张永柱教授谈固态电池：没有市场的量产将成曲高和寡

“‘固态电池已成未来锂电池发展的必经之路’基本已成行业共识。那么，被推崇多年的固态锂电池产业化之路走到哪里了？中国又该如何迎接固态锂电池技术风口的挑战？”

图中南大学教授、加拿大NRC国立研究院高级研究员张永柱

在“2019新能源动力电池安全技术高峰论坛”上，中南大学教授、加拿大NRC国立研究院高级研究员张永柱围绕该话题，图文并茂地为现场嘉宾分析了中外固态锂电池产业化进展及各系列固态锂电池产业化利弊。

据工业和信息化部整理的事故车辆集中批次统计对比可以看出，2018-2019两年的规律相似，电动汽车岀现问题一般仍是在出厂之后的第二个夏天发生。

“防止SEI膜持续生长、降低热失控风险问题，这是传统的液态电池目前难以解决的痛点问题。”张永柱教授表示，基于传统液态电池这些特点，在安全和能量密度上占据优势的固态电池已成为未来锂电池发展的必经之路。

“2025年有望实现全固态”

按照《中国制造2025》确定的技术目标，2020年锂电池能量密度需达到 300 Wh/kg，2025 年达到 400 Wh/kg，2030 年达到 500 Wh/kg。

然而，基于高镍三元+硅碳负极材料，现有体系的锂电池的能量密度很难突300 Wh/kg。显然，不论是磷酸铁锂电池还是三元锂电池，都难以胜任该技术目标。

而固态电池之所以让业界看中，也正是因为它能解决电池行业的安全隐患和能量密度偏低的“牵掣”。

有相关实验数据显示：2020年，高镍正极+准固态电解质+硅碳负极，电池能量密度将达到 300 Wh/Kg；2025年，富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池，将达到400 Wh/Kg;2030年，燃料/锂硫/空气电池则有望实现500 Wh/Kg。

总而言之，固态电池有望破解消费者对电动汽车的“安全焦虑、续航焦虑、充电焦虑”，固态电池也因此一直备受众多车企的关注。此外，欧美车企甚至希望通过率先掌握固态电池技术，夺回在动力电池环节的主动权。

“但从液态锂离子电池到全固态锂电池，是一个取长补短、逐步颠覆的过程。从目前全球各国整体进展来看，2020年有望实现混合固液，2025年有望实现全固态。”

固态锂电池产业化还有几大拦路虎

从生产工艺而言，性能更先进的固态电池结构比液态电池更简单；从生产成本来看，固态电池目前远超三元、磷酸铁锂等主流电池，但随着产业化的进程，凭借结构简单这一天然优势必会使制造成本低于目前主流电池。

那么，看似占据天时地利的固态锂电池，产业化之路果真如此顺利吗？

张永柱教授表示，固态锂电池的产业化可能需要分步走。

其一，聚合物电解质固态锂电池SPE因其在高温条件下聚合物离子电导率高、容易成膜，已最先实现了小规模商业量产化生产。

其二，循环性能良好、适用于薄膜柔性结构的氧化物固态锂电池，部分品牌的电解质材料已得到了商业量产化应用。但氧化物的低温电导率是目前存在的主要障碍，目前改善方法主要是元素替换和异价元素掺杂。

其三，电导率最高的硫化物固态电池或将成为未来主要方向。

那么究竟固态电池目前进展如何，距离量产到底还有多远呢？目前的固体电解质根据材料不同，分为聚合物、氧化物和硫化物三种体系，但无论哪种体系都无法回避电导率这一评价标准。

在聚合物电池体系中，法国Bolloré公司为例，早在2011年底，Bolloré就开始利用自主开发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“Autolib”，几年来已累计投入了约3000辆搭载30kWh固态聚合物电池+双电层电容器为动力系统的电动车。

虽然该体系技术相对成熟，成本低廉，是当前量产能力最强固态电池，但在室温下过低的离子电导率以及低容量正极使其能量密度能达到的上限值较低，因此在车规级动力电池层面上几乎没有商用化可能。

另一方面，拥有能与液态电解质相媲美的离子电导率的硫化物体系，是最有希望应用于车辆领域的固态电池体系，以丰田的技术最为领先。

但就连丰田动力总成部门的总经理Shinzuo Abe在接受沃德汽车专访，谈及丰田未来战略时也提到，丰田期望在2020年以后能制造出固态电池，但若要实现固态电池的量产，还需要等到2030年以后。如此看来，硫化物体系量产商业化的脚步依然不会太快。

氧化物体系目前已成为中国企业重点开发的方向，台湾辉能与江苏清陶都是此赛道的知名玩家。辉能早在2014年便与手机厂商HTC合作生产了一款能给手机充电的手机保护皮套，采用了固态电池电源，同时，其产品在可穿戴设备等领域也有应用。

据悉，台湾辉能与江苏清陶今年已分别与天际和蔚来达成合作协议，这两个车企中的一个或许会成为首家装载固态电池的整车企业。

国内外固态锂电池研发进展对比

除了低倍率，高阻抗也是固态电池在量产路上的一大拦路虎。低离子电导率与高界面阻抗导致了固态电池的高内阻，直接影响固态电池的能量密度与功率密度，使其难以达到理论数值。

如此看来，固态电池的量产商业化不容乐观。目前某些企业可能具备量产的技术条件，但能否满足车规级要求，成本方面用户是否愿意买单都尚无定论。

“没有市场的量产，就变成了曲高和寡，没有意义。”张永柱教授一语中的。

他认为，从各方面来看，固态电池都有商业化的前景，但商业化3年内还看不到，想全面大批量投入生产和应用，还需要很长的一段时间。