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固态电池:解锁动力电池安全“金钥匙”

动力电池作为新能源电动汽车的“心脏”,直接影响着车辆的续航里程、快充速度以及相关安全性。在迎接电动汽车时代,固态电池因其能量密度更高、安全性更好、体积更小、续航更强,有望成为解锁动力电池安全的金钥匙。
发布时间:2022-06-21 13:13        来源:数字经济杂志        作者:杨琳

动力电池作为新能源电动汽车的“心脏”,直接影响着车辆的续航里程、快充速度以及相关安全性。在迎接电动汽车时代,固态电池因其能量密度更高、安全性更好、体积更小、续航更强,有望成为解锁动力电池安全的金钥匙。

一、各国布局固态电池赛道环境下, 我国占一席之地

1. 各国政策布局固态电池赛道持续升温

传统液态锂离子电池( 磷酸铁锂 / 三元锂离子动力电池)能量密度已接近“天花板”,并且从新能源汽车安全角度考量,也亟需开发新一代更具安全保障的电池技术。固态锂电池由于兼具更大的能量密度提升空间和更高的安全性脱颖而出,因此各国纷纷对固态电池进行战略布局。

日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO) 于 2018 年宣布其部分企业及学术机构将在 5 年内联合研发下一代电动车全固态锂电池。美国政府共向通用汽车投入 910 万美元,其中 200 万美元明确表示与固态电池的研发有关。我国也加紧部署固态电池规划,2015 年国务院明确提出了对单体动力电池比能量的战略布局:2025 年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030 年, 电池能量密度达到500Wh/kg。2020 年国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划(2021 ~ 2035 年)》也明确要求,加快固态动力电池技术研发和产业化。

2. 国外下游车企带动固态电池企业加紧产业化

以丰田、大众、通用、现代为首的车企都在主导加紧固态电池的研发与产业化布局,三星 SDI、SKI、LG 化学、麻省固能(SES)、QuantumScape、Solid Power 等电池企业也在固态电池领域不断取得新突破, 下游车企纷纷在各国内或跨国向固态电池企业投资并合作,均计划于 2025-2030 年间实现固态电池的量产。

其中, 美国以 SES、Solid Power、QuantumScape 三家电池公司为首, 在固态电池技术上不断取得突破, 并与各国车企纷纷开展合作, 如德国大众集团正在与 QuantumScape 密切合作,2018- 2020 年共投资 3 亿美元组建合资公司,

推进固态电池开发进度并于 2020 年 11月以 33 亿美元估值在纽交所正式上市, 成为“固态电池全球第一股”。日本也集合汽车、电池、材料企业与各大学术机构投入到固态电池研发之中, 总计投入 100 亿日元。

3. 我国电池企业与车企也均进行前瞻布局

近年来,我国围绕固态电池产业迅速开展研发布局。以辉能科技、清陶能源、赣锋锂业、北京卫蓝为代表的动力电池企业走在固态电池研发前列。

其中,辉能科技在固态电池方面发展较快, 已成功制造锂金属固态电池的原型电池,并且其大陆区总部及全球产业基地项目于 2020 年签约落户杭州临安区, 总投资 380 亿元, 项目包括建设2GWh、5GWh 固态锂陶瓷电池芯产业化项目。此外,清陶固态于 2020 年 8 月规划建设生产 10GWh 固态动力电池生产基地。赣锋锂业第一代 2GWh 的固态电池中试线已顺利投产。

北汽集团、比亚迪等传统车企,以及蔚来、天际等造车新势力,均在固态电池领域有所布局。其中,蔚来汽车于2021 年 1 月发布首款 150kWh 固态电池, 搭载该电池的蔚来 eT7 轿车续航里程将超过 1000 公里。

二、我国发展固态电池产业化的三大问题

1. 研发协同不足,产学研联动不够

缺少自上而下、统筹全局的总体设计而造成研发力量分散。目前我国固态锂电池的研发主要是高校、研究院所和企业自发进行,产学研有效联动效率较低, 高校发论文、企业做产品的分立现象普遍存在, 并且一些国内机构独立选择研发路线,因为商业保密导致沟通不畅, 许多共性技术的研发重复投入, 浪费资源。在一些重大技术难题上,在缺乏统筹设计的情况下难以集中力量进行突破, 技术创新水平和能力有待进一步加强。

2. 技术瓶颈未突破,示范应用需加

固态电池在技术、工艺、材料、成本等环节上,尚有较多瓶颈需要突破。从材料与技术上,固态电池离子导电率低, 快速充电较难实现, 并且固体电解质界面接触性差,内阻较大,影响电池容量的正常释放,从工艺和成本上,固态电池的工艺比较复杂, 技术未达到量产水平,并且材料配套不成熟,制造成本较高。因此,材料和器件等关键技术未突破使得成果转化受限。目前,在固体电解质材料、界面性能优化、电极材料选择以及成本、工艺上还有相当长的路要走, 生产工艺制程及生产线的周遭环境都需要大量的资本投入和严格参数控制。

3. 政策引导不够,行业标准支撑缺

固态电池研发与产业还处于孕育期, 政策引导仍将是驱动产业发展的主要动力。同时,我国行业标准的缺失也导致了应用推广不畅。固态锂电池相关的行业标准缺失, 会影响固态锂电池上下游衔接,协同发展困难重重。还会造成关键材料及产品质量参差不齐,固态锂电池成本居高不下,不利于固态锂电池产业化推进和市场推广。

三、对策建议

1. 加强政策引导,做好产业布局

第一,将固态锂电池纳入国家重点领域、关键行业的研发体系中。通过国家重点研发计划、产学研合作项目,布局固态锂电池相关基础研究、关键技术攻关,以及产业化培育项目,支持车企与固态电池企业对接, 推进固态电池装车进程。第二,鼓励社会资本投向固态电池创新性企业和技术创新型项目。要进一步鼓励企业加大研发投入, 对从事关键技术研发的企业提供税收优惠政策、信贷支持等。第三,积极推广固态电池在新能源电动汽车、智能网联等领域的示范应用。

2. 强化关键技术攻关,打通产业化道路

第一,通过国家重点研发计划、地方重点科技项目、创新项目等引导高等院校、科研院所和重点企业联合攻关,鼓励建立固态锂电池产业创新联盟以及加强创新资源整合与共享。第二,针对固 -固界面结构特征,离子、原子或分子扩散传输,空间电荷层,表面结构优化, 界面稳定机制等关键基础机理研究,增加支持力度。第三,重点围绕高性能固态电解质、高比容量正极材料、纳米锂合金复合物负极材料、超薄铝箔 / 超薄铜箔等关键材料,加强研发和产业化能力。第四,着重突破电极与固体电解质膜的大面积、高速度制造等电芯技术等。总体上来说, 应不断实现固态电池的迭代,将液态电解质含量从 20% 降至 0%, 电池负极逐步替换成金属锂片, 电池能量密度逐步提升至 500Wh/kg,电池的工作温度范围扩大至三倍以上。

3. 加快标准体系建设,促进国际交流合作

首先,加快制定统一的新能源电动汽车的电池性能、安全等行业和国家标准, 发挥标准对产业的引导支撑作用, 增强行业共识。其次,支持并鼓励社会组织和团体确定一批行业所需要的在设计、生产制造、安全评估、性能测试、关键装备配置等方面的标准和产品标准。最后, 引导鼓励企业加强固态锂电池标准的国际交流与合作, 参与国际标准制定过程,推进优质标准国际化,争取在全球固态锂电池产业中掌握主动权。同时, 应精准引进能推动关键技术突破、带动产业发展的领军人才与团队,汇集研发力量,加快固态电池在新能源领域中的普及应用。(文︱杨琳 赛迪智库安全产业研究所)

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