中國科學院青島生物能源與過程研究所生產的固態(tài)電池在恒溫試驗箱和高低溫試驗箱內進行性能檢測。

搭載欣界能源“獵鷹”固態(tài)電池的電動垂直起降飛行器億航EH216。

欣界能源生產的電芯在傳送帶上準備貼側邊膠。

本文圖片均為受訪者供圖

在2024年德國國際煙草和煙具貿易博覽會上，惠州億緯鋰能股份有限公司展出凝膠態(tài)電池。

續(xù)航更長、“體重”更輕、安全性更強、循環(huán)壽命更長……固態(tài)電池好處很多。和傳統(tǒng)電池電芯采用液態(tài)電解質和隔膜不同，固態(tài)電池電芯用的是固態(tài)電解質。近年來，市場對高性能電池的需求日益增加，作為下一代電池技術的“明星”，固態(tài)電池賽道吸引了大量資金和技術投入，商業(yè)化進程不斷提速。

目前固態(tài)電池研發(fā)取得了哪些突破?距離量產還有多遠?難點在哪?記者探訪相關企業(yè)機構，了解固態(tài)電池的發(fā)展故事。

優(yōu)勢多 前景廣

“準備就緒，起飛，開始計時!”飛速旋轉的螺旋槳撥弄著風聲，一架白色涂裝的飛行器垂直沖上云霄，視野里的樹木、道路、場地越來越小。

在飛行測試基地，搭載“獵鷹”鋰金屬固態(tài)電池的電動垂直起降飛行器(eVTOL)億航EH216按照既定路線完成高功率起飛、巡航、懸停等動作后，緩緩降落在地面上。

48分10秒!機艙屏幕上的時間，定格了一個新紀錄。深圳欣界能源科技有限公司(以下簡稱“欣界能源”)總裁孫立很興奮：“這場飛行共持續(xù)了48分10秒!創(chuàng)下載人eVTOL續(xù)航時長的新紀錄，相較行業(yè)現(xiàn)有水平取得大幅提升。”

孫立介紹，“獵鷹”電池的單體能量密度達到480Wh/kg，比傳統(tǒng)電池提升1倍以上。采用創(chuàng)新材料體系，電池安全性也更有保障。

“獵鷹”鋰金屬固態(tài)電池是欣界能源研發(fā)的新產品，每千克電芯可釋放出480瓦時的電能。業(yè)界認為，固態(tài)電池的能量密度一般應達到400Wh/kg，而目前市面上主流的鋰離子電池能量密度約在150—250Wh/kg之間。從能量密度上看，固態(tài)電池具有很大優(yōu)勢。

固態(tài)電池的優(yōu)勢還不止于此。在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)鋰電池往往容易出現(xiàn)續(xù)航縮短、性能下降現(xiàn)象。而固態(tài)電池適應極端溫度的能力更加出色，即使在寒冷的冬季也可以保證正常使用。“這款電池的使用溫域比較寬，一般鋰電池的工作溫度在0℃到60℃之間，固態(tài)電池在-40℃到150℃都可以使用。”孫立介紹。

隨著飛行汽車、電動垂直起降飛行器、城市空中交通(UAM)的發(fā)展，固態(tài)電池有望成為低空飛行載具的一項主流電池技術，為固態(tài)電池下游應用打開市場空間。

除了低空經濟領域，固態(tài)電池在新能源汽車、3C數(shù)碼、儲能、深海探測等領域同樣展現(xiàn)出不俗的潛力。有機構預測，2025年全球固態(tài)電池需求量為17.3GWh，到2030年有望超過200GWh的市場規(guī)模，2025年至2030年年復合增長率達65.8%。

數(shù)據(jù)顯示，截至今年11月，國內固態(tài)電池產業(yè)鏈相關企業(yè)已超過200家;近4年固態(tài)電池行業(yè)投擴產規(guī)劃金額超2000億元，規(guī)劃產能超過400GWh，若以純電動汽車每輛80千瓦時的電池容量測算，可裝車500萬輛。

業(yè)內人士告訴記者：“固態(tài)電池突破了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池面臨的一些瓶頸，具有高能量密度和優(yōu)異的安全性，在電動汽車及高端消費電子產品領域，固態(tài)電池的應用前景廣闊。”

一場攻關“馬拉松”

作為下一代電池技術的“明星”，固態(tài)電池賽道吸引到大量的真金白銀和技術投入。

在固態(tài)電池這條新賽道，不少企業(yè)立下“軍令狀”：比亞迪計劃2027年小批量生產硫化物全固態(tài)電池，并在2030年將其應用于主流電動車型;寧德時代擬于2027年達到小批量生產全固態(tài)電池水平;億緯鋰能計劃2026年取得工藝突破、2028年實現(xiàn)技術突破，推出400Wh/kg高比能全固態(tài)電池;國軒高科計劃2027年固態(tài)電池小批量上車實驗，2030年實現(xiàn)量產;長安汽車計劃在2030年推出液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)等8款自研電芯。

業(yè)內普遍認為，2030年或是固態(tài)電池產業(yè)化的關鍵節(jié)點。但是，目前固態(tài)電池離大規(guī)模商業(yè)化應用尚有一段差距。

從技術上看，固態(tài)電池的研發(fā)之路還面臨著不少挑戰(zhàn)。這場比新比強的技術競賽，更像是一場需要耐心與毅力的“馬拉松”。

與傳統(tǒng)電池的“固—液界面”相比，“固—固界面”的接觸性和穩(wěn)定性更差，離子傳輸效率相對較低，這是固態(tài)電池研發(fā)的首要技術難題。

“固態(tài)電解質之間有縫隙就是斷路狀態(tài)，所以怎么把電解質無縫隙地壓到一起，是我們要攻關的問題。”惠州億緯鋰能股份有限公司中央研究院常務副院長趙瑞瑞介紹。

不少企業(yè)選擇了一條過渡線路：半固態(tài)、凝膠態(tài)電池。這兩類電池保留了部分電解液，能夠改善界面接觸和電導率問題，而且結構與液態(tài)電池相仿，與企業(yè)現(xiàn)有產線的兼容度高。不過，趙瑞瑞團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)、凝膠態(tài)電池發(fā)熱現(xiàn)象增多，不得不犧牲電池的一部分性能。所以，發(fā)展固態(tài)電池仍然是主流趨勢。

按照電解質的不同，固態(tài)電池的技術路線可分為聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物等路線。出于多種考量，趙瑞瑞團隊把目光投向硫化物路線。

硫化氫是劇毒物。提起研發(fā)經歷，趙瑞瑞的語氣透露著一絲緊張。

做實驗前的第一件事，就是把硫化物電解質暴露在空氣中，測定硫化氫的含量。“為了判斷實驗環(huán)境是否安全，我們在每個房間內都安裝了3個以上的硫化氫監(jiān)測探頭，即使有一個出故障，其他兩個還能工作。”趙瑞瑞說，“每個人都全副武裝，穿戴好防護服、防毒面具，但還是有很大的心理壓力。”

經過反復嘗試，預實驗取得了一些成果，團隊逐漸掌握了硫化物電解質的特性，看到了固態(tài)電池研發(fā)的希望。

要讓固態(tài)電池走進千家萬戶，還需克服一個巨大障礙，那就是成本。中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心副研究員鞠江偉向記者介紹：“前期投入大，固態(tài)電池尚未形成規(guī)模，難以實現(xiàn)從原材料到制備流程的降本。不過，隨著材料體系、產線裝配逐漸成熟，未來固態(tài)電池成本會逐漸降下來。”

保持信心與耐心

在固態(tài)電池產業(yè)化不斷提速的同時，許多人好奇，中國的固態(tài)電池研發(fā)在全球競爭中處于何種水平?

從固態(tài)電池的研發(fā)歷史來看，日本、韓國和一些歐美國家起步相對較早，中國雖入局較晚，但在部分特定領域的技術專利上并不落后。鞠江偉分析，日本在前期材料的制備合成上研究比較成熟，因此在固態(tài)電解質材料方面有不少專利;而在中后期的制膜、疊片、組裝及設備開發(fā)方面，我國的專利布局比較系統(tǒng)，具有技術上的領先性。

國家知識產權局數(shù)據(jù)顯示，截至2023年5月，全球固態(tài)電池關鍵技術專利申請量為20798項，其中中國有7640項，占比達36.7%;2018—2023年，中國固態(tài)電池全球專利申請量年均增長20.8%，增速位列全球第一，中國企業(yè)和科研機構在研發(fā)競賽中展現(xiàn)出強勁勢頭。

作為未來技術高地，固態(tài)電池研發(fā)的全球競爭十分激烈：日本經濟產業(yè)省推出國家電池戰(zhàn)略，目標是在2030年左右實現(xiàn)固態(tài)電池的全面商業(yè)化;韓國擬通過固態(tài)電池打造第二個“漢江奇跡”;歐盟發(fā)布《電池戰(zhàn)略研究與創(chuàng)新議程》，將固態(tài)鋰電池確定為重點研究主題之一……

因此，中國要在這場競賽中贏得先機，還需多方主體共同發(fā)力。

“固態(tài)電池研發(fā)投入大，且短期內難以收到回報。從實驗室走向企業(yè)和市場的過程，需要國家給予政策支持，并引導龍頭企業(yè)加大研發(fā)力度。”鞠江偉表示。

近年來，國家政策密集出臺，行業(yè)所需已成政策所向：2020年10月，國務院辦公廳發(fā)布《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，首次將固態(tài)電池列入行業(yè)重點發(fā)展對象，并提出加快研發(fā)和產業(yè)化進程;2023年1月，工信部等六部門聯(lián)合發(fā)布《關于推動能源電子產業(yè)發(fā)展的指導意見》，提出加強固態(tài)電池標準體系研究;今年6月，工信部發(fā)布《2024年汽車標準化工作要點》，明確提出圍繞固態(tài)電池、電動汽車換電、車用人工智能等新領域，前瞻研究相應標準子體系，支撐新技術、新業(yè)態(tài)、新模式創(chuàng)新發(fā)展……

趙瑞瑞認為，在現(xiàn)有政策支持的基礎上，還應針對電池研發(fā)出臺一些規(guī)范或指導性意見，防止部分研究者急于求成，忽視必要的技術和安全條件盲目實驗。一旦釀成重大事故，將會打擊整個行業(yè)的研發(fā)積極性和市場的信心。

當前，固態(tài)電池還處在商業(yè)化的初級階段。面對激烈的技術競爭，中國的研究者們對固態(tài)電池的研發(fā)、量產和商業(yè)化保持著信心與耐心。提起研發(fā)經歷，趙瑞瑞說，她在項目規(guī)劃時會把任務分解成多個階段，一步一步來。“對固態(tài)電池這種特別難的項目，我們的每一步探索并不需要創(chuàng)造多大的經濟價值，只要和之前比，循環(huán)壽命、環(huán)境適應能力等指標有所突破，那就是值得的。”

“現(xiàn)在我們已經站在了潮頭浪尖上。我們希望通過全行業(yè)的努力，開拓更多的應用領域，為消費者帶來更多的便利，為社會創(chuàng)造更多的價值，讓中國企業(yè)在固態(tài)電池領域不斷創(chuàng)新、奮勇爭先。”孫立說。