北京大學的龐全全團隊，開發(fā)了一種新型電解質(zhì)材料，造出的新型全固態(tài)鋰硫電池有望實現(xiàn)分鐘級快充和萬次循環(huán)充電，最新學術(shù)論文已經(jīng)發(fā)表在了《Nature》上。

其技術(shù)路線實現(xiàn)了快速固固反應(yīng)速率和高循環(huán)穩(wěn)定性，為發(fā)展高比能、高安全、低成本的下一代動力電池，提供了一套新的技術(shù)方案。

一、 固態(tài)電池技術(shù)新突破

熟悉這種新型固態(tài)電解質(zhì)材料前，我們先來了解一下液態(tài)電池、半固態(tài)電池和全固態(tài)電池的區(qū)別。

液態(tài)電池主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜四大主材組成。而半固態(tài)電池，顧名思義，就是介于液態(tài)電池和固態(tài)電池之間，帶有少量液態(tài)電解質(zhì)的電池。

全固態(tài)電池則是將液態(tài)電解質(zhì)換成固態(tài)電解質(zhì)的電池。相比于傳統(tǒng)的液態(tài)電池，其安全性和能量密度都更高。理論上，固態(tài)電池的能量密度可以達到液態(tài)電池的10多倍，充電速度也能提高數(shù)十倍。

基于硫正極和鋰負極的全固態(tài)鋰硫電池具有高比能量，且其適中的電位不會導致固態(tài)電解質(zhì)過度副反應(yīng)，充電時不會釋氧，有著更高的本征安全性。

然而，全固態(tài)鋰硫電池中的固固硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)，只能在固態(tài)電解質(zhì)、活性材料和碳之間的三相邊界發(fā)生，反應(yīng)動力學緩慢，導致電池的速率性能和循環(huán)壽命較差。

為了解決這一挑戰(zhàn)，龐全全團隊設(shè)計合成了系列新型玻璃相硫化物LBPSI電解質(zhì)材料，該類電解質(zhì)用于鋰硫電池中，不僅作為硫正極內(nèi)部的超離子導體，而且本身含有氧化還原反應(yīng)速度超快的碘，對硫的固固轉(zhuǎn)化反應(yīng)起到氧化還原介導的作用，從而激活原本難以進行的固態(tài)電解質(zhì)、硫化鋰兩相界面反應(yīng)，顯著增加了活性位點的密度，實現(xiàn)快速固固硫反應(yīng)動力學。

團隊利用飛行時間二次離子質(zhì)譜研究了電池中碘的氧化還原現(xiàn)象，證明了隨著電池的充電，正極內(nèi)部的碘單質(zhì)和三碘陰離子物種顯著增加，即氧化產(chǎn)物為碘單質(zhì)和三碘陰離子。

在放電后，與充電狀態(tài)相比，碘單質(zhì)和三碘陰離子物種的數(shù)量減少，表明可逆的碘氧化還原行為。

基于這種氧化還原介導策略，全固態(tài)鋰硫電池表現(xiàn)出超快的充電能力。電池在2C倍率下釋放出1497 mAh g?1的高比容量（以硫質(zhì)量計算，下同）；即使以20C超高倍率充電時，其容量仍可達到784 mA h g?1。

此外，原型電池在25 °C下，以5C倍率循環(huán)25000次后，仍具有80.2%的初始容量，具有絕佳的循環(huán)壽命。 這種電池技術(shù)一旦落地，對新能源汽車、低空飛行汽車等都有著深遠影響。

二、固態(tài)電池都有哪些技術(shù)路線？

在去年9月舉行的2024世界動力電池大會上，曾毓群就固態(tài)電池話題談到，“全固態(tài)電池的技術(shù)成熟度用從1-9進行表示的話，9代表可以上車生產(chǎn)階段，那么目前固態(tài)電池行業(yè)最高水平在4左右?！?/span>

為什么固態(tài)電池這么難？

按照電解質(zhì)區(qū)分，固態(tài)電池共有聚合物、氧化物（薄膜或非薄膜）、硫化物等三大技術(shù)路線。

而目前來看，每一種技術(shù)路線都有軟肋。

比如硫化物電解質(zhì)空氣穩(wěn)定性差，當其暴露于空氣中就會產(chǎn)生有毒氣體，同時伴隨著電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和電化學性能的衰減，硫化物電解質(zhì)的合成、儲存、運輸和后處理過程，都需要依賴惰性氣體或干燥室。

聚合物電解質(zhì)在室溫條件下，離子電導率較低，使得聚合物固態(tài)電池充電需要在高溫環(huán)境下完成，極大地限制了其商業(yè)化。

大多數(shù)氧化物電解質(zhì)，則具有較寬的電化學穩(wěn)定“窗口”和更好的氧化穩(wěn)定性，但為了保證剛性氧化物電解質(zhì)與陰極材料的界面良好接觸，往往需要高溫燒結(jié)，否則會導致嚴重的界面化學副反應(yīng)。此外，有些氧化物電解質(zhì)還存在鋰枝晶生長問題。

雖說近兩年來，金屬鹵化物電解質(zhì)憑借不少優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注，但這種材料對成本的投入要求特別高。

即便按照最普通的工藝，全固態(tài)電池的生產(chǎn)成本也遠超普通的液態(tài)電池，比如鋰硫化物的價格就是碳酸鋰的5到10倍。

除此之外，固態(tài)電池對生產(chǎn)環(huán)境與原材料純度的要求也很高，導致企業(yè)投資建設(shè)生產(chǎn)基地動輒需要上百億元。這也意味著，企業(yè)想要達到回本盈利的目標周期變長。

而且在固態(tài)電池的生產(chǎn)流程中，電解質(zhì)成膜工藝是關(guān)鍵一步。如果固體電解質(zhì)膜過厚會降低全固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，同時也會提高電池的內(nèi)阻。相反，電池的性能則會變差，還可能引起短路。

還有一種情況就是，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品價格也會水漲船高。在卷上加卷的新能源汽車行業(yè)，車賣得貴，等同于叫板價格戰(zhàn)，和市場反著干。

為了先自保，很多企業(yè)選擇分散風險，等盈利穩(wěn)定或形成規(guī)模化生產(chǎn)之后，再考慮進軍全固態(tài)電池的圈子。

孚能科技的規(guī)劃，就是固態(tài)電池預計首先應(yīng)用在低空經(jīng)濟、高端電摩、高端船舶等對于價格相對不敏感的領(lǐng)域，未來隨著成本進一步下降，再把全固態(tài)電池放在高端乘用車領(lǐng)域量產(chǎn)應(yīng)用。

為了不讓雞蛋在同一個籃子里打翻，寧德時代還研究出了鈉離子電池。雖然不是固態(tài)電池，但是這個鈉離子電池的性能也很強。寧德時代內(nèi)部聲稱，鈉離子電池未來可能取代超一半的磷酸鐵鋰電池市場份額。

三、量產(chǎn)時間集中在2027年

固態(tài)電池技術(shù)日拱一卒，落地也并非遙不可及。

先來看國內(nèi)，國家層面給出了真金白銀支持固態(tài)電池發(fā)展，其中上汽宣布將從2026年開始量產(chǎn)能量密度為400Wh/kg的全固態(tài)電池，2027年實現(xiàn)裝車量交付。

一汽則表示20Ah全固態(tài)樣品電芯已經(jīng)開發(fā)完畢，電芯能量密度可到375Wh/Kg，2027年小規(guī)模示范性量產(chǎn)。吉利自研的全固態(tài)電池能量密度達400Wh/kg，并完成了20Ah電芯的制備。

除此之外，奇瑞自研的固態(tài)電池，能量密度超600Wh/kg。充電5分鐘可增加續(xù)駛里程400公里，純電續(xù)駛里程超過1500公里，其全固態(tài)電池2026年投入定向運營，2027年批量上市。

廣汽目標在2026年完成全固態(tài)電池開發(fā)，目前能量密度超過350Wh/kg，150周循環(huán)后電池容量保持在90%以上。長安計劃在2025年實現(xiàn)20Ah全固態(tài)樣品，能量密度350Wh/Kg，于2027年實現(xiàn)電芯容量60Ah，能量密度400Wh/Kg以上，并開始裝車驗證，2030年實現(xiàn)量產(chǎn)裝車。

東風汽車也在去年9月透露，公司即將量產(chǎn)能量密度350Wh/kg的固態(tài)電池產(chǎn)品，并將加速自研能量密度突破550Wh/kg的下一代全固態(tài)電池。

此外，寧德時代、清陶能源、孚能科技、欣旺達等供應(yīng)鏈企業(yè)也在大力布局全固態(tài)電池。

清陶能源與上汽成立了合資公司上汽清陶，目前首條全固態(tài)電池產(chǎn)線已經(jīng)立項，計劃2025年年底完工。

去年12月，孚能科技在一次投資者活動中介紹道，公司正在開發(fā)一款基于氧化物/聚合物復合體系的全固態(tài)電池，采用鋰金屬負極和高鎳正極，能量密度可達500Wh/kg，電池工作壓力較低。電池計劃在2025年進行放大驗證，“全固態(tài)電池有望在2027年實現(xiàn)小批量量產(chǎn)裝車。”

華為也在去年11月公布了一項硫化物固態(tài)電解質(zhì)新專利，即“摻雜硫化物材料及其制備方法、鋰離子電池”。該專利解決了金屬鋰負極與硫化物電解質(zhì)界面的副反應(yīng)問題，使得鋰離子電池具有較長的使用壽命。

國內(nèi)一片形勢大好，國外企業(yè)也不甘落后。

近日，本田首次公開了全固態(tài)電池量產(chǎn)示范生產(chǎn)線，計劃于2025年1月開始試生產(chǎn)，并在今后幾年銷售的新車中搭載全固態(tài)電池，從而使電動汽車的續(xù)駛里程增加2倍。

豐田汽車研發(fā)的高性能全固態(tài)電池僅需10分鐘即可充滿，續(xù)駛里程有望超過1200公里。已獲得日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的認定，將于2026年進行量產(chǎn)；現(xiàn)代將在2025年1月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池。

除本田、豐田、現(xiàn)代，日產(chǎn)、三星SDI等日韓企業(yè)的全固態(tài)電池也進入了試制階段。

歐美車企也在積極布局這一領(lǐng)域，梅賽德斯-奔馳和Stellantis集團投資的美國固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)Factorial，近期也推出了全固態(tài)電池樣品，能量密度達450Wh/kg。

值得注意的是，不同于國內(nèi)外新能源汽車的發(fā)展差異，國內(nèi)外企業(yè)發(fā)布的全固態(tài)電池量產(chǎn)時間表相差不大，大多在2026-2030年之間。

從這個時間表我們還能得到一個信息，接下來的五年大概率就是固態(tài)電池的井噴期，新車是否裝載固態(tài)電池，也將成為左右銷量的關(guān)鍵，這也意味著，汽車行業(yè)將迎來一次大變動，新能源汽車的排位賽很有可能會再次打響。

本文源自：超電實驗室