兼具安全性和高能量密度优势,固态电池研发如何突破技术瓶颈

2024-02-18 10:14

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中国汽车工业协会近日公布的数据显示,2023年我国新能源汽车产销量突破900万辆,市场占有率超过30%,连续9年保持全球新能源汽车产销量第一,已成为引领全球汽车产业转型的重要力量。不过,伴随着新能源汽车的快速发展,消费者对其安全性能、续驶里程、使用条件等需求也在持续提升。在此背景下,汇集多重优势的全固态电池技术被业内寄予厚望。

“全固态电池是公认的下一代电池首选方案之一,被中国、美国、日本、韩国等国家列入重要发展战略,已成为下一代电池技术竞争的关键制高点。”中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高在近日举办的中国全固态电池产学研协同创新平台成立大会暨中国全固态电池创新发展高峰论坛上表示,全固态电池具有跨学科的特性,技术门槛极高,目前研发面临巨大挑战。

或是未来锂电的终极形态

当前,我国在以液态锂离子电池为主流的动力电池领域竞争优势明显。

数据显示,2023年,我国动力电池累计装车量达到387.7GWh,同比增长31.6%。其中,三元电池累计装车量达到126.2GWh,占总装车量32.6%,同比增长14.3%;磷酸铁锂电池累计装车量达到261GWh,占总装车量的67.3%,同比增长42.1%。在全球动力电池装机量前十名的企业中,我国企业占据六席,市场份额超过60%。

“从技术角度看,三元锂电池的能量密度极限在300Wh/kg左右。从整车发展看,电池要做轻、做小,要突破300Wh/kg,就对整个电池开发以及整车开发提出了新要求。”东风汽车集团有限公司研发总院副院长史建鹏指出。

在史建鹏看来,液态电池目前主要存在三大痛点:安全问题、里程焦虑问题和能量密度问题。“固态电池兼具安全性和高能量密度优势,有可能在下个赛道中成为关键。当前,无论是国内外整车厂,还是零部件公司、电池公司、材料公司,都争相在固态电池方向发力。”

“固态电池可能是未来锂电的终极形态,正在成为一种行业共识。”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家企业的总市值达到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—2030年需求量的年复合增长率将达到114%。”

一系列关键技术待突破

在多位专家看来,电池技术的创新周期大约是30年。自2000年起,锂离子电池开始在动力方面应用,预计到2030年,全固态电池有望实现产业化,但目前,全固态电池仍有一系列关键技术待突破。

中国工程院院士、中国科学院物理研究所研究员陈立泉表示,为提升全固态电池的能量密度、倍率性能和循环寿命,不仅要关注其基础科学问题,如新型电解质材料、界面改性和电池失效的机制,也要重视关键技术问题,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。

“整体看,全固态电池在固态电解质材料、固固界面接触等方面存在一系列亟待突破的科学和技术难题,亟需产学研各方及上下游企业通力合作,以创新联合体、创新联盟等形式研究突破。”工信部装备工业一司副司长郭守刚表示。

欧阳明高也指出,固态电池研发首先面临科学技术方面的挑战,需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池不同层面解决;第二,全固态电池面对工艺设备挑战,如果用湿法工艺,大概能保留一半的现有设备,如果用干法工艺,2/3的设备都不能用,所以必须要实现设备厂商同步;第三,中国电池产业链全球领先,如果研制生产全固态电池,那么对电池全生命周期产业链都会造成巨大影响。

亟需产学研通力合作

作为下一代动力电池的重要技术路线,固态电池产业离不开产学研在功能与资源优势上的协同与集成化。

据了解,此次揭牌成立的“中国全固态电池产学研协同创新平台”将加速固态电池科研成果向现实生产力的转化,提升科技创新,同时强化固态电池行业共性关键技术的研究与推广应用,加快推动固态电池技术产业化进程。

“虽然固态电池当前面临一系列技术挑战,但我们不能被这些困难压倒,要一个个解决。”欧阳明高坦言,我国需要跨越创新周期,迎接国际新一轮电池技术竞争。

欧阳明高指出,在全球范围内,现阶段固态电池主要以全固态电池为主导,其中硫化物电解质占据主导地位。我国固态电池技术路线呈现多元化特点,以固液混合为主要特点。“从全行业看,我们既要发展渐进性的半固态技术路线,又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。中国全固态电池的研发目前还需统一认知,聚集力量,协调产学研,联合起来建立协同创新平台,共同突破产业化的关键技术。”

郭守刚也建议,首先,要一体化布局基础研究和关键核心技术攻关;其次,要补齐支撑技术和共性平台发展的短板,持续提升基础支撑能力;第三,要持续优化应用环境,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。

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