固态电池，能否挑战目前锂电池的地位?

时间：2023-06-14 17:29:07 来源: 科普中国网

根据新华社5月25日的报道，近期日本山梨大学与早稻田大学的研究团队在电池领域取得了一项最新的重大突破：他们共同合作开发出了一种新型的全固态空气蓄电池。

(相关资料图)

乍一听，这个名字格外的拗口和高深。但其实通俗来说，这种材料就是使用钙钛矿材料制造，电解质为固态，且不含任何液体的蓄电池。技术上，全固态空气蓄电池使用的仍是“空气电池”技术，利用空气中的氧气产生电流，也就更环保。

而这种新型的全固态空气电池与常见的普通空气电池有什么区别呢?

一、日本研制出全固态空气蓄电池，多国关注

【1】全固态空气蓄电池的问世

一般的普通空气电池也是利用了空气中的氧作为正极活性材料、金属作为负极活性材料，结合离子导电电解质而作用。但实际上在许多情况下，固态锂空气电池中的聚合物电解液是会出现液体泄漏、蒸发和着火等危险状况的。

但新型的全固态空气电池却是采用二羟基苯醌及其聚合物作为氧化还原物，将质子作为负极活性材料，质子导电聚合物薄膜来作为电解质，其中每个环节和每份材料都不含有水分，也就不会出现水分导致的性能下降和危险状况了。

更重要的是，新开发的全固态空气电池无论是寿命、能量和安全性都更优异于其它电池，且充电速度也更快，弯折状态下也能使用的特点使得它不仅仅适合用于电动汽车、家庭能源储备系统，以及航天器等大型设备，更是难得地适用在手机等小型电子设备上。

这种新型电池的用途广泛到简直是大杀四方，一旦实际使用能力得到确认，可以量化产生，或许将在未来的电池领域确定霸主地位。

【2】这类型全固态空气电池为何能饱受关注?

其实研究固态电池并非是什么新鲜“黑科技”了，且不说日本整个国家一直以来就在举全国之力研发，试图弯道超车中国，跳过三元锂电池和磷酸锂电池直接进入锂电池的终极形态——全固态，就说说世界上最早的固态电池也早就在1990年诞生在了美国的橡树岭国家实验室。

那为何此次日本研究团队的成功仍然能引起国内外专业人士如此之大的关注呢?原因无他，日本的这一研发很有突破性，且在未知条件下更具有威胁性。

由于当前披露的信息不够多，大家只知道此次研发的全固态空气电池避免了液态锂离子电池可能存在的泄露和燃烧风险。但不知道的是，如果日本用作电池负极的直接就是金属锂，而非现用的铜箔的话，那日本这一研发简直就很有可能在电池领域碾压多个国家。

因为金属锂容量高、电位低，所以金属锂用作负极的话可以提高近乎一半的能量密度。而能量密度一提高就能解决不少能量焦虑问题：比如，用户对于纯电车的里程担忧；大型航空器也能实现电力或者更加省油的油电模式。而这种金属锂直接做负极的电池能比当前性能最好、最受欢迎的三元锂电池能量密度高上足足一倍。

但为什么目前还没有哪个国家或地方机构能实现完全的百分之百的使用金属锂作为电池负极呢?因为金属锂虽然是最理想的负极材料，却在反复充电过程中有着因易粉化、溶解和沉积导致的循环性能差等致命毛病。要实现金属锂的理想性能，就势必要解决这一问题。

当然，日方是否解决了问题这一点核心机谜目前尚未有所披露，官方的论文中也只是称其尝试了分别用具有氧化还原活性的有机化合物2,5-二羟基-1,4-苯醌及该化合物的聚合物来用作负极活性物质，其他再未提起。

二、固态电池，能否挑战目前锂电池的地位?

【1】新型电池在电车上的应用有什么优势?

首先要讨论这一点，我们需要先了解的就是一旦全固态空气蓄电池用在电车上，带来的提升或者说进步能否达到惊人的效果。

当前主流的几大动力蓄磷酸铁锂和三元锂电池，而为了提升电池的性能，材料创新方面也有着很大的进步：钠离子电池、混合锂金属、无钴电池等等都有。几乎国内外的所有电池材料与工程学者都认为，未来电池的归宿就是全固态锂空气电池。而要实现这个最终归宿就是一步一步走，从液体锂电池到固态电池和锂硫电池，再到锂空气电池。

截止到2021年数据，中国的三元锂电池单体能量密度能实现280Wh/kg, 磷酸铁锂电池则是能达到170Wh/kg, 比十年前的能量密度提高了2倍多，成本却少了85%。

而在此基础上的推算，2025年的固态电池能量密度可达到700Wh/kg, 锂硫电池甚至可以达到2600Wh/kg。如若2030年的锂空气全固态电池能实现的话，能量密度可完成3500Wh/kg。这三个阶段的对比可不是一丁半点的进步，而是翻倍增加啊。

当然，目前日本已经开发出了半固态电池，并且量产上市。2022年5月，国内国轩高科等电池企业也纷纷发布了半固态电池，且其中的赣锋锂业甚至已经与东风汽车合作完成了电池车的制作并投入使用。但半固态电池仍存在隐患：半固态意味着仍有液体存在，高温之后也仍会出现沸腾现象。

所以，朝着锂空气全固态电池进发依然是全体行业人的目标。就日产当前已研发出的叠层软包全固态电池而言，已经可以将锂电池的能量密度提高一倍，充电速度提高三倍了，更别说成本。根据日产官网公布，到2028年，他们要将电池成本降到每千瓦时75美元，并且这不是最终的成本，在此基础上之后还要往下再降，直至与当时匹配的电动车型和燃油车型价平衡。

这一切都是因为，一旦锂空气全固态电池问世，将带给车企最充足的底气和资本。

【2】新型电池的优势会否带动锂电股价狂跌?

2021年，蔚来搭载了150kW 的固态电池的ET7 “硬件怪兽”上市之时，是引发了传统锂电池多股遭受冲击的。到了今年年初，各国电池企业的固态电池商业化趋势越发明朗，于是多家研发固态电池的上市公司股价直接涨到停板。

但是!固态电池股价被看好，并不意味着锂电产业的衰败和暴跌。只能说，明牌放上了桌，敢不敢跟暗牌还要看多家企业的竞争力度了。毕竟，固态电池尚未实现商业化和大规模量产，更别提还在蓝图之中的锂空气全固态了。

即使半固态电池规模化量产，预计对现有锂电产业也不会形成太大冲击。因为半固态电池本质上相较于锂电池而言并不算是颠覆性创新产品，它的组成与原理上仍然需要电解液和隔膜。在电解液环节上，所有的创新也都还只是改良版的物理形态改变而已，其中使用的溶质和技术也并没有多大改变。

至于全固态电池需要多久才能来到市场? 原本丰田曾表示，固态电池能否迎来未来还在于成本问题。但山梨大学oshimi Kubo教授和早稻田大学Takashi Goto教授的此次研究已经将全固态电池的雏形所变为现实，接下来的一步就是是否能解决金属锂的障碍了。

但是即使在未来解决了金属锂的问题，其在商业化上的广泛应用也仍需要时间。而这段时间以内，中国的电池企业也并不是在干坐枯等。

我国有可以对抗日本电池的东西吗?

正如前文所提到，中国的国轩高科、珈伟新能、天齐锂业、赣锋锂业等多家电池企业已经跻身国内固态电池龙头股。当然，看重未来也不代表直接放弃当下。除了固态电池以外，国内颇具优势的重点动力电池——三元锂和磷酸铁锂电池都占据主导领先地位。尤其宁德时代和比亚迪为首的众多中国产商，甚至是特斯拉、蔚来、小鹏和理想等汽车的主要供应商。

而在电池能源领域之外，我国也一直有在研究用来作为补充的其他电车动力能源——就如同近些年来一直被炒得比较火的“石墨烯电车”。基本上一提到电车，不管是两轮的还是四轮的，甚至哪怕是个三轮车，销售商都会来上一句“我们这是石墨烯电池，效率快，污染低”,恨不得给电车加上“超高科技”的Buff 和标签。

但事实上，此“石墨烯”非彼“石墨烯”。清华大学康飞宇教授所带领的团队确实一直以来便聚焦于研究石墨烯的深加工技术，但人家团队研究的是使用石墨烯来作为锂电池正极导电材料，而非直接添加进电池溶质中。虽然石墨烯的确能够提升电池的能量密度，但根据广汽研究院石墨烯应用研究创新工作站的实验，石墨烯提升的能量密度有限，仅能实现5%到10%而已，与工作人员们所预期和希冀的20%到30%大有不同。

于是，石墨烯材质被研究人员们采用为添加剂和催化剂，在加强散热和提升汽车电池功率密度上发挥了超大作用。

当然，“石墨烯电车”为假， "石墨烯+电池”为真，这并不意味着我国的新能源动力电池优势会被直接碾压，也不意味着我国没有机会再引领固态电池产业的发展势头。

我国固态电池起步最早的几家企业：宁德时代、辉能科技、赣锋锂业、卫蓝新能源、清陶新能源都非常重视这一类型电池，因为在新能源汽车备受欢迎的今天，一旦掌握固态电池并实现量产那简直就是可以直接“称王称霸”了。

宁德时代在2016年就已经开始了硫化物固态电池的研发，并且能实现30周循环依然能保持电池容量82%。而据官方发言，宁德时代预计将在2030年实现全固态电池的商业化和工程化。

但宁德时代这在普通人看来进展并不算弱的现况，对比起辉能科技、赣锋锂业、清陶新能源三家来已经算是落后那一位了：辉能科技早在2019年就与蔚来合作开启了“定制式”的固态电池包；赣锋锂业的第一代固态锂电池试生产线也早在2019年开始动工；清陶新能源已经在2018年量产出了第一批固态电池产品。

全固态电池

钾同阳奶

可以说，在电池技术革命的市场上，不仅中外国家间在竞争，国家内部的企业里也在竞争。摩根士丹利分析师亚当 ·约纳斯曾发布研究报告表示： “固态电池固然可以代表能源存储的未来，但事实证明，实现这一目标的道路比我们和市场预期的更困难，也更遥远。”

而鹿死谁手，只有时间知道。

参考资料：

日本山梨大学和早稻田大学合作的研究团队开发出全固态空气蓄电池，每日经济新闻

吴憩棠、安富强：锂离子蓄电池的未来发展方向，汽车与配件. 2011(05) 赵琚：全固态锂电池失效机理的原位电子显微学研究，燕山大学

赵宇龙、孙旭东：固态电池关键制造工艺综述，汽车工艺师.2022(07) 高驰：钠电池和固态电池，谁能更早迎来产业化?汽车与配件. 2023(03)

中国中车研制成功世界领先的大功率石墨烯超级电容，有色冶金节能.2016,32(01)

万传云、陈晓戈：锂离子电池用石墨烯改性硅负极材料的研究进展，应用技术学报.2022,22(04)

韩宏伟：石墨烯在锂离子电池领域研究现状的分析，青海科技. 2022,29(05)

尹丽梅、童海华：日产拟于2028年正式投产全固态电池行业巨头加速布局“理想电池”赛道，中国经营报

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