2024泰达论坛 | 何泓材：全固态动力电池产业化路径与实践
由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、新能源汽车国家大数据联盟联合协办的第二十届中国汽车产业发展（泰达）国际论坛（以下简称“泰达汽车论坛”）于2024年8月29日至9月1日在天津滨海新区举办。本届论坛以“风雨同舟二十载 携手并肩向未来”为年度主题，邀请重磅嘉宾展开深入研讨。
在8月30日“生态专场一：固态电池技术发展与产业化挑战”中，清陶（昆山）能源发展集团股份有限公司副总经理、研究院院长何泓材发表了题为“全固态动力电池产业化路径与实践”的演讲。
清陶（昆山）能源发展集团股份有限公司副总经理、研究院院长 何泓材
以下为演讲实录：
尊敬的杨院士，各位领导、各位嘉宾：
大家上午好！
非常荣幸也非常感谢邀请我们来做这样的分享。今天我分享的题目是《全固态动力电池产业化路径与实践》，前面几位嘉宾把固态电池很多原理、存在的问题讲的非常详细，我听完也是受益匪浅。争取最后一个报告讲一点有差异的，相同的我们尽量不讲。
这些年新能源汽车带动动力电池取得了非常快速的发展，但是到目前为止依然还存在着包括安全焦虑、里程焦虑，包括大家还依然嫌它贵。
作为一个用户来讲我们肯定希望我们的电动汽车高安全、长续航、长寿命、低成本、全气候条件都能工作，也能实现快充，这确实是有难度的事。这些性能的要求最终落到电池上，对能量密度、功率性能、热稳定性、安全性、寿命、成本都提出了非常高的要求，传统锂电池在满足这些要求方面基本上已经接近性能天花板了，所以有了我们今天讨论固态电池的逻辑。
从目前看来，包括前面几位嘉宾都提到，固态电池具有非常好的应用前景和空间。我们从性能对比来看，固态电池能量密度、安全性具备优势，因此全世界各国，特别是发达国家，包括我们一些车企的头部企业，对于固态电池寄予了非常大的期望。像日本丰田给全固态电池定位了新能源汽车“游戏规则改变者”，为此我们全世界对固态电池，特别是全固态电池给予了非常大的支持和关注。
其实固态电池不仅仅是锂电池的下一个发展阶段，因为它的性能优势还在其他的领域，包括铅酸电池，以前说锂电池不安全，好多场景还在用铅酸电池，有了全固态电池之后，铅酸电池也是我们固态电池的应用场景，所以固态电池具有着非常广阔的空间。
固态电池其实它的本质特征在于用固态电解质替代了传统的电解液，但其实它又不仅仅局限在这，这一替代还带来了一系列的变化。首先我们全固态相比于用电解液的液态电池，传导机理从电解液的传导变成某固态离子的传导，这一变化对于固态电池就没有漏液的风险，本身的固态传导网络更高的稳定性和可靠性，也使得电池具有了更长的寿命。同时没有了电解液易燃、燃点低的隐患，它的安全性能自然而然更好。
除此之外，其实固态电池还有更多的优势，以前因为有电解液在，很多正极材料、负极材料是不能用的。现在把电解液替代之后，固态电解质为我们打开了一扇新的窗户，我们可以把这些材料在固态上用。包括高电压的正极材料，也包括金属锂这种负极，电解液是没有办法做到长循环，在固态电池给了这些材料机会。
但是也带来了问题，传统的液态电池是多孔结构的，但是对于固态电池我们希望它是致密结构的，因为所有的孔都会是锂离子传导障碍。有固态离子传导通道的情况下，我们希望内部结构做到致密，这对电池的制造工艺提出了大的挑战。还按以前的工艺，可能是很难做出特别致密的结构，所以需要有一些新的让它可以实现致密化成形的工艺，实现这样的要求。
总结起来看，固态电池相比于传统的液态电池，电解质发生了整个的替换之外，其实还需要材料，包括材料工艺方面去做更多的工作，让固态电池的优势能够全面的发挥和体现出来。
到目前为止，其实我们做的半固态、准固态，或者是固态电池，其实还是在沿用传统锂电池的大部分材料，特别是正负极，沿用成熟的正负极材料做固态电池。但恰恰是这些材料让固态电池很多优势还没有完全发挥出来，我们把固态电池产业链大概理了一下，简单来说其实从以前的液态电池四大件现在变成了三大件，就是固态电解质、正极材料和负极材料，这三件直接决定了电池的性能和成本，今天我主要从这两方面给各位嘉宾介绍一下。
前面很多专家提到各种技术路线，其实固态电池的技术路线就是围绕着固态电解质的类型来的。简单来讲从材料角度，真正分类它是无机、聚合物和无机聚合物的复合材料，这里面又有了氧化物、硫化物、卤化物，甚至还有其他的体系，当然氮化物、氢化物性能成熟度低一些。聚合物有几种类型的，有聚醚类的、聚丙烯型的、聚碳酸酯的等等。
有机、无机复合，一定程度上可以把这二者优势结合，但是无论是哪一种，到目前为止没有真正一种电解质材料把所有的优点都集于一体而无缺点，这种材料没有。
但是在过去这10年里边，我们的固态电解质的材料从性能上取得了非常重要的突破，无论是我们的氧化物、硫化物还是卤化物，特别是卤化物，在最近几年有了很大的突破。正是有了这些性能的突破，促进了固态电池开发和产业化进程得到加速，促进了全社会大家对于固态电池给予这么大的关注。
现在的这些性能，特别是像硫化物，前面几位嘉宾讲到了，性能已经非常好了，特别是导电率比电解液还要高，但是到目前为止各有各的问题。
清陶在电解质方面做了大量的工作，我们2016年就开始在这方面做。最早是围绕着氧化物体系，实验室开发出来是第一步解决配方问题，后面要解决量产问题和一些小细节的问题，我们怎么把它做到可量产的工艺，而不是实验室工艺。量产要解决生产安全性等各方面的问题，所以我们解决包括水系量产工艺，怎么让它实现量产。同时我们还要降本，我们知道性能好了还要掺锆，锆这个元素肯定是贵的，我们找到一些廉价元素去掺杂，不影响性能，成本能降下来。
包括聚合物，其实我们都做了大量的研究，但是单个确实都还不行。包括卤化物，我们这两年自己公司也做了一些相应的开发，包括一方面提升它的导电率，另一方面实现规模化的制造。
目前我们找到一些好的方法，比如说通过热熔效应，开发的相对成本比较低的卤化物，室温导电率可以达到6mS/cm，而且通过验证它的稳定性还是非常理想的。
目前我们也能做到单批次达到百公斤这个量级的生产制造，所以接下来我们再继续往前推进，在全国电池里头能够让它用上。
如刚才所说，目前每一种电解质都有自己的优点，也有自己的缺点。像聚合物兼容性特别好，但是它的离子电导率相对比较低，常温、低温的性能比较差，还有最大的问题是电化学窗口比较窄，跟高电压的正极难以匹配。而无机电解质相对导电率比较高，但是它存在工艺兼容性、致密化要求难度大一些。
所以我们一直以来的认识，我们必须要通过无机和聚合物复合，综合这两者的优势取长补短。通过复合全固态电池，将是实现全固态电池量产的有效途径。
我们通过复合之后，我可以在电解质方面实现分层抑制组份的设计，让合适的材料在合适的位置。比如说正极侧需要抗氧化、耐高电压，负极侧跟金属锂接触，我需要耐还原的。我让分别不同的材料实现相应的功能，而在主体当中追求高的导电率。通过这样我们形成一个复合的材料体系，去做成我们电池里面，得到应用。
应该说电解质我们有了这样一个选择，有一个问题，可能这也是很多人问的，我们的固态电池如果只是说我们用固态电解质去替代了我们的电解液之后，如果我们正负极材料选择还是一样的材料，我这个固态电池到底能有哪些优点？刚才讲到安全性我觉得是没有问题的，因为固态电解质本身安全，同时它的稳定性使得电池具有更长的寿命。其他的呢？比如说我实现高比能，大家都说固态电池可以实现高比能，甚至还可以实现更低的成本。
这怎么实现？如果简单地从电解液替换成固态电解质很难实现，因为比能量主要是由正负极材料决定的，低成本也是正极材料和负极材料在整个电池成本里面占比最高的，如果只是电解质的替换不能实现。要想实现这些有点性质，我们必须在固态电池这个新的赛道或者是新的平台使用新的正负极材料体系，去把那些性能更好，以前跟电解液不兼容，但是在固态平台可以用的这样一些材料在这用上，才可以实现差异化的性能。比如说更高的流量密度，或者更低的成本。
这也是这几年一直在做的工作，在所有的正极材料里头，其实有一个家族，我们叫做锰系正极材料，它其实是一个大家族。有大家熟悉的锰酸锂，还有没有在传统电池里用的镍锰酸锂，就是所谓的二元，还有现在比较热的磷酸锰铁锂，还有富锂锰基的，这些材料都具有共性特点。
首先材料的导电性比较好，所以它的倍率、低温性能是比较好的，而且它的结构稳定，安全性能突出。电压平台也比较高，意味着我单位安时的耗锂量是减少的，我做系统的时候串联的数量，特别是高电压平台串联数量可以减少。最大的优势是在于锰资源很丰富，锰很便宜，这其实是一个低成本的材料体系。
但是它有一个最大的问题，锰系材料和电解液的兼容性不是特别好，在液态电池里面也有用像锰酸锂，这是很老的材料，在电解液下也可以用，但是循环性能不好。主要是锰和电解液有溶出的效应，同时像高电压的又找不到耐高电压的电解液，所以锰系材料一直用的不太好，或者很多材料没有用上。
但是我们把固态电池优势放在一起，发现这两个东西有很好的互补作用。因为本身固态电池电化学窗口宽，可以匹配高电压正极，也没有说电解液可以产生离子溶解的问题，造成锰的溶出，在固态的平台就没有问题，所以在固态这个平台上可以让锰材料的一些问题，或者在电解液的这些问题在这个平台上没有的性能可以得到很大的提升。
所以我们的观点是把正极材料和全固态这个技术很好结合在一起，全固态电池可以使锰系正极材料焕发新生，而锰系正极材料又可以助力全固态电池实现一个性价极优，特别是我们说降成本，单纯靠工艺、靠规模，如果材料不变，这个空间是很有限的，因为传统业态里面规模足够大，成本降的足够低，还用这个材料成本很难降下来。我们可以用液态电池用不了，或者用不好，但其实更便宜的材料，比如说锰系正极材料，比如说锰酸锂虽然它能量密度低，但是跟磷酸铁锂差不多，但是低温性能比磷酸铁锂有明显的优势。
磷酸铁锂在北方冬天电池衰减比较大，但是锰酸铁锂在低温容量的保持率可以在95%以上，你的衰减可以控制在很小，这样可以真的实现一个性价极优的特点，二者可以实现互相成就的可能性。
我们可以看看这里简单把性能提了一下，包括低温性能，电压平台更高，包括倍率性能，以及在高倍率时候的温升，其实这些方面的性能是相比于磷酸铁锂的优势。
然后它的循环性能，以前我们可以让它实现2500次以上的循环，而以前的锰酸锂在电解液的情况下只能做到上千次是很好的，大多数是几百次的循环，这是因为锰溶出一系列的问题。
这是我们通过固态技术锰酸锂的痛点，对标磷酸铁锂的电池，它可以实现低成本的电池，以后我们真的把锰酸锂这个东西真的用在乘车上或者是电动汽车上。
第二个是镍锰酸锂，传统液态电池上用的比较少，因为它的平台电压比较高的，平台电压可以到4.4伏以上，所以没有很好的电解液导致它一直没有很好的应用。但是它是对标三元的，是因为在高电压的情况下，克容量虽然没有三元那么高，电压高了之后能量密度差不多。
同时它的成本优势比较明显，因为它里头完全不含钴，镍的含量和主要锰的含量，所以成本相比三元明显低，而且安全性能相比三元来说，有着材料本真上的优势。
比如说我们做了热分解温度，还有热分解之后的产热量，相比三元来说，镍猛酸锂温度更高，同时热放射量只有三元的1/3。所以我们说材料本身安全性高，失控之后带来的危害性低，从这个来讲有非常好的优势。
我们把循环寿命也可以做到像我们2500次以上的性能，使它可以在乘用车这个领域得到很好的应用。
对标相同克容量的三元正极，我们觉得镍锰二元成本有明显的优势，同时综合性能更好。可以说是一个高性价比全能的正极材料，但是它只有跟固态技术结合在一起，才能把这些性能很好的发挥出来。
当然锰系是一个大家族，除了这两种，还有锰铁锂和富锂锰，它具有更高的克容量，这给我们电池实现更高的能量密度提供了很好的机会。目前研究的还是在传统的电解液研究，我找不到匹配的高电压电解液，所以研究的人很多，到目前还基本没有用上。在固态这个平台上，我觉得也给富锂锰这样的材料提供了很好的机会。
我们的观点是可以在固态平台上把锰系正极材料这个家族使用上，让它成为全固态电池这个赛道上一个正极材料的新体系。
除了材料之外，其实在工艺上我觉得固态因为我们这种致密化的要求，对我们原有的这一套搅拌、涂布再烘烤的工艺，可能并不一定非常适合我们全固态的路径。像前面几位专家提到的干法，其实干法我们全世界研究的比较多，我们自己也做了相关的工作，包括常规的干法和湿法的比较。
我们首先在电解质膜这个方面初步找到了可以通过干法的方式实现，我们通过3D干法膜的机体和我们一些刮涂喷涂的复合，形成了3D的干法膜，实现电解质膜的干法制造。
同时我们在正负极，因为负极相对来说难度低一些，很多家都做了，但是正极能做的很好的干法，目前能真正用上的不多。目前我们已经可以到中试的卷对卷的生产状态，所以干法工艺基本上可以实现了。而且我们在极片做了干法之后，我们在极片和电解质的复合上，我们通过干法的热复合，也能够实现连续的制造。
所以目前看来，干法我觉得在全固态电池这个平台上，是完全可以或者有很大的希望用上的，相比之下干法很多传统电池厂也在研究，但是实现的极片跟电解液的兼容性也是有点问题。因为它里头很多孔隙是闭孔的，这个情况下，电解液的兼容性很难实现，所以导致在液态电池体系下，我们干法极片用的不是太好。但是对于固态电池来说，通过干法实现致密，这跟固态的需求也是匹配的。
结合以上，我们选择了全固态这样一个路线。我们用高电压的锰系正极，包括有机复合的固态电解质，包括高比容量的负极，负极是全固态要实现起来比较难的环节，今天我们不展开讲了。
我们通过这些设计，包括复合电解质的层面上，很好地解决界面问题，我们通过高电压的正极，实现一个高的能量密度。同时我们一直非常关注怎么工程化之后还能具有一些成本上的优势，大家都说固态电池更贵，我们怎么能够控制在一定程度或者降下来，这是我们一直努力的一个点。
我们通过高电压的锰系正极，包括选择低成本高导锂的固态电解质的锆系卤化物的一条路线，以及我们低成本的一些干法工艺，最终让整个电池在成本上达到可控的状态。
当然我们最重要实现产业化中间还有很多工作要做，包括材料、电池工艺，以及我们新的工艺需要新的装备的开发。到了系统集成层面上，其实也提出了新的一些挑战。包括现在做全固态电池大家说需要一定压力，在电池包层面上怎么解决这个压力问题，使用过程中的压力问题，也在我们系统集成层面上提出了新的挑战，还有很多工作需要做。最终我们通过整车验证，去实现我们全固态电池真正的产业化。
这个图在很多次报告里都会提到，我们自己说我们分三步走，不是简单地把液体量从10%降到5%，降到0%，其实我们是逐渐地把固态技术推向成熟。比如说半固态到固态的过程中，我们解决了很多固态的问题，我们设计出了复合正极，我们也把电解质的成膜化，膜的成形工艺做了相应的解决。包括我们固态电池膜和我们极片的复合，这些问题我们在第一代里解决了。
明年我们即将推出第二代，把高电压锰系正极材料引入到电池里面，使真正的固态电池在成本上也不是它的劣势。同时在电解质这个方面要实现致密化，包括干法工艺，逐渐导入到我们产业化里面。
刚才还说了锂基的负极，其实锂基的挑战是最大的，包括锂的生产制造，包括锂我们选择怎么样的一个复合的锂。这些是我们通过这三步走，逐渐把固态电池的一些关键技术推向成熟，然后最终把全固态电池推向产业化。
其实全固态电池是提供了一个平台，在这个平台上是一个赛道，首先安全性有了很好的提升，但同时在这个平台上，我可以选择用不同的正负极材料的组合，或者让不同的正负极材料在这个平台上发挥出它的亮点。比方说我们要实现高能量密度，我们肯定选用一些富锂锰的，或者是高镍的，这样一些正极结合着我们锂或者硅基的负极，结合我们全国的技术实现超高的能量密度，比现在的液态电池能量密度提高1倍，这样我们实现更高的续航和整个车间的轻量化，这是我们对电动汽车高能量密度的贡献。我们把便宜的材料用上，实现降本，实现整车的性价比。
同时我们全固态刚才前面几位老师讲是可以耐高温的，在高温上是没有问题的，同时锰基的低温性能结合起来，我们可以实现更宽的温域和更宽的使用范围，最终让我们全固态电池的电动汽车全季节南北方通用。
最终我们更关注寿命，特别是商用车，特别是包括储能，我们把磷酸铁锂循环寿命结合全固态技术之后，全固态技术也赋予它日历寿命，当它的日历寿命和循环寿命都能够保持足够长的时候，我们真正实现车电同寿命，从而降低我们整个的运营成本。
所以全固态电池给我们电动汽车提供了一个新的可能或者新的赛道，让这样一些我们现在车的痛点能够得到很好的解决的可能性。
最后我们通过构建完整的产业链，包括全材料体系的构建，实现全固态电池产业化逐步实现的过程。在今年我们在已有的固态电池材料量产基础上，今年开始搭载上车，我们第一代高能量密度电池可以实现长续航。同时明年我们跟上汽联合打造的是第二代的固态电池，具有性价比的固态电池，也把我们高电压锰系材料在这个体系上用上，将会批量生产出来并配套上去。
后面我们面向全固态电池的开发，国家全固态电池计划是在2027年装车应用，我们判断这个时间点是有信心、有能力完成的。我们内部的计划是在2026年初步把电芯能够批量的做出来，才有可能在2027年得到应用，目前我们正在为了这个时间节点我们一起在全体系公司大力努力去完成这样一个目标。
最后简单总结一下，我觉得全固态电池有它非常好的性能优势，也已经大家公认成为锂电池下一个发展阶段，成为必然趋势，也确确实实有望成为电动汽车市场游戏规则的改变者。
我们自己的选择是有机、无机复合这样一个固态电池的路线，我们觉得它最适合全固态电池及其量产工艺。当然，全固态电池产业需要构建，包括我们固态电解质，以及新的正负极材料在内的新的材料体系和新的产业支撑，才有可能让全固态电池这个产业得到大力发展。这需要电池企业不断努力创新，包括材料企业和装备企业共同创新支撑，我们期待上下游共同努力，发展好全固态电池这一新质生产力，为全固态电池发展做出我们的贡献。
谢谢大家！
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