全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)

　　新能源汽車正在快速發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，2024年4月，我國(guó)新能源汽車批發(fā)、零售滲透率（新能源汽車銷量占汽車總銷量的比重）雙雙突破50%。電池技術(shù)作為新能源汽車最基本的核心技術(shù)之一，其創(chuàng)新與發(fā)展對(duì)于新能源汽車產(chǎn)業(yè)起著至關(guān)重要的作用。電池的安全性、能量密度、壽命和成本等一直倍受關(guān)注。

　　全固態(tài)電池是電極材料和電解質(zhì)材料完全是固體的電池，具有安全性高、能量密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有可能取代傳統(tǒng)液態(tài)電池的新一代電池技術(shù)。中國(guó)、日本、韓國(guó)、歐盟、美國(guó)等主要經(jīng)濟(jì)體均出臺(tái)了相關(guān)規(guī)劃和政策，以推動(dòng)全固態(tài)電池發(fā)展。世界各大車企、電池制造商和初創(chuàng)企業(yè)都在積極布局全固態(tài)電池的研發(fā)，并取得了較大進(jìn)展，但仍有許多難題需要攻克，產(chǎn)業(yè)化仍需時(shí)日。

　　能量密度及安全性與成本無法兼顧

　　目前，正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。我國(guó)正極材料以磷酸鐵鋰和三元材料為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較快的日本豐田、日產(chǎn)和韓國(guó)三星SDI都采用了高鎳三元正極。全固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)窗口寬，可以使用具有較高電壓平臺(tái)的正極材料。富鋰錳基正極理論容量可達(dá)320毫安時(shí)/克，電壓平臺(tái)為3.7-4.6伏，均顯著高于傳統(tǒng)低鎳三元和磷酸鐵鋰正極材料，被認(rèn)為是全固態(tài)電池的理想正極材料。

　　但正極材料在技術(shù)發(fā)展中仍面臨能量密度、安全性能與成本無法兼顧的挑戰(zhàn)。正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的固固界面接觸不充分，會(huì)導(dǎo)致在充放電過程中電荷阻抗升高，影響電池性能。包覆、噴涂等技術(shù)可改善界面問題，但復(fù)雜的操作和高昂的生產(chǎn)成本會(huì)阻礙全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。

　　負(fù)極材料主要有石墨、硅碳、硅氧、鈦酸鋰等。鋰金屬具有高比容量（3861毫安時(shí)/克）、低電化學(xué)勢(shì)（-3.04伏，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）和較小的密度（0.534克/立方厘米），一直被認(rèn)為是下一代高比能和可充電電池的理想負(fù)極材料。但是，鋰金屬的高活性和其表面鈍化層的鋰離子擴(kuò)散能壘較高，會(huì)促進(jìn)鋰枝晶的形成，枝晶會(huì)引發(fā)短路并造成電池失效。研究人員需要充分了解固態(tài)枝晶形成與生長(zhǎng)的機(jī)理，并解決相關(guān)問題。此外，全固態(tài)鋰金屬電池的難點(diǎn)還在于提升電池的循環(huán)次數(shù)。目前，500瓦時(shí)/千克的鋰金屬電池大概只有幾十次的循環(huán)。

　　四類固態(tài)電解質(zhì)各有優(yōu)勢(shì)和不足

　　常用的固態(tài)電解質(zhì)主要有硫化物、氧化物、聚合物和鹵化物等4類，各有優(yōu)勢(shì)和不足。

　　硫化物電解質(zhì)具有較高的電導(dǎo)率、較好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。相較于氧化物電解質(zhì)，硫化物電解質(zhì)與電極匹配性較好，同時(shí)兼具適中的加工成本，是一類綜合性能較好的電解質(zhì)材料，也是中、日、韓以及歐美等主要經(jīng)濟(jì)體普遍關(guān)注和積極布局的技術(shù)領(lǐng)域。水氧穩(wěn)定性差是硫化物固態(tài)電解質(zhì)最突出的問題。當(dāng)其暴露于水氧環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生有害氣體硫化氫，造成電解質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞、電化學(xué)性能降低，致使其合成、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和后處理過程都嚴(yán)重依賴惰性氣氛或干燥室，不僅增加環(huán)境控制復(fù)雜性，還增加生產(chǎn)成本。因此，新材料開發(fā)、材料涂覆、與聚合物復(fù)合等是解決水氧穩(wěn)定性問題的攻關(guān)重點(diǎn)。

　　氧化物固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性高，很多企業(yè)選擇這類技術(shù)路線。但我國(guó)企業(yè)多選擇半固態(tài)氧化物電解質(zhì)，如輝能科技、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)等多家頭部固態(tài)電池企業(yè)都在大力推進(jìn)氧化物固液混合電池技術(shù)。這是因?yàn)?，相比全固態(tài)電池技術(shù)，半固態(tài)電池技術(shù)可兼容傳統(tǒng)液態(tài)電池的工藝設(shè)備，更易量產(chǎn)。半固態(tài)電池（液體電解質(zhì)質(zhì)量占比小于10%）和類固態(tài)電池（液體電解質(zhì)質(zhì)量占比小于5%）可作為全固態(tài)電池的過渡路線。界面阻抗高是制約氧化物全固態(tài)電池發(fā)展的最大障礙。常采用構(gòu)建界面修飾層來改善界面潤(rùn)濕性，或者采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)和熱壓等技術(shù)使固體電解質(zhì)致密化，從而降低界面阻抗。

　　聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有質(zhì)量小、彈性好、易加工、成本低等特點(diǎn)，是歐美一些企業(yè)早期選擇的主要技術(shù)路線。歐洲是最早推動(dòng)聚合物全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的地區(qū)。法國(guó)Bollore公司在2011年就實(shí)現(xiàn)了聚合物全固態(tài)電池的千臺(tái)裝車應(yīng)用。2023年，美國(guó)初創(chuàng)公司Factorial Energy宣布200兆瓦時(shí)聚合物固態(tài)鋰電池中試線正式投產(chǎn)，并向斯特蘭提斯（Stellantis）汽車公司送樣測(cè)試。常溫下電導(dǎo)率低，熱穩(wěn)定性、安全性低是聚合物固態(tài)電解質(zhì)的主要問題。常溫下電導(dǎo)率低的主要原因是聚合物的離子傳輸主要發(fā)生在無定形區(qū)，其在常溫下結(jié)晶度高，而軟化溫度卻高于60攝氏度。此外，當(dāng)溫度超過400攝氏度時(shí)，聚合物固態(tài)電解質(zhì)會(huì)發(fā)生分解和燃燒，存在很大安全隱患。與無機(jī)填料復(fù)合、交聯(lián)改性或共混改性、引入阻燃劑等可以解決以上問題。

　　鹵化物固態(tài)電解質(zhì)作為一類新興的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料，相比硫化物固態(tài)電解質(zhì)，其優(yōu)勢(shì)在于成本低、對(duì)環(huán)境友好、高電壓正極穩(wěn)定性好。鹵化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率低、正極材料兼容性差、空氣/潮濕環(huán)境中穩(wěn)定性差等問題有待進(jìn)一步解決。

　　制備工藝復(fù)雜難以量產(chǎn)

　　全固態(tài)電池在安全性與可靠性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但其制備工藝更為復(fù)雜。電解質(zhì)成膜工藝是固態(tài)電池制造中的關(guān)鍵工藝，根據(jù)是否采用溶劑，可分為濕法工藝和干法工藝。當(dāng)前，全固態(tài)電池可在一定程度上沿用濕法工藝，與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈的兼容度約為50%-60%，干法工藝兼容度更低。按照載體不同，濕法工藝可分為模具支撐成膜、正極支撐成膜以及骨架支撐成膜。該工藝首先將固體電解質(zhì)溶液傾倒在模具上，隨后蒸發(fā)溶劑，從而獲得固體電解質(zhì)膜，通過調(diào)節(jié)溶液的體積和濃度來控制膜的厚度。

　　全固態(tài)電池在工程制造和量產(chǎn)方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。一是要實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池結(jié)構(gòu)完全致密化，改善界面問題，需要特殊的高溫、高壓（數(shù)百兆帕）工藝。但目前國(guó)內(nèi)沒有滿足高溫、高壓的相關(guān)設(shè)備，亟待開發(fā)與優(yōu)化。二是固態(tài)電池制造對(duì)工藝環(huán)境有較高的要求。比如濕度方面，固態(tài)電池要遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液態(tài)電池的濕度要求，才能避免硫化物與水分接觸釋放硫化氫氣體，因此目前規(guī)?；a(chǎn)還存在較大困難。三是固態(tài)電池工藝一致性要求更高，規(guī)模化量產(chǎn)需要強(qiáng)大的工程能力和制造經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)成本較高，因此需要進(jìn)一步降低成本。

　　全固態(tài)電池是新能源汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域電池技術(shù)的重要發(fā)展方向，是中國(guó)、日本、韓國(guó)和歐美等主要經(jīng)濟(jì)體新能源技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)。我國(guó)在固態(tài)電池界面和材料等方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在關(guān)鍵技術(shù)難題待解決、工程化制備技術(shù)待突破等重大挑戰(zhàn)。全固態(tài)電池的發(fā)展不僅需要結(jié)構(gòu)和材料的創(chuàng)新，還需要工藝和設(shè)備方面的協(xié)同。應(yīng)通過加大政策扶持、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新研究，明確固態(tài)電池技術(shù)優(yōu)先發(fā)展方向，強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研合作、加速研究成果轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化國(guó)際合作、探索發(fā)展新模式等，全力構(gòu)建我國(guó)高安全性全固態(tài)電池科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。(中國(guó)石油石油化工研究院 王紅秋 高玉李)

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)石油報(bào)

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