新一轮“三国杀”来了！抓好全固态，中国动力电池保“位”战
2024-04-01 14:43北京汽车纵横杂志官方账号
“锂电终极”全固态电池近两年“捷报”频传。渐进还是激进地抢占下一代电池技术竞争关键制高点，全球已经组好了新一场“三国杀”牌局。对潜在的颠覆风险，有成功经验的颠覆者格外敏锐且警惕。
都说历史总是惊人相似。当前高速发展的液态锂离子电池，其终极替代者是与自己同样诞生于上世纪的固态电池。这个还在进行中的故事，与油车电车的世纪沉浮、攻守异势，会不会颇有相似之处？
换道超车的中国新能源汽车和动力电池产业，产销量已连续多年全球第一。当曾经的对手欲携全固态电池重返巅峰，摆在国内产业面前的保“位”难题是：既要发展渐进型的半固态电池技术路线，让国内产业链尽可能从“液”到“固”，平稳过渡，还要严防激进型全固态电池技术路线带来的颠覆性风险。
固液缠斗：天赋异禀对上天生缺憾
液态锂离子电池在中国已足够努力，无奈天生缺憾，终极替代者已然现身，结局可以预见，只是时间问题。
2024年年初的两条新闻，放在一起就形成了鲜明的对比。
春节期间，暴风雪、冻雨袭卷全国多地，不出意外，“第一批开电动爹回家的人后悔了”诸如此类话题被再次送上微博热搜，液态锂离子电池的安全、里程焦虑、能量密度等痛点又被揭出来了。
在此一个月前，2024年1月，大众旗下电池子公司PowerCo发布公告称，与QuantumScape合作打造的无负极（anodeless）固态电池样本已经实现充放电1000次，且在测试完成时电池“几乎没有老化”，保持电池容量的95%。有媒体在报道中以此推算，这种固态电池上车后，能够按照WLTP标准续航里程实现500—600km续航，且行驶50万公里不会出现明显的续航衰减。消息一出，迅速在资本市场引来关注。
事实上，过去十多年里，以磷酸铁锂和三元锂为代表的中国锂离子电池高速发展，能量密度提升3倍以上（目前三元电池和磷酸铁锂电池能量密度分别达到300Wh/kg和190Wh/kg以上），成本降幅达到90%左右，一大批提升安全水平、提高能量密度和充电速度的技术还在不断迭代。我国动力电池装车量持续稳居世界第一，锂电池还成为出口新三样的重要代表之一。
成绩世所罕见，痛点也在逐年改善，问题却依然没有得到根本性解决。
上世纪90年代，随着液态电解液的成功商用，固态电池失去了此后几十年的主导机会，却在液态锂离子电池至今无法很好满足电动汽车用户需求的“空虚”里看到了机会。
当先天缺憾对上潜在优势，全固态电池的巨大潜力让各方看到了解决问题的希望。
相比由正极、负极、电解液和隔膜四大关键要素组成的液态锂离子电池，固态电池主要是其中的电解液被固态物质取代。这种解释虽然相对简单粗暴，对非专业人士而言却更容易抓住重点。
固态电池目前主要有半固态、准固态、全固态这几种类型，其中全固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池，具备安全性高、重量/体积能量密度高等潜在优点。
首先，在安全性方面，由于采用无机不可燃电解质，全固态电池的热稳定性好。中国科学院院士欧阳明高在近期举办的首届中国全固态电池创新发展高峰论坛上表示，从液态到固态，硫化物固态电解质的热稳定性可以保持到300C，而液态电解质100C就会蒸发，这对正常的工作范围有安全保障。
其次是超高的能量密度。由于去掉了电解液和防止其漏液的“壳”，无论是单体还是模组，业内非常看好全固态电池的提升潜力。业内专家指出，电池模组能量密度最大有望提升2倍，并有可能降低制造成本。
再次是其高功率特性。锂离子在固态电解质中以跳跃模式运行，传递速率更高，可以大幅度提高充电速度。而当前广泛使用的液态锂离子电池，充电速度如果太快，负极电位低到零就会析锂。
还有其强大的温度适应性。液态电解质中锂离子导率和温度直接相关，导致电动汽车在低温环境下续航里程不理想饱受诟病。而全固态电池的电解质在-30C到100C的范围内都不会凝固、不会气化，也就不需要使用复杂的热管理系统，更不会因为冬季气温大幅降低而导致容量下降。
更令人惊喜的是，全固态电池很少让人在它这些优点中做“选择题”，充分满足了“既要、又要、还要”。
南方科技大学教授许晓雄指出，在液体电池上不可能实现的高安全、低成本、高能量密度、高功率和长寿命之间的平衡，或将在全固态电池上实现。
以上种种虽然多是潜力，而非被产业化充分验证过的能力，但潜力已足够令人充满希望，吸引大量资本的热情投入。
中国化学与物理电源行业协会理事长郑宏宇表示，目前，A股中固态电池概念股60家企业总市值达到2.7万亿元，2023年前三季度总营收合计1.95万亿元，总资产合计4.1万亿元。根据中国化学与物理电源行业协会预测，2024年全球固态电池（含半固态电池）需求量为2.3GWh，2030年全球固态电池需求量有望达到220GWh，2024年—2030年年复合增长率将达到114%。
根据固态电解质的分类,全固态电池主要有四大技术路线:聚合物电解质、氧化物电解质、卤化物电解质和硫化物电解质。其中业内相对公认的是硫化物在全固态电池中发展潜力最大。
据介绍，硫化物的离子电导率最高，材料也比较软，固固结合效果相对更突出。但是硫化物也有很多缺陷，比如空气稳定性、化学稳定性都还有很多问题需要解决。
产业化突破点：不远不近的2030
把全固态电池的优良潜力转化为现实能力，并进行大规模量产，全球对产业化时间点的基本共识是：“有望2030年。”
如果拉长时间，从电池发展史的角度观察，从现在已经开始的十年正是材料换代的新周期，磷酸铁锂和三元电池材料创新，让锂离子电池成为当前动力电池的主流。
欧阳明高指出，“现在我们又到了新一轮材料创新周期，这个周期大概要到2030年左右，也就是全固态电池有可能2030年左右实现产业化。”
人工智能的快速发展将成为全固态电池加快产业化落地的重要变量。欧阳明高认为，人工智能正在改变材料科学的研发范式，将大幅加快全固态电池的研发速度。“我们已经处于一个新的时代，不要用过去推论未来，这个时代会颠覆材料的创新模式，也就不再是以前的试错法，将来是24小时的黑灯实验室，还有大算力的计算平台帮助研究人员计算，这为2030年左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。”
但目前产业化落地仍面临巨大挑战。技术上到底难在哪儿？
中国工程院院士、中国科学院物理研究所研究员陈立泉指出，为了提升全固态电池能量密度、倍率性能和循环寿命，不仅要关注全固态锂电池的基础科学问题，如新型电解质材料、界面改性和电池失效的机制，同时也要重视全固态电池的关键技术问题，如电解质的批量生产制备技术、大面积固态电解质薄膜连续制备技术、全固态电池一体化制备技术等。
作为早早布局固态电池的车企代表，东风汽车集团有限公司研发总院副院长史建鹏列出了当前产业化的主要四大挑战：高性能正极材料、复合电解质膜、负极材料和固态电池工艺问题等。
以上种种问题，需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池等不同层面进行解决。
例如在材料层次上，硫化物电解质的化学稳定性、空气稳定性很差，批量生产很难，基础硫化锂价格较高。“首先要把这个价格压下去，现在自己做比买要便宜80%。”欧阳明高认为，需要把硫化锂规模做上去，把成本压下来。又如另一个突出问题是硅碳负极体积膨胀大，而锂负极现在还不成熟。
还有电极材料、固态电解质的界面相容性、界面的副反应，固-固界面机械接触和体积变化等，需要材料的进一步创新才能解决问题。
在操作层面，由于环境控制成本高，为保证空气的稳定性，只能在手套箱里面进行操作，这对大规模量产也是一大挑战。
工艺设备也需要设备厂商的有力协同。欧阳明高指出：“如果我们用湿法工艺，大概能保留一半的现有设备。如果我们用干法工艺，三分之二的设备都不能要了，都要用新设备。”
更具颠覆性的挑战来自产业链供应链。当前的动力电池产业链有多强大，全固态电池一旦直接到来，带来的冲击就有多强大。
再开一局！新一轮“三国杀”来了
虽然全球排名前十的动力电池企业有六家来自中国，我国的动力电池产业已经在全球占据了主导地位。在液态锂离子电池为主的这一阶段，未能领先的欧美、日韩已经等在了下一个路口，意图从全固态电池切入，抢夺动力电池产业的话语权。新一轮的全球动力电池技术竞争已经打响。
近年来，日本以举国之力推动全固态电池商业化。《日本蓄电池产业战略》提出了占领新一代电池市场(全固态电池)的目标，计划在2018—2022年期间完成硫化物全固态标准电池模型，到2023—2027年，日本将建立研发平台,启动下一代全固态蓄电池材料基础技术评估和开发。在资金投入方面，日本计划在2022—2030年投资约1510亿日元(75亿人民币)。
日本为发展全固态电池已经建立了官－产－学联盟。日本的几家主要车企既做全固态电池研发又进行整车生产，在电池与整车性能匹配结合等方面已经形成优势。其中丰田行动最早，成果也最多。
日产、本田也发布了其试生产、产品上线的时间节点等最新进展。
2023年7月，丰田公开表示可以制造出充电10分钟续航里程1200公里的固态电池，通过简化制造固态电池所用材料的生产过程，其固态电池的体积、重量、价格较现有电池都有望减半，并宣布将在2027—2028年实现全固态电池技术商业化，向市场投放配备全固态电池的纯电动汽车。
2023年9月，有外媒报道称，日本松下控股宣布将在2025—2029年量产一种小型全固态电池，实现后预计3分钟左右就能充满电池容量的80%，预计可以充放电几万次。这种电池将首先应用在无人机上，并且逐步应用到新能源汽车。从公开信息来看，车载固态电池有望在2027年底实现量产，2028年搭载上车。
韩国的三大电池企业在这一领域也拥有较强实力，目前已取得实质进展，特别是三星已率先开发出了全固态电池。
相比日韩，美国全固态电池研究则以股市和车企支持的创业企业为主导，大众投资的QuantumScape已发布了固态电池新产品。宝马、福特共同投资了Solid power，第一辆采用全固态电池技术的BMW原型车计划在2025年前问世；通用也投资了固态电池初创企业Soelect。
尽管当前我国锂电产业处于全球领先地位，但在实现全固态电池的道路上还有很多风险和不确定性。
与当前全球这两大势力相比，中国在全固态电池研究上存在很大差异。据了解，目前国内的固态电池技术路线非常多元化，以固液混合的半固态电池为主。
需要注意的是，半固态电池与液态锂离子电池的电化学原理相同，是提升安全性的技术之一，但不属于颠覆性技术。
近谋远略，慎防颠覆
从液态锂离子电池到全固态电池，相比国外激进地一步到位，中国采取了从固液混合半固态电池过渡的渐进式进化路线。
从国内看，东风汽车已于2022年将首批东风固态电池示范运营车正式交付,第二代固态电池也已经被研发出来,计划于2024年搭载应用,可使整车续驶里程达800公里以上。赣锋锂业、孚能科技、卫蓝新能源等供应链企业在半固态电池领域也已取得不错的进展。
今年2月，广汽埃安传出了全固态电池的重磅消息：基于先进硅负极技术，能量密度可以达到350Wh/kg以上，目标是在2024年底达到400Wh/kg以上，可以支撑整车续航达到1,000公里以上。
只是路线不同，就已经埋下了颠覆风险的种子。欧阳明高先于今年1月发出预警：国内既要发展渐进型的半固态电池技术路线，也要防范激进型全固态电池技术路线带来的颠覆性风险。
他解释说，目前，中国已经拥有全球最强大的电池产业链。但现在如果做全固态电池，我们从原料到基材生产、电芯/电池包装配、电池生产应用再到电池回收，全生命周期的产业链都会受到巨大的冲击。
中国科学院物理研究所长三角研究中心科学家工作室主任、中国科学院大学教授吴凡也直言，日韩全固态电池在产业链上已经取得了一些先发优势，而我国在固态电解质材料、固态电池生产设备等核心产业环节上尚处于劣势。
而且，从专利数量角度看，数据显示，丰田以1300余件位居全球第一，而且前十名均为日、韩等国家的汽车及动力电池企业。
预则立！政产学研组团保“位”
固态电池的突破带有很强的颠覆性，我国能否顺利闯过固态电池技术和量产的关口，是确保我国实现汽车强国、保持全球领先地位的关键一战。
目前，中国对全固态电池的研发认识还不统一、力量比较分散、产学研不协调，需要联合起来建立协同创新平台，共同突破全固态电池产业化的关键技术。
2024年1月21日，“中国全固态电池产学研协同创新平台（CASIP）”应运而生。据介绍，该平台希望通过积极引导和组织整车、动力电池、关键材料企业和有关高校、科研院所开展协同创新，不断推动全固态电池技术突破和产业化应用，加快推动全固态电池技术创新与产业化进程，持续保持我国在该领域核心竞争力。
“任何技术都会不断地革新，求新求变是我们的基本态度。”欧阳明高表示，论证它不行也非常重要，尤其现在我们这么大的电池产业，不能承受任何风险。
作为汽车行业的重要管理部门之一，工信部装备工业一司副司长郭守刚提出了三个协同推进全固态电池发展的重点工作：
一是要一体化布局基础研究和关键核心技术攻关，解决关键材料结构稳定性差、界面接触失效等关键技术卡点，为全固态电池发展扫清技术障碍。
二是要补齐支撑技术和共性平台发展的短板，持续提升关键材料、成套生产设备工艺、标准测试体系等基础支撑能力，不断夯实全固态电池发展的基础。
三是要持续优化应用环境，强化整车、电池企业创新主体地位和成果产出的引领作用，持续构建和谐共生的产业生态，加速全固态电池产业化应用。
针对如何继续集中力量办大事、争取早日实现全固态电池的产业化，全国政协常委、经济委员会副主任苗圩也提出了4点建议：
一是要建立以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系。新能源汽车发展的经验表明，只要是以企业为主体就不会有技术创新成果不能产业化的问题。
二是要充分发挥市场机制的作用和政府的作用，其中市场是起决定性的作用。在汽车行业，固态电池的产业化最终要靠车企实现，性价比是电池企业赢得车企信任的不二选择，政府的引导作用也必不可少。
三是要坚持标准先行，包括固态电池的规格尺寸、性能测试、安全指标等方面应开展标准化的工作，提前搭建起标准体系。
四是加快电池的碳足迹核算体系建设，包括核算标准以及行业公认的数据库，推出伴随动力电池终身的“电池护照”，以实现动力电池全生命周期的低碳化管理，提升产业的国际竞争力。这样做的好处还有一点：可以使废旧电池的部分材料回收利用，这也是我们解决资源对外依存度比较高问题的一个可行的办法，就是城市的矿山。
除了未雨绸缪，控制好发展节奏也是当前的重要任务之一。今年2月，欧阳明高在中国电动汽车百人会成果发布会暨百人会论坛（2024）专家媒体交流会上再次强调，“一定要注意，固液混合不是颠覆性技术，全固态有颠覆的潜在风险，但还不是现实威胁。我们要居安思危，未雨绸缪，但也不要惊慌，不要焦虑。全固态电池的门槛很高，难度很大，切莫急功近利，否则欲速不达。”
科技巨变时代，颠覆与被颠覆轮翻上演。日本丰田等跨国车企在新能源汽车当前发展阶段的失利，主要被归因于“点错科技树”。这固然致命，却未必全面。市场等多方因素把哪个选项变成正确答案，也很关键。有专家就曾指出，问题不是供给端，而在需求端。当颠覆与被颠覆攻守异势，中国这场动力电池头把交椅的守“位”战也正演变成技术、市场等综合实力的多方博弈，更艰巨紧张，也更加精彩。
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