鉅大LARGE | 點擊量：948次 | 2021年12月20日
全新固態電解質的問世成功將電池原材料成本降低至1.38美元/平方米
近日，一種鋰電池固態電解質新材料——氯化鋯鋰的問世，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，而此前最廉價的氯化物固態電解質相對應的成本為23.05美元/平方米。
這種新材料由中國科學技術大學教授馬騁團隊設計并合成，該材料克服了鋰電池固態電解質材料生產成本和綜合性能難以兼得的瓶頸，有望推進安全且具有更大能量密度提升空間的全固態鋰電池商業化進程。相關成果7月20日發表于《自然—通訊》。
值得關注的是，該成果發布的第二天，鋰電池板塊“漲聲”一片，飄紅股票占比87%，A股19只“鋰電池”股再創歷史新高。投資者認為，這一重磅進展有可能是引爆“鋰電池”板塊的推手之一，而市場也對這種“物美價廉”的新材料充滿期待。
“魚與熊掌”可兼得
當前，傳統商用鋰電池自燃事故時有發生。不久前，杭州電動車自燃事故仍讓人心有余悸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
“采用有機液態電解質的傳統商用鋰離子電池，具有體積小、容量大、使用壽命長等優點，但其熱失控之后容易起火，甚至引發安全事故。”馬騁對《中國科學報》說，固態鋰電池中的固態電解質，可以杜絕液態電解質帶來的“易燃易爆”與漏液等問題，實現安全儲能。
固態電解質是固態鋰電池最核心的部件，但其生產成本和綜合性能往往不可兼得，難以滿足商業化需求。
“雖然固態鋰電池具有更高的安全性，但固態電解質原材料成本大多非常高，并且相當一部分性能很好的固態電解質對濕度的穩定性不佳，需要在露點不超過零下40攝氏度的環境下制備和儲存，極大增加了生產成本。”馬騁坦言，這些都給全固態電池的商業化帶來巨大挑戰。
對生產成本和綜合性能來說，“魚與熊掌”能否兼得？馬騁團隊設計并合成的新型氯化物固態電解質材料——氯化鋯鋰，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，遠低于10美元/平方米這一確保全固態電池市場競爭力的閾值。
除此之外，氯化鋯鋰在露點高達零下15攝氏度的相對潮濕氣氛中仍能保持穩定，其合成和儲存對環境的要求并不苛刻，相對來說更容易制備，這也進一步降低了生產成本。
值得關注的是，生產成本的降低并不以犧牲性能為代價。
“這一新成果最大的亮點，就是我們設計的材料在大幅降低規模化生產成本的同時，仍然在綜合性能上有很強的競爭力。”馬騁表示，在離子電導率、可變形性以及與高電壓正極相容性等方面，氯化鋯鋰很好集成了硫化物、氧化物固態電解質的優勢。它與高鎳三元正極組成的全固態電池的循環性能，甚至可以比肩基于液態電解質的鋰離子電池。
新材料并不完美
當下主流的動力電池，無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰離子電池，均是采用液態電解質的鋰離子電池，除了存在“易燃易爆”的弊病，能量密度也基本達到了“天花板”。
馬騁認為，在新能源電動汽車領域，全固態鋰電池或許是安全問題的最終解決方案，將會成為鋰電池行業的顛覆者。此外，全固態電池可以使用更高能量的正負極材料，電池構造也能提供更多“腦洞大開”的可能性。
然而，全固態鋰電池雖然被科學界和產業界普遍看好，但其商業化量產仍面臨諸多障礙，比如需要尋找更加適合量產的固態電解質材料、固態電解質膜需要做得更薄等。
馬騁坦言，固態電解質材料只有兼顧成本和性能，且具有巨大優越性，才有全面替代液態電解質的可能。此外，固態電解質膜主要用來傳輸鋰離子，厚度做到10~40微米，在能量密度上才具備競爭力，這些重大障礙均非一朝一夕可以掃除。
氯化鋯鋰則是首個基于四價陽離子的高性能氯化物固態電解質，馬騁表示，它克服了生產成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸，并且在這兩方面均具備顯著優勢，這在固態電解質中十分罕見，為全固態電池商業化掃清了一大障礙。
“但需要特別說明的是，這一新材料并不完美。”馬騁坦言，氯化鋯鋰對于金屬鋰負極的穩定性并不好，這一不足仍需解決。目前，該團隊正在試圖提升氯化鋯鋰對金屬鋰的穩定性，以及研發基于氯化鋯鋰的高能量密度軟包電池，不斷優化全固態鋰電池性能，并與相關企業合作推進商業化進程。
“我相信隨著科技發展，各種障礙會一個個被清除。”馬騁說。
鋰電池成本降到多少才劃算？
我國的新能源汽車市場占據了全世界的半壁江山，2019年，中國新能源汽車銷量共計120.6萬輛，占全球221萬輛的一半以上。但是，即使在發展速度如此之快的中國市場，每月新車的銷售仍集中在燃油車，占比超過九成。
任何一項好的生意，歸根結底都基于廣大的底層需求。通過記者多日在數家燃油車品牌4S店的隨機采訪發現，受訪者不愿意購買電動車的原因主要集中在：不劃算和充電不方便（充電樁不好找、充電太久等）。
國際能源署（IEA）和彭博新能源財經（BNEF）近日發布的報告也顯示，經過模型測算，目前純電動汽車前期購置成本和總使用成本仍比燃油車高，這是影響消費者購買電動車的重要因素。電動車的主要成本集中在電池，電池成本的下降將會有效促進零售價格的下降，從而縮短電動車與燃油車的成本差距，達到消費者口中的“價格劃算”。
那么，電池的成本具體降低到多少，才會使電動車與燃油車的成本大致相當？IEA在2018年做的一項研究顯示，燃油車與電動車的持有成本差異，根據不同國家的政策、車型偏好、氣候氣溫等因素有所不同，且不同型號的電池對不同大小的車輛影響也有所差異，但是總體來看，當電池的成本降至120美元/kWh且汽油處于較高價格（1.5美元/L）時，持有電動車將比燃油車經濟劃算。但若汽油處于較低價格（0.8美元/L）時，120美元/kWh的電池成本必須在年度里程超過4萬公里時，電動車才是更為劃算的選擇。
國內的學者和專家也持有大致相同的觀點。中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出，只有當動力電池成本下降至100美元/kWh，新能源汽車才能真正大規模推廣使用。
近年來，鋰電池成本已大幅下降，據BNEF統計，從2010年至今下降幅度已超過87%。但是，當前鋰離子電池的平均成本仍居高不下。彭博新能源財經發布的2020年報告顯示，鋰離子電池目前的平均成本在156美元/kWh。咨詢公司CairnEnergyResearchAdvisors今年3月報告顯示，2019年特斯拉的電池組成本為158.27美元/kWh。
雖然今年特斯拉CEO馬斯克曾豪言未來要使電池包成本降至56美元/kWh，廣汽新能源副總經理肖勇也認為，未來2～3年新能源車的成本將會降到與燃油車相當，但也有分析人士并不如此樂觀。彭博新能源財經的分析師認為，經過這么多年的降成本，已到了一個比較瓶頸的位置。在新技術出來之前，電池的成本受基礎元素材料價格的影響將越來越大。目前正極活性材料占電池生產總成本已達45%左右。中國科學報，證券時報
