固态电池产业化,磷酸锰铁锂商业化了吗

氯化锆锂的发现使氯化物固态电解质兼具性能和成本的优势。

桂运安

近日，一种锂电池固态电解质新材料——氯化锆锂的问世，成功将50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，而此前最廉价的氯化物固态电解质相对应的成本为23.05美元/平方米。

这种新材料由中国科学技术大学教授马骋团队设计并合成，该材料克服了锂电池固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的瓶颈，有望推进安全且具有更大能量密度提升空间的全固态锂电池商业化进程。相关成果7月20日发表于《自然—通讯》。

值得关注的是，该成果发布的第二天，锂电池板块“涨声”一片，飘红股票占比87%，A股19只“锂电池”股再创历史新高。投资者认为，这一重磅进展有可能是引爆“锂电池”板块的推手之一，而市场也对这种“物美价廉”的新材料充满期待。

“鱼与熊掌”可兼得

当前，传统商用锂电池自燃、爆炸事故时有发生。不久前，杭州电动车自燃事故仍让人心有余悸。

“采用有机液态电解质的传统商用锂离子电池，具有体积小、容量大、使用寿命长等优点，但其热失控之后容易起火，甚至引发爆炸。”马骋对《中国科学报》说，固态锂电池中的固态电解质，可以杜绝液态电解质带来的“易燃易爆”与漏液等问题，实现安全储能。

固态电解质是固态锂电池最核心的部件，但其生产成本和综合性能往往不可兼得，难以满足商业化需求。

“虽然固态锂电池具有更高的安全性，但固态电解质原材料成本大多非常高，并且相当一部分性能很好的固态电解质对湿度的稳定性不佳，需要在露点不超过零下40摄氏度的环境下制备和储存，极大增加了生产成本。”马骋坦言，这些都给全固态电池的商业化带来巨大挑战。

对生产成本和综合性能来说，“鱼与熊掌”能否兼得？马骋团队设计并合成的新型氯化物固态电解质材料——氯化锆锂，成功将50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，远低于10美元/平方米这一确保全固态电池市场竞争力的阈值。

除此之外，氯化锆锂在露点高达零下15摄氏度的相对潮湿气氛中仍能保持稳定，其合成和储存对环境的要求并不苛刻，相对来说更容易制备，这也进一步降低了生产成本。

值得关注的是，生产成本的降低并不以牺牲性能为代价。

“这一新成果最大的亮点，就是我们设计的材料在大幅降低规模化生产成本的同时，仍然在综合性能上有很强的竞争力。”马骋表示，在离子电导率、可变形性以及与高电压正极相容性等方面，氯化锆锂很好集成了硫化物、氧化物固态电解质的优势。它与高镍三元正极组成的全固态电池的循环性能，甚至可以比肩基于液态电解质的锂离子电池。

新材料并不完美

当下主流的动力电池，无论是磷酸铁锂电池还是三元锂离子电池，均是采用液态电解质的锂离子电池，除了存在“易燃易爆”的弊病，能量密度也基本达到了“天花板”。

马骋认为，在新能源电动汽车领域，全固态锂电池或许是安全问题的最终解决方案，将会成为锂电池行业的颠覆者。此外，全固态电池可以使用更高能量的正负极材料，电池构造也能提供更多“脑洞大开”的可能性。

然而，全固态锂电池虽然被科学界和产业界普遍看好，但其商业化量产仍面临诸多障碍，比如需要寻找更加适合量产的固态电解质材料、固态电解质膜需要做得更薄等。

马骋坦言，固态电解质材料只有兼顾成本和性能，且具有巨大优越性，才有全面替代液态电解质的可能。此外，固态电解质膜主要用来传输锂离子，厚度做到10~40微米，在能量密度上才具备竞争力，这些重大障碍均非一朝一夕可以扫除。

氯化锆锂则是首个基于四价阳离子的高性能氯化物固态电解质，马骋表示，它克服了生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈，并且在这两方面均具备显著优势，这在固态电解质中十分罕见，为全固态电池商业化扫清了一大障碍。

“但需要特别说明的是，这一新材料并不完美。”马骋坦言，氯化锆锂对于金属锂负极的稳定性并不好，这一不足仍需解决。目前，该团队正在试图提升氯化锆锂对金属锂的稳定性，以及研发基于氯化锆锂的高能量密度软包电池，不断优化全固态锂电池性能，并与相关企业合作推进商业化进程。

来源： 《中国科学报》

新型固态锂金属电池或改变行业格局，其寿命有多长？

新型固态锂金属电池或改变行业格局，其寿命20年。

1、大家都知道，目前我国能源汽车动力电池主要有三元锂电池磷酸铁锂电池这两款。随着电动汽车的不断普及，电池越来越受到各界人士的关注。国外能源媒体报道，美国哈佛大学研制出了一款新型的固态锂电池。这款电池惊人的速度是在三分钟内就可以充满电，而他的生命周期却可以长达20年之久。而这款新型的电池所用的是纯金属的离。在同等的体积下充电速度更快的特点。普通的电池只能循环，寿命最多3000次，而这款电池却不止这个数字，它的普及将会改变行业目前的格局。而因为此发明哈佛大学技术发展办公室也被授予了许可证，目的是为了将这款电池推向商业化。

2、电池的使用寿命一直是电动汽车最大的薄弱环节。如果这款电池能够被普及，那么对于电动汽车而言将会是很大的福利。而它在性能和可靠性上面都具有突破性的飞跃。可以满足用车的生命周期。即便是每天充电一次，这款垫子也能达到20多年之久。像技术也将会改变电动汽车长久以来的局限。

3、这项新技术将会改变人们对电池的认知。锂电池随着时间的退化，它的寿命也相对来说只有七八年，但是这款电池却可以延长它的寿命，成本可以节省很多。花卉的成本也是少好几万。对于用户来说是最好的选择。固态电池是汽车电动化的必经之路，而与锂电池相比而言，这款电池无疑更加受到商家们的吹捧。因为它可以以更低的成本，更高的使用率，获得消费者的青睐。同款体积之下能够容纳更多的能量。

固态电池样车下线，3年后市场化，新能源车能安全不自燃了吗？

新能源产业心心念念多年的固态电池技术，终于走向现实。 

近日，一辆搭载固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试，顺利下线。这是国内首次公开的可行驶的固态电池样车，它的下线也意味着固态电池技术在产业化的路上迈出了关键一步。

搭载固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试，顺利下线 / 北汽集团

相较于当前主流电池正负极、隔膜、电解液的结构，固态电池其实没有任何变化，只是用固态或半固态电解质，替代了液态的电解液。电池使用固态电解质后，既能提升电压平台从而拔高能量密度上限；又因不易燃烧、不产气等特点，极大程度上提高了电池安全性。

固态电池的优势

基于以上优势，固态电池一直是下一代锂电技术的焦点。目前固态电池所面临的主要瓶颈是固态电解质的导电率、内阻、界面阻抗及相容性等。因此，现阶段各大企业的研发重点是固态聚合物电解质、无机固体电解质的设计及制备技术，固/固界面构筑及稳定化技术；并在此基础上完善电池生产工艺及专用设备的研究，来实现产品的量产。

近年来，丰田、日产雷诺、通用、北汽、上汽等国内外主流车企，开始加紧固态电池的研发与产业化布局；另一方面，清陶能源、万向一二三、LG化学、麻省固能等电池企业也开始筹备建设固态电池产工厂，其中不乏已经投产的固态电池产线。 

除北汽固态电池量产车下线外，今年3月，哪吒汽车已发布了一款搭载固态电池的新车型—哪吒U。据合众汽车方面透露，哪吒U计划于10月份申报工信部公告，年底前量产500台。

显然，在新能源领域，一场基于固态电池的卡位战悄然拉开。按照国内领先的全固态电池开发商清陶能源总经理李峥博士的预计，三年内固态电池将在乘用车领域替代性使用，即一款车以采用液态电池方案正向开发，固态电池版本对其中部分功能进行替换；三年后，基于固态电池的正向开发车型将真正走向市场，发挥固态电池高安全、高能量密度的特点。 

为什么是固态电池？ 

根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg（瓦时每千克）；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。

按照现有的三元和石墨作为正负极活性材料所组成的液态锂离子动力电池，重量能量密度极限约为280Wh/kg左右。即便引入硅基合金替代纯石墨作为负极材料后，能量密度的上限也只能达到300-350Wh/kg。这也意味着想要达到400Wh/kg，甚至突破更高的能量密度壁垒，锂电技术革新势在必行。 

事实上，近年来声势浩大的新型电池技术不在少数，富锂锰基、高电压尖晶石、无钴电池、四元电池等概念层出不穷，但始终雷声大雨点小，三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池并驾齐驱的电池技术格局，始终没有改变。

对此，李峥的解释是，“受限于当前电解液的电压平台以及安全性，很多诸如富锂锰基、高电压尖晶石等性能突出的锂电新材料，无法发挥高比能优势，使得锂电技术革新进入了一个瓶颈期。”同时，李峥还指出，高电压平台的固态电解质的应用，或许能打开新材料的“枷锁”。 

因为固态电解质其实只是电池电解质部分由液态变成了固态，对其正负极材料则没有限制，因此理论上，固态电池有千万种类型，它既可以是三元锂电池，也可以是磷酸铁锂电池。 

此外，由于固态电解质高安全、高电压的特点，使得诸多新型电池材料更容易得到有效应用。一旦固态电池真正具备商业化条件，基于固态电池的诸多锂电新材料应用将接踵而至，届时，锂电技术革新或将迎来质变。

中国科学院物理研究所李泓博士也指出，固态电解质是一种通用型策略，一旦开发成功，再搭配不同的正负极材料，能满足消费类电子、无人机、动力储能、航空航天、轨道交通等诸多领域的需求。 

因此，与其将固态电池看成一种新型电池产品，不如将其当作某种解锁电池材料性能上限的技术手段，这正是业内对固态电池技术寄予厚望的原因所在。与此同时，固态电解质带来的安全性质变，是当前新能源产业迫切需要的。

自新能源汽车问世以来，安全焦虑就始终萦绕在每个新能源车企心头，其中最大的痛点来自于电动汽车自燃。电动车自燃的原因不外乎锂电池发生内部发生短路后热管理失控，其中易燃性的电解液发挥着“重要作用”，固态电解质最大的特点就是不易燃烧，很大程度上避免了电池热失控。 

不过，需要指出的是，形成固态电解质的途径有很多种，但并非所有的固态电解质都不易燃烧。李泓就明确表示，“我们最近发表了一些文章，论证了氧化物固态电解质（固态电池的一种）优良的热稳定性，但是否每一种固态电解质都意味着热稳定，还有待具体的研究数据。” 

总体来看，固态电池被寄予厚望的原因主要是其可作为电池技术革新的基础策略，同时具备高安全性。但具体到每一款固态电池，则需要大量细致的研发，确保其性能和热稳定性。 

固态电池什么时候落地？

尽管固态电池有着种种优势，但其产业化的进展并不顺利。2017年，以菲斯克、丰田等车企为主，大肆吹鼓自身固态电池技术，但其量产车型落地时间却一推再推，由此可见固态电池极高的开发难度。

近日，丰田汽车公司动力总成部门执行副总裁兼电池部门总经理凯塔·凯塔（Keiji Kaita）在接受《汽车新闻》采访时表示，原计划在2020年东京奥运会上推出其固态电池供电的原型车，被推迟至2021年。不过，丰田仍有望在2025年前完成电动汽车固态电池的生产。 

2025年，或许是一个固态电池在汽车领域产业化的分水岭。根据宝马、丰田、奔驰、通用及各初创企业最新的宣传，固态电池落地时间基本锁定在2025年前后。 

中国科学院物理研究所李泓博士表示， 车企敢于开发固态电池汽车的前提是，固态电池产能至少达到1Gwh，在此基础上，考虑到完整的供应链成型、工艺体系成熟、产能建设足够，以及足够的路试时间， 2024年会是一个相对乐观的半固态电池大规模应用时间节点，至于全固态，可能要到2030年。 

相对而言，清陶能源总经理李峥的预测，则更为激进些，“目前，固态电池已经在消费电子等领域实现了量产应用，三年内固态电池将在乘用车领域替代性使用，三年后（新车开发时间大概3年），将会有真正基于固态电池正向研发的车辆面向消费者。” 

按照李峥的描述，去年开始，清陶能源已经开始和几家主流的主机厂做测试样车。同时，据一位知情人士透露，“今年内肯定有搭载固态电池的量产电动汽车面世。”

值得一提的是，今年7月，刚刚完成E+轮融资的清陶能源，其位于宜春的固态电池量产线已经正式投产，产能1Gwh，已满足李泓博士判断的车型研发前提。宜春固态电池工厂将面向乘用车动力市场，并留下了足够的扩产空间。

除清陶能源能源外，辉能科技1GWh固态电池产线预计明年开始量产，星盈科技2GWh 的全固态锂电池生产线预计2024年投产。随着电池企业固态电池产线逐渐投产，其在汽车领域商业化的脚步将越来越快。（责编/杨佩谦）

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