鉅大LARGE | 點擊量：502次 | 2023年03月08日
固態、鋰硫、鋰空氣，下一代電池誰主沉浮？
2021年，我國三元電池、磷酸鐵鋰電池單體能量密度分別平均達到280Wh/kg、170Wh/kg，相比2012年，動力鋰電池單體能量密度提高2.2倍，成本下降85%左右。純電動乘用車的平均續駛里程也從2016年的253公里提高到2021年的400公里以上。
能量密度提升，成本下降，車輛續駛里程提升，這是過去多年我國動力鋰電池技術持續不斷突破創新的結果。
我們看到，動力鋰電池的結構創新層出不窮，CTP技術、CTC技術、CTB技術，比亞迪刀片電池、CATL麒麟電池、上汽魔方電池電池工程師們在方寸之間用盡巧思努力將電池的集成度、體積能量密度進一步拔高。
和此同時，動力鋰電池的材料創新也有了不少成果，包括CATL的鈉離子電池、M3P電池，麻省固能（SES）的混合鋰金屬電池，蜂巢的無鈷電池，廣汽的海綿硅負極片電池，以及不少公司正在研發的半固態和固態電池等等。
而材料體系的創新是電池性能提升的關鍵。
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%
根據我國工程院院士吳鋒的說法，當前，電池正極材料正在向無鎳、無鈷和低應變穩定結構發展，而負極則走向納米化、復合化、自修復和天然化。
在電解質方面，液態電解質正向混合固液電解質發展，未來終極形態是全固態電解質。
當前行業較高的水平是，磷酸鐵鋰電池單體能量密度做到210Wh/kg，高鎳三元電池單體能量密度做到300Wh/kg，已經逼近能量密度理論天花板。
我國科學院院士歐陽明高表示，未來我國動力鋰電池創新要從電池結構創新逐步發展到材料體系創新。他預測，未來十年，電池體系還將經歷三次技術變革，2035年前實現規模生產量量密度為500Wh/kg的下一代電池。
加拿大皇家工程院院士、福州大學材料科學和工程學院院長張久俊認為，未來能量密度能達到≥500Wh/kg的鋰電池，重要有三種：鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰二氧化碳電池。
他對下一代鋰電池發展路線作出了這樣的判斷：現在是磷酸鐵鋰和三元鋰電池，2022-2025年是固態電池和鋰硫電池，2025-2030年要做鋰空氣電池。
相比目前的磷酸鐵鋰和三元鋰電池，下一代電池的理論能量密度有數倍的提升：固態電池可達700Wh/kg，鋰硫電池可達2600Wh/kg，鋰空氣電池可達3500Wh/kg。
當前，半固態電池已經量產上車，全固態電池的規模化上車估計要到2025年之后，甚至2030年；
鋰硫電池已經在電動飛機、無人機上初步實現搭載，處于產業化前夕；
鋰空氣電池尚處于實驗室研發階段，比如日本研發人員已經研發出能量密度為500Wh/kg的鋰空氣電池。
半固態電池量產上車，全固態電池還遙遠
歐陽明高指出，在技術創新方面，全固態電池最值得重視。
固態電池的能量密度能輕松做到300-400Wh/kg，理論上的能量密度可達700Wh/kg。
按照電解質來分，可將固態電池技術路徑分為：聚合物、氧化物、硫化物。三種技術路線各有優缺點，目前氧化物固態電解質的發展最快，其次是硫化物電解質，氧化物的綜合發展性較為均衡。
日本和韓國重要押注硫化物路線。我國電池公司中，衛藍新能源、清陶能源、贛鋒鋰業等走的是氧化物路線，CATL走的是硫化物路線。
全世界擁有硫化物全固態電池專利數量最多的公司是豐田，它計劃2025年實現全固態電池的車輛前裝，2030年實現批量生產。韓國的LG新能源和SKOn目標也是在2030年左右開始大規模生產全固態電磁。
我國公司的半固態電池已經有了階段性研發成果。
今年一月，東風汽車和贛鋒鋰業合作開發的首批50輛東風-贛鋒高比能固態電池車完成交付，投入運營。說是固態，其實準確來說是半固態。作為贛鋒鋰業第一代固態電池，其能量密度約為260Wh/kg，公司第二代固態電池，能量密度將達到360Wh/kg。
今年五月，國軒高科公布了一款半固態電池，能量密度達到360Wh/kg，將在今年年底量產上車。這款電芯，正極材料顆粒表面包覆有固態電解質，同時使用高安全的液態電解質、新型高安全功能隔膜及硅負極。此外，其400Wh/Kg的三元半固態電池目前已有原型樣品。
衛藍新能源開發出的混合固液電解質電池將搭載于蔚來ET7上，單體能量密度為360Wh/kg，電池包容量達150kWh。車型單次充電續航1000公里，將于今年第四季度開始交付。
孚能科技的半固態電池產品已經進入產業化，應用了高比能硅碳復合材料作為電池負極材料，能量密度達到330Wh/kg。
目前來看，2022年會是半固態電池量產上車元年，而業內公認的全固態電池的產業化時間應該是在2025年之后，甚至在2030年。
蜂巢能源在國內率先完成20Ah級硫系全固態原型電芯的研發。該系列電芯能量密度大于350Wh/kg，順利通過針刺、200℃熱箱等實驗。
今年八月五日，汽車商業評論參觀無錫蜂巢能源全球鋰電創新中心全固態實驗室，現場播放的視頻顯示，實驗人員將一個軟包固態電池電芯拿在手里，剪開一角，用火燒，完全沒有任何起火冒煙現象，再剪一刀繼續燒，仍然沒有任何異常反應。
目前蜂巢能源的全固態實驗室已具備固態電解質材料的公斤級自主合成、固態電解質膜持續化制備、全固態軟包電芯組裝以及新設備開發等自主研發能力，已申請109項專利，其中發明專利93項。
中科院物理研究所研究員、衛藍新能源創始人李泓在2022世界動力鋰電池大會上表示，按照目前的發展速度，全固態電池最快在2026~2027年才能達到10GWh的量產標準。
他稱，目前全固態電池的無機固態電解質和原料還沒有形成確定的體系，也沒有形成中試以上的供應鏈。
相比之下，日韓已經展開了上游固態電解質的生產布局。
2021年十月，日本三井金屬宣布建成年產10噸級的硫化物固態電解質材料生產線。這是世界上第一條硫化物固態電解質材料的噸級生產線。
今年三月，三星SDI宣布開始建設世界第一條全固態電池生產線。韓國浦項制鐵公司為其配套建設年產量24噸級的硫化物材料生產線。
鋰硫電池產業化可期
今年三月，德國鋰硫電池初創公司Theion宣布其產品水晶電池即將面市。
Theion將硫的晶體材料特性和碳納米管和特制的固體電解質相結合，該項技術生產的水晶電池和傳統的鋰電池相比，能量密度和續航時間新增了3倍，整體成本下降了大約1/3。不過，水晶電池的循環次數（500次左右）還遠低于當前三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。
這是Theion的第一代商用鋰硫電池，能量密度達到500Wh/kg。該公司的目標是：2023年，把第二代技術將鋰硫電池的能量密度提高到700Wh/kg；2024年，將第三代能量密度高達1000Wh/kg的鋰硫電池用于電動汽車。
鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,鋰作為負極的一種鋰電池。它的反應機理不同于鋰電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。
單質硫在地球中儲量豐富，價格低廉，環境友好。鋰硫電池的理論能量密度高達2600Wh/kg。人們對其的研究自20世紀70年代就開始了。
在2022世界動力鋰電池大會上，加拿大皇家工程院院士、福州大學材料科學和工程學院院長張久俊指出，鋰硫電池的重要問題就是正極硫的導電性較差，充放電過程中體積膨脹比較大，穿梭效應比較明顯，還有就是鋰負極的安全性問題等。重要的改良策略是在硫正極、隔膜、電解質等幾個方面。
目前，鋰硫電池已經開始了初步的產業化。
2021年四月，英國OxisEnergy公司推出用于電動飛機的高性能固態鋰硫電池。其第一代準固態鋰硫電池單體比能量達到450Wh/kg。據公司初步推測，2023年秋，固態鋰硫電池相關性能指標可提高到550Wh/kg，2026年可提高到600Wh/kg。
不過就在當年，OxisEnergy就被傳瀕臨破產、專利被、。作為全球較早涉足鋰硫電池領域的技術公司，OxisEnergy的處境也說明了鋰硫電池的商用化之路并不好走。
2021年，LG新能源電動汽車開發中心負責人崔勝東(ChoiSeung-don)透露，公司計劃在2025年年底實現鋰硫電池商業化，并在2025年至2027年間實現全固態電池商業化，鋰硫電池可能比全固態電池更早實現商業化。此前，LG新能源的鋰硫電池已經裝配無人機進行性能測試，能量密度410Wh/kg。
國內也有不少高校、科研院所、公司在進行鋰硫電池的產品研發及產業化初探工作，包括中科院、上海大學、陜西國能新材料公司、南京驪電新能源公司、江蘇合志新能源公司、鋒鋰新能源材料公司等。
我國工程院院士吳鋒透露：北理工科研團隊通過構筑反應、強化界面、抑制枝晶生長等對策，研發出的鋰硫電池能量密度達到651Wh/kg。這項高性能鋰硫電池催化材料方面的研究成果今年四月刊登在材料類國際期刊《先進材料》上。
可以看出，盡管鋰硫電池技術還存在一些待破解的難題，但已初步成熟，產業化可期。
