全固態(tài)電池再進一步，能量密度與使用壽命雙突破

電子發(fā)燒友網報道（文/黃山明）全固態(tài)電池是下一代電池技術的重要方向，與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質鋰離子電池相比，全固態(tài)電池使用固態(tài)電解質替代了液態(tài)電解質，這讓固態(tài)電池擁有更高的安全性、更高的能量密度、更寬的工作溫度范圍以及更簡單的結構與設計。

目前已經有許多研究機構和企業(yè)都在積極研發(fā)全固態(tài)電池技術，并取得了不同程度的進展。比如中國數(shù)家研究機構近期在全固態(tài)電池技術上又取得了新的突破，讓全固態(tài)電池的商業(yè)化道路再次加速。

全固態(tài)電池技術再度突破

盡管全固態(tài)電池有種種優(yōu)點，但想要實現(xiàn)商業(yè)化仍面臨著幾個主要的難題，如生產成本過高、技術上的挑戰(zhàn)以及產業(yè)鏈成熟度等。

比如在成本上，固態(tài)電池使用的材料和生產過程成本較高，尤其是一些關鍵材料如硫化物、氧化物等固態(tài)電解質材料的成本遠高于現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池的材料成本。此外，制造過程中所需的設備和技術也較為復雜和昂貴，這增加了整體的生產成本。

技術上也存在不小的挑戰(zhàn)，比如固態(tài)電池面臨的一個主要技術問題是固態(tài)電解質的離子電導率通常較低，這限制了電池的充放電效率。

同時，電極與電解質之間的界面接觸不良是另一個重要技術挑戰(zhàn)，這影響了電池的穩(wěn)定性和壽命。相比液態(tài)電池，固態(tài)電池的界面更加復雜，需要更精密的技術來確保良好的接觸。而某些高性能固態(tài)電池材料，如硫化物，對環(huán)境非常敏感，容易與空氣中的水蒸氣和氧氣反應，這使得操作和封裝難度加大。

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所在全固態(tài)鋰電池領域取得新突破，開發(fā)出了高能量密度、超長循環(huán)壽命的全固態(tài)鋰電池。

通常而言，全固態(tài)鋰電池所采用的正極材料導電率偏低，當前的解決方案是通過添加導電劑來提升導電率。但使用導電劑不僅會降低電池的能量密度，并且還會與正極材料發(fā)生化學反應，影響電池壽命。

山東能源研究院開發(fā)出了無需使用導電劑的全新正極材料——鋰鈦鍺磷硫硒復合物，相比傳統(tǒng)的正極材料，這種材料具有高電導率、高放電比容量、低體積變化、高能量密度以及超長的循環(huán)壽命等特點。

相比傳統(tǒng)鋰離子電池比容量的200mAh/g，新型正極材料的比容量達到250mAh/g，能量密度達到了390Wh/kg，超過了傳統(tǒng)鋰離子電池的200-300Wh/kg，意味著續(xù)航能力提升了近一倍。

而循環(huán)壽命的表現(xiàn)更加優(yōu)異，可以在2.5C快充下達到20000次循環(huán)，并且正極體積變化僅為1.2%（傳統(tǒng)材料約為2.46%），電子電導率也達到了使用導電劑的普通正極材料的4-5倍。

除了循環(huán)壽命更高外，該電池再經過5000次循環(huán)充放電后，仍然能夠保持80%的初始容量，可完全滿足動力設備的使用需求，實現(xiàn)了能量密度和使用壽命的雙重突破。

全固態(tài)電池正加速商業(yè)化

目前，山東能源研究院正在與一些鋰離子電池生產企業(yè)進行協(xié)同合作，布局建設年產噸級的正極材料生產線，開展對全固態(tài)鋰電池技術的研發(fā)和驗證，加快實現(xiàn)批量化生產。

與此同時，阻礙全固態(tài)電池量產最大的痛點生產成本上，也已經有企業(yè)給出了解決方案。此前欣旺達公開宣布其全固態(tài)電池的成本預計將在2026年降至2元/Wh，這一成本水平與半固態(tài)電池的成本接近。

此外，中國科學技術大學馬騁教授團隊在新能源材料領域取得重大突破，成功開發(fā)出一種新型硫化物固態(tài)電解質，其原材料成本僅為每公斤14.42美元，這一價格遠低于市場上其他同類硫化物固態(tài)電解質的8%，也極大降低了全固態(tài)電池的生產成本。

同時，多種技術路線正在被探索開發(fā)當中，包括使用聚合物、氧化物和硫化物作為固態(tài)電解質材料。一些企業(yè)正在開發(fā)復合全固態(tài)電池，這被認為是實現(xiàn)量產的有效途徑。

這顯然讓全固態(tài)電池的商業(yè)化道路不斷加速，比如Solid Power在去年底便宣布，已經生產出首批固態(tài)電池A樣品，并將其交付給了寶馬汽車，標志著技術上的一個重要突破。而寶馬也希望在2025年之前推出第一輛基于Solid Power電池技術的原型車。

由大眾集團、上汽集團、德國馬牌等共同出資支持的固態(tài)電池企業(yè)QuantumScape也與大眾汽車旗下的PowerCo達成戰(zhàn)略合作，計劃利用QuantumScape的固態(tài)鋰金屬電池技術每年生產滿足多達100萬輛電動汽車所需的電池。

國內多家知名汽車制造商與電池供應商也在布局全固態(tài)電池領域，期望通過技術創(chuàng)新提升電池的能量密度與安全性，滿足新能源汽車市場日益增長的需求。

如蔚來、國軒高科等企業(yè)已率先推出半固態(tài)電池產品，并計劃在未來幾年內實現(xiàn)量產。寧德時代、廣汽集團等頭部企業(yè)也明確了全固態(tài)電池的研發(fā)時間表，預計將于2026至2027年間實現(xiàn)小批量或量產搭載。

此次也能看到，山東能源研究院的材料盡管才剛剛從實驗室中誕生，但其商業(yè)化進程已然在啟動當中，并已經與相關企業(yè)進行了緊密合作。

可以看出市場對于新型電池材料的渴求與巨大經濟潛力，前幾年，國內普遍預估全固態(tài)電池將在2030年左右進入更廣泛的商業(yè)應用階段，尤其是在電動汽車市場，固態(tài)電池的普及將為能源存儲方式帶來革命性的變化。但伴隨著市場新技術的不斷涌現(xiàn)，全固態(tài)電池的商業(yè)化進程在不斷加速，甚至未來幾年就能夠看到全固態(tài)電池的初步商業(yè)化。

小結

全固態(tài)電池的商業(yè)化進程雖然面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著科技的進步和市場的逐漸成熟，其商業(yè)化前景仍然值得期待。未來的發(fā)展需依賴于持續(xù)的技術創(chuàng)新、成本控制以及產業(yè)鏈的全面協(xié)作。此次國內相關研究機構的新型材料，也將有望進一步提升全固態(tài)電池商業(yè)化的進程。