固態電池被稱為“壓垮燃油車時代的最后一根稻草”。而如今，固態電池產業化時間表似乎可以確定下來：全固態鋰電池很可能在2030年左右就能實現商業化。

近日，在2023中國（新余）鋰電新能源材料科技大會上，加拿大國家工程院院士、加拿大皇家科學院院士張久俊表示，“未來五年內全球全固態電池的商業化可能會有些難度，但十年內商業化量產沒有問題。”

今年2月，日產對外表示固態電池研發成功。根據日產計劃，有望在2025年前實現固態電池的限量試點生產，在2026年前完成初始技術的工程設計，并在2028年前推出第一款搭載固態電池的量產版電動汽車。這一時間表似乎比此前預計2030年實現固態電池商業化的時間表提前了許多。

5月13日，據法媒《回聲報》報道，輝能科技計劃投資52億歐元（約393.64億元人民幣）在法國北部的敦刻爾克新建一座電池工廠。

5月16日消息，三星電機正在研究開發和制造針對IT設備的氧化物固態電池。同時，關聯公司三星SDI計劃專注于陶瓷硫化物固態電池。該公司計劃在今年第二季度內開始運營一條電池試驗線……

由此可見，業界對固態電池的研發及產業化應用越來越多。如果固態電池產業化，電動汽車的安全性問題、續航里程、充電效率等問題將迎刃而解，勢必將帶來一場真正的電池技術革命。除了動力電池，汽車技術變革正呈現電動化、智能化、網聯化的特征，特別是5G、人工智能等一系列新技術在汽車領域的應用，正掀起智能網聯的革命。

受捧的固態電池

固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池，其內部完全沒有液體的存在，由無機物或有機高分子固體作為電池的電解質，是電動汽車非常理想的電池。

整體來看，固態電池具有以下技術優勢：一是能量密度高，理論值接近當前液態電解質鋰電池理論值的10倍。例如衛藍新能源推出的半固態電池，能量密度360Wh/kg，或可實現單次充電續航1000公里。而全固態電池可實現更高的能量密度，打破現有鋰電池能量密度受限的格局。

二是安全性能好，沒有了液態電解質，不會造成電解液遺漏，出現內部短路，固態電解質也能更好的抑制鋰枝晶，對鋰金屬具有化學和電化學穩定性。如果要求倍率性能高、電化學體系激進，一定條件下固體電解質中也會生長鋰枝晶，存在內部短路的風險。

三是循環壽命強。鋰離子電池使用固態電解質后，解決了液態電解質在充放電過程中形成的SEI膜（固體電解質界面膜）的問題，以及抑制了鋰枝晶的出現，從而大大提升了鋰離子電池的循環性和使用壽命。

四是能超快速充放電，自放電大幅降低。

五是更易設計電池的大小和形狀，更能實現動力電池的定制化。

然而，固態電池也并非絕對完美，主要挑戰在于：一是制造的成本高，在傳統鋰電池的設備和工藝上需要有大幅革新，技術研發投入大。減少稀有元素，降低制造成本，成為了行業努力的方向。目前，采用氧化物路徑制備的半固態電池，與傳統鋰電設備及工藝兼容性可達70%以上，這可以幫助電池企業更好的向固態電池過度。

二是界面阻抗過大，固態電解質與電極材料之間的界面是固-固狀態，因此電解質、電極兩者之間的有效接觸能力較弱，從而導致離子在固體物質中傳輸動力學低，由此產生影響電池性能的界面阻抗。

盡管這種電池仍然面臨著成本和技術雙重挑戰，但似乎業界對其產業化抱有很大的期待。

目前，寧德時代、中創新航、贛鋒鋰業、孚能科技等頭部動力電池企業，都已公開表明在固態電池技術方面有所布局。

根據輝能科技在法國的投資計劃，新工廠預計在2024年開始建設，在未來10年內分三期建成。輝能科技計劃項目總投資額75億歐元（當前約567.75億元人民幣），最大的一期工程將耗費52億歐元（當前約393.64億元人民幣），最終產能將達到120GWh。

Bloomberg數據預計，2028-2035年，采用固態電池的電動車將增長37倍，而固態電池的成本將下降至40美元/KWh，甚至低于液態電池。

又難又貴的固態電池

從各大電池企業以及相關機構的研發計劃與進展來看，固態電池產業化似乎不再遙遠，但仍然是一個比較難商業化的技術。特斯拉創始人埃隆·馬斯克就曾公開表示：“固態電池距離技術成熟還需要時間，不足以改變特斯拉的戰略。”

實際上，目前全固態鋰金屬電池在實驗室里可以實現能量密度400Wh/kg以上，甚至500Wh/kg、600Wh/kg更高。同時，全固態鋰金屬電池可保證日常使用中絕無任何自燃的可能性，2000次甚至上萬次的完整循環壽命 、高速快充（5分鐘之內將電量從0充到100%） 、可直接打碎分類環保回收再利用。

特斯拉官方數據顯示，4680電池的能量密度將達到300kWh/kg，相對固態電池仍然有不小的差距。然而，對于整車商而言，管控成本是其重點考量的因素。

在新能源汽車領域，電池是新能源汽車核心部件，在其進化與升級中，電池技術的瓶頸突破是關鍵一環。無論目前主流的三元鋰或磷酸鐵鋰等液態電解質的鋰離子電池，還是業內公認的下一代二次動力電池即全固態鋰金屬電池，都將面臨一個特別現實的問題——電池最終造價里占比最高的“工藝成本“問題。

目前，全固態電池成本被認為比鋰電池高4倍以上。據美國福特汽車估算，目前純電動汽車用鋰電池的成本為每千瓦時約合1000元，2030年將降低到511元以下。如果固態電池要批量生產、應用普及，到2030年固態電池的制造成本，要達到五六百元，是現在成本的1/6左右。

盡管固態電池前景被看好，但寧德時代、LG新能源、松下等廠商都未考慮立即量產，主要在于兩點：一是目前的磷酸鐵鋰/三元鋰的投資付出的沉沒成本太高，必須優先考慮回本、盈利;二是固態電池短期內成本高昂，終端應用必然不多，短期內投資收益平衡很難實現，何況盈利的可能性。

寧德時代董事長曾毓群也曾經表示：“固態電池有很多科學及技術的基礎問題尚未解決，我們公司深耕10多年，仍然認為難以形成有技術可行性和市場競爭力的產品。”

寧德時代發布凝聚態電池 圖源：寧德時代

在實現固態電池產業化過程中，寧德時代也試水了半固態電池過渡方案——凝聚態電池。4月19日，寧德時代在上海車展上舉行了凝聚態電池的發布會，首次宣布了將在今年內量產的第一代凝聚態電池（Condensed Battery）。

這款電池是一種半固態化的膠質狀態，既能完成鋰離子在正負極的傳導工作，也因為電解液本身的粘性使得流動性降低，能提高動力電池整體的安全性能，避免了傳統液態鋰離子電池的熱失控的巨大風險。

除了安全性能之外，凝聚態電池的能量密度高達500Wh/kg，比目前液態鋰離子電池的理論能量密度上限（350Wh/kg）還高出了30%。

而另一大電池企業贛鋒鋰業的使用鋰金屬負極固態電池樣品能量密度可達到400Wh/Kg，且通過了針刺等嚴苛安全測試。該公司正在重慶建設20GWh的全國最大的固態電池基地，生產半固態電池產品。

另外，蔚來汽車、孚能科技、清陶能源、國軒高科、天齊鋰業、輝能科技等也是國內固態電池的積極參與者，但產品基本上是含有部分液態電解質的半固態電池。

固態電池話語權至關重要

當前，固態電池以安全性高、容量大被行業看好，成為全球動力電池爭奪的制高點之一。該電池安全性、容量大兩大特性決定了其能夠解決目前動力電池面臨的兩大核心難題：續航里程不夠長、電池不夠安全。

全固態電池將取代傳統鋰電池已經成為業界共識，也得到了各國政策支持，而且上升到國家戰略層面。

從國家和區域政策來看，美國、日本和德國已經對未來電池技術作了比較完善的規劃，不僅探索新概念電池技術，也在大力推進固態電池成本的降低。

我國則在《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035）》中，提出了加強固態電池研發和產業化進程的要求，首次將固態電池上升到了國家層面，提出到2030年，我國液態電解質將演變為固態電解質的目標。

4月20日，韓國更是宣布，計劃到2030年投入20萬億韓元（約合151億美元）來開發固態電池等先進電池技術，以使韓國率先實現商業化固態電池生產，成為世界上固態電池商業化的第一個國家。

從技術實力來看，日本在固態電池領域走在全球前列。調查機構Patent Result數據顯示，專利數前五的企業分別為豐田、松下控股（HD）、出光興產、三星電子、村田制作所，除了三星電子，其余4家均為日本企業。其中，豐田專利數居第一，專利數達1331件，是第二名的三倍。而全固態電池專利數前十名中，日本企業6家、韓國企業4家，沒有一家中國企業上榜。

另據日經新聞3月19日報導，Maxell將成為全球第一家量產產業機械用大容量全固態電池的廠商，將在今年夏天開始生產使用于工廠機器人的大容量全固態電池。

數年之前，在鋰電池關鍵材料方面，中國廠商需要向日企繳專利費才能獲得想要的技術。盡管目前中國已經在鋰電池技術上實現了逆轉（可供應全球60-90%的鋰電池材料，其中負極材料中的石墨則100%由中國生產），但未來又將面臨固態電池這一技術專利賽道的壟斷和競爭。

從技術挑戰來看，電池行業是一個高度重資產的行業，對資本、人才儲備、產業鏈都有非常高的要求，其技術難度和重要性近似先進芯片工藝。

張久俊指出，固態電池的挑戰是離子電導率一般較低，電極/電解質界面接觸，部分材料成本相對較高，其大規模發展要求電解質材料具有高離子導電性、高離子遷移數、寬電化學窗口、機械強度高、熱穩定性好，以及與電極接觸良好等性能。

固態電池與目前主流的傳統鋰離子電池最大的不同在于電解質，其主流技術路線分別為聚合物、氧化物、硫化物固態電解質。三者技術路線各有優劣，比如聚合物固態電解質的缺點是離子電導率低，氧化電壓低;氧化物固態電解質的主要缺點是界面接觸差;硫化物固態電解質的主要缺點是易氧化，水汽敏感。

值得一提的是，最近美國馬里蘭大學團隊制備了一種具有固態硫正極的全固態石榴石電池，運用 LLZO 固態電解質首次實現了全固態鋰硫電池。該研究的第一作者為馬里蘭大學博士畢業生石昌民。他表示，“這是我博士階段的最后一個項目，在世界上首次實現了氧化物固態鋰硫電池的全固態化，完全不需要添加任何液態電解液。該技術在固態電池領域里屬于技術革新，并且基于電池的原材料和制備方法，有利于該全固態電池的大規模商業化生產。”

全固態雙層LLZO鋰硫電池在60℃下的電化學性能（來源：ACS Energy Letters）

綜合上述，全固態電池技術已不僅僅是一場單純的技術變革，解決里程焦慮和行車安全問題，更代表著能源存儲的未來。對此，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高甚至判斷：“現在全球已經有無數人投入到了這場創新運動。隨著ChatGPT技術的出現，對新材料的探索效率極大提高，開發的周期能夠縮短，通過全球的努力，全固態電池能夠取得成功。”

編輯：黃飛