磷酸錳鐵鋰、鈉離子電池、復合集流體作為動力電池領(lǐng)域2023年最重要的技術(shù)創(chuàng)新成果，均已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
而遙看星辰，作為下一代電池重要技術(shù)路線之一的半固態(tài)、全固態(tài)電池技術(shù)，在技術(shù)、市場的推動下，其產(chǎn)業(yè)化也正在臨近。
近期，有關(guān)半固態(tài)、固態(tài)電池的消息日益增多，而從市場動作來看，基于該技術(shù)的產(chǎn)品裝車也已經(jīng)有了時間表。
日前，三星SDI社長透露，“今年，我們已經(jīng)完成了全固態(tài)電池中試線的建設(shè)，準備在下半年生產(chǎn)樣機?！彼€指出，“我們正在為下一代電池產(chǎn)品的開發(fā)和量產(chǎn)做準備，包括完成直徑46毫米圓柱形電池的‘M線’?！?/span>
去年7月，蜂巢能源透露，該公司已經(jīng)研發(fā)出國內(nèi)首批20Ah級硫系全固態(tài)原型電芯。該電芯的能量密度高達350~400Wh/kg，比鋰離子電池高出30%以上，并已順利通過針刺、200℃熱箱等試驗測試。
上個月，豐田汽車對外表示，該公司擬于2027年向市場投放配備“全固態(tài)電池”的純電動汽車。
國內(nèi)方面，近日，上汽集團也對外表示，擬向清陶能源追加投資近27億元，深化布局固態(tài)電池技術(shù)。根據(jù)上汽集團的規(guī)劃，2024年上汽集團旗下智己汽車將推出搭載固態(tài)電池的高性能、長續(xù)航車型，并率先實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn);2025年上汽集團旗下飛凡、榮威、MG名爵等品牌也將推出固態(tài)電池相關(guān)車型，計劃在2025年其固態(tài)電池車型銷量將突破10萬輛。
在通往固態(tài)電池這一技術(shù)之巔上，中國科研院所也有好消息傳來。
據(jù)中國科學技術(shù)大學消息，近日，該校馬騁教授研發(fā)出一種新型固態(tài)電解質(zhì)，據(jù)報道其綜合性能和目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近，但成本不到后者的4%，很適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該成果以“A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries”為題發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《Nature Communications》上。
資料顯示，為了滿足實際應(yīng)用需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)至少需要同時具備三個條件：
· 高離子電導率(室溫下超過1毫西門子每厘米);
· 良好的可變形性(250-350兆帕下實現(xiàn)90%以上致密);
· 足夠低廉的成本(低于50美元每公斤)。
值得注意的是，目前被廣泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)，以現(xiàn)有技術(shù)都無法同時滿足這些條件。比如，氧化物作為脆性陶瓷，普遍不具備可變形性;硫化物和大部分氯化物則成本高昂，至少在200美元每公斤的量級。中國科學技術(shù)大學消息指出，這些材料中唯一的例外是氯化鋯鋰，但是它的離子電導率卻遠低于1毫西門子每厘米。
來源：中國科技大學官網(wǎng)
此次研究中，馬騁教授不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一種，而是轉(zhuǎn)向氧氯化物，設(shè)計并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰。
據(jù)介紹，新型固態(tài)電解質(zhì)氧氯化鋯鋰具有很強的成本優(yōu)勢。如果以水合氫氧化鋰、氯化鋰、氯化鋯進行合成，它的原材料成本僅為11.6美元每公斤，遠低于50美元每公斤的成本要求;如果以水合氧氯化鋯、氯化鋰、氯化鋯進行合成，氧氯化鋯鋰的成本可以進一步降低到約7美元每公斤，遠低于目前最具成本優(yōu)勢的固態(tài)電解質(zhì)氯化鋯鋰(10.78美元每公斤)，并且不到硫化物和稀土基、銦基氯化物固態(tài)電解質(zhì)的4%。
當前，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化除了技術(shù)難點外，成本也是一道難以跨越的坎。據(jù)測算，僅目前接近產(chǎn)業(yè)化的半固態(tài)電池成本，就已遠高于商用化的液態(tài)電池成本。
今年5月，蔚來新一代ES6正式上市，在發(fā)布會上，蔚來董事長李斌介紹稱，基于半固態(tài)電池的蔚來150kWh電池包將于今年7月上線，并搭載到ES6車型上，CLTC純電續(xù)航達到了930公里，同時該電池包支持換電。
蔚來聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁秦力洪表示，150kWh電池包成本很高，相當于一輛ET5(75kWh電池版整車32.8萬元，電池租賃版25.8萬元)。
根據(jù)測算，以NCM811液態(tài)電芯和NCM811半固態(tài)電芯為例，半固態(tài)電芯成本相比液態(tài)電芯成本增加約80%。其中，固態(tài)電解質(zhì)成本是主要新增成本，也是半固態(tài)電池中的主要成本，占比約50%。由于電解質(zhì)材料變化、生產(chǎn)工藝改變、產(chǎn)品質(zhì)量控制經(jīng)驗不足導致的工程驗證周期長等因素，都會使得全固態(tài)電池比半固態(tài)電池成本更高。
據(jù)中國科技大學介紹，除了極強的成本優(yōu)勢，氧氯化鋯鋰的綜合性能和目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當。它的室溫離子電導率高達2.42毫西門子每厘米，超過了應(yīng)用所需要的1毫西門子每厘米。與此同時，它良好的可變形性使材料在300兆帕壓力下能達到94.2%致密，也超過應(yīng)用所需要的水平(250-350兆帕下90%以上致密)。
此外，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池展示了極為優(yōu)異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功地在室溫環(huán)境下穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上。
氧氯化鋯鋰的發(fā)現(xiàn)，使固態(tài)電解質(zhì)在性能、成本上“魚與熊掌”兼得，如果該材料和技術(shù)得以快速產(chǎn)業(yè)化，對全固態(tài)鋰電池裝車將具有重大意義。
相較于全固態(tài)電池，今年以來，半固態(tài)電池消息更為熱鬧，且產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)到來。
6月30日，衛(wèi)藍新能源歷時兩年多開發(fā)的360Wh/kg半固態(tài)電池正式交付給蔚來，并將于7月配套裝車到蔚來ES6車型上;
孚能科技透露，今年5月，該公司自主研發(fā)的第一代半固態(tài)電池已順利量產(chǎn)裝車，電池的安全性能和單體電芯能量密度得到提升。
而在今年4月，寧德時代發(fā)布了凝聚態(tài)電池(Condensed Battery)，單體能量密度最高可達500Wh/kg，兼具高能量密度和高安全的特性，并且其乘用車用的凝聚態(tài)電池(據(jù)報道能量密度在300Wh/kg左右)今年將具備量產(chǎn)能力;同月，億緯鋰能表示，該公司基于50Ah的固液混合半固態(tài)體系軟包電池，可實現(xiàn)330Wh/Kg的能量密度，超過1000次的循環(huán)壽命，使用溫度可拓展到-20℃-80℃，目前已完成設(shè)計定型，并裝車驗證中。
需要指出的是，一種新技術(shù)、新材料從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化往往需要數(shù)年的時間，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)投入?；谘趼然嗕嚨娜鹿虘B(tài)電解質(zhì)在技術(shù)理論層面已經(jīng)有了質(zhì)的突破，而這一技術(shù)的出現(xiàn)相信會成為業(yè)界努力的方向之一，而能否快速產(chǎn)業(yè)化仍有待持續(xù)觀察。但半固態(tài)、全固態(tài)作為動力、儲能電池的方向，在市場倒逼下，相信其產(chǎn)業(yè)化進程會加速到來。