透率，進(jìn)而帶動(dòng)鋁塑膜的消費(fèi)增長(zhǎng)。
3、全球企業(yè)在固態(tài)電池及其材料上的布局
全球企業(yè)共同推動(dòng)固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)程。全球布局固態(tài)電池的企業(yè)可以大致分為整車企業(yè)和動(dòng)力電池企業(yè)兩大類。
從全球固態(tài)電池布局來(lái)看，日本企業(yè)技術(shù)研發(fā)起步較早、布局力度大，目前處于全球領(lǐng)先地位。日本占據(jù)全球固態(tài)電池技術(shù)專利的45%左右，其中豐田擁有全球最多的固態(tài)電池專利，近1400項(xiàng)。韓國(guó)三大電池廠（三星SDI、SK On、LG新能源）實(shí)力強(qiáng)勁，在固態(tài)電池領(lǐng)域已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。美國(guó)以初創(chuàng)企業(yè)為主，借助與歐洲龍頭車企合作加大固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。中國(guó)大陸企業(yè)積極布局，目前僅有清陶能源、衛(wèi)藍(lán)新能源進(jìn)入半固態(tài)電池量產(chǎn)階段，全固態(tài)電池研發(fā)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。
當(dāng)前是國(guó)內(nèi)固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策鼓勵(lì)固態(tài)電池相關(guān)企業(yè)發(fā)揮創(chuàng)新資源優(yōu)勢(shì)以及人才優(yōu)勢(shì)、增大研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究，提前布局前沿技術(shù)。近期國(guó)家擬打算投入約60億元推動(dòng)全固態(tài)電池的研發(fā)，推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)盡快從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。
對(duì)于國(guó)內(nèi)化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，固態(tài)電池是值得關(guān)注的新興市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)化工企業(yè)可以借鑒全球知名化工企業(yè)如巴斯夫、阿科瑪?shù)碾姵夭牧辖鉀Q方案，優(yōu)先以電池材料、涂料、膠黏劑等領(lǐng)域切入，與動(dòng)力電池企業(yè)、整車企業(yè)合作，共同開(kāi)發(fā)固態(tài)電池用材料，逐步進(jìn)入固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈中。
雖然固態(tài)電池是未來(lái)電池技術(shù)的主流發(fā)展方向，但是其技術(shù)門檻高、難度大，且在短期內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景較為有限。固態(tài)電池主要應(yīng)用于航空航天、能源存儲(chǔ)、移動(dòng)設(shè)備等高端領(lǐng)域，其生產(chǎn)制造成本短期來(lái)說(shuō)不占優(yōu)勢(shì)，不會(huì)完全替代液態(tài)鋰電池。而且當(dāng)前國(guó)內(nèi)固態(tài)電池技術(shù)能力并不占優(yōu)勢(shì)，需要正視與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的差距，奮起直追，推動(dòng)國(guó)內(nèi)固態(tài)電池核心技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)也不能放棄現(xiàn)有液態(tài)電池和其他類型電池的發(fā)展，應(yīng)堅(jiān)持液態(tài)、固態(tài)及其他新體系電池的多元化發(fā)展。
