固态电池离我们还有多远

近日，一种“物美价廉”的锂电池固态电解质材料问世，这一新材料有望推进安全且具有更大能量密度提升空间的全固态锂电池商业化进程，让全固态锂电池“渐行渐近”。

中国科学技术大学马骋教授团队研发的一种新材料——氯化锆锂，克服了锂电池固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈。相关成果7月20日发表于《自然·通讯》。值得关注的是，该成果发布的第二天，锂电池板块“涨声”一片，飘红股票占比87%，A股19只“锂电池”股再创历史新高。投资者认为，这一重磅进展有可能是引爆“锂电池”板块的推手之一，而市场也对这种“物美价廉”的新材料充满期待。这种新型固态电解质材料有何独特优点？对于推进全固态锂电池商业化进程有何重要意义？

“鱼”与“熊掌”可以兼得

当前，传统商用锂电池自燃、爆炸的事故时有发生，严重威胁着人民群众的生命安全。“采用有机液态电解质的传统商用锂离子电池，具有体积小容量大、使用寿命长等优点，但其热失控之后容易起火，甚至引发爆炸。”马骋介绍，固态锂电池中的固态电解质，可以杜绝液态电解质带来的“易燃易爆”与漏液等问题，实现安全储能。

固态电解质是固态锂电池最核心的部件，但其生产成本和综合性能往往不可兼得，难以满足商业化需求。“虽然固态锂电池具有更高安全性，但其核心部件——固态电解质的原材料成本大多非常高，并且相当一部分性能很好的固态电解质对湿度的稳定性不佳，需要在露点不超过零下40摄氏度的环境下制备和储存，极大增加了生产成本。”马骋坦言，这为全固态电池的商业化带来巨大挑战。

生产成本和综合性能，这一对“鱼”与“熊掌”能否兼得？马骋团队设计并合成的新型氯化物固态电解质材料——氯化锆锂，成功将50微米厚度时的原材料成本降低至每平方米1.38美元，远远低于每平方米10美元这一确保全固态电池市场竞争力的阈值，而此前最廉价的氯化物固态电解质相对应的成本为每平方米23.05美元。

除此之外，氯化锆锂在露点高达零下15摄氏度的相对潮湿的气氛中仍能保持稳定，其合成和储存对环境的要求并不苛刻，相对来说容易制备，进一步降低了生产成本。

生产成本的降低，并不以牺牲性能为代价。“这一新成果最大的亮点，就是我们设计的材料在大幅降低规模化生产成本的同时，仍然在综合性能上有很强的竞争力。”马骋透露，在离子电导率、可变形性、与高电压正极的相容性等方面，氯化锆锂很好地集成了硫化物、氧化物固态电解质的优势；它和高镍三元正极组成的全固态电池的循环性能甚至已经可以比肩基于液态电解质的锂离子电池。

“全固态”将成颠覆者

当下主流的动力电池，无论是磷酸铁锂电池，还是三元锂离子电池，均是采用液态电解质的锂离子电池，不仅在安全问题存在“易燃易爆”的弊病，在能量密度上也基本达到了“天花板”。

目前，采用固态电解质的锂电池仍处于实验室阶段，尚未完成商业化量产。与传统商用锂离子电池相比，全固态电池最突出的优点就是安全性。马骋教授认为，在新能源电动汽车领域，全固态锂电池或许是安全问题的最终解决方案，将会成为锂电池行业的颠覆者。此外，全固态电池可以使用更高能量的正负极材料，电池构造也能提供更多“脑洞大开”的可能性。

然而，全固态锂电池虽然被科学界和产业界普遍看好，其商业化量产仍面临诸多重大障碍，比如需要寻找更加合适量产的固态电解质材料、固态电解质膜需要做得更薄等。马骋坦言，固态电解质材料只有在成本、性能上能够兼顾且有巨大优越性，才有全面替代液态电解质的可能；固态电解质膜主要用来传输锂离子，厚度做到10至40微米，在能量密度上才具备竞争力，这些重大障碍均非一朝一夕可以扫除。

马骋团队研发的新材料氯化锆锂，是首个基于四价阳离子的高性能氯化物固态电解质，它克服了生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈，并且在这两方面均具备显著优势，这在固态电解质中十分罕见，为全固态电池商业化扫清了一大障碍。

“需要特别说明的是，这一新材料也并不完美。”马骋介绍，氯化锆锂对于金属锂负极的稳定性不好，这一不足之处需要解决。目前，该团队正在试图提升氯化锆锂对金属锂的稳定性以及研发基于氯化锆锂的高能量密度软包电池，不断优化全固态锂电池性能。

动力革命“渐行渐近”

正掀起新一轮动力革命的全固态电池，是一种使用固体电极和固体电解质的电池，被誉为是电池技术的一个”终极目标”。目前，三星、丰田、大众等全球锂电池巨头均在布局固态电池，我国宁德时代、比亚迪、蔚来、国轩高科等企业也纷纷出手，抢占固态电池制高点。

2020年11月2日，国务院办公厅正式发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，明确提出实施电池技术突破行动，加快固态动力电池技术研发及产业化，首次将研发固态电池上升到了国家层面。最新发布的《安徽省新能源汽车产业发展行动计划（2021-2023）》提出，我省新能源汽车发展方向为纯电动为主、氢燃料示范、智能网联赋能，打造世界级新能源汽车和智能网联汽车产业集群，到2023年全省新能源汽车产量占全国比重10%以上。

今年年初，总部位于合肥的蔚来汽车宣布，该公司已完成研发一款150度固态电池，计划明年第4季度推出，从而将电动汽车续航里程提升至1000公里以上。国轩高科相关负责人则表示，他们正在进行固态电池相关的技术研究，计划两年内引入相关技术，并逐步实现迭代升级，生产高安全固态电池。此前，丰田一直被认为是最接近固态电池量产的企业，但丰田的固态电池还是停留在实验室阶段，量产最快也要2025年。而宁德时代的固态电池，据悉也要到2030年才会面向市场推出。业内人士认为，固态电池由于还存在一些现实的技术难关，无法同时达到“高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作”多重目标，真正走向商业化可能还要一段时日。

马骋团队研发的新材料氯化锆锂，让固态电解质原材料成本骤降，且综合性能显著，这无疑给整个锂电池行业打了一剂“强心针”。“我们正在与相关企业合作，共同推进固态电池的商业化。“马骋表示，相信随着科技的不断发展，各种技术障碍会一个个被清除，安全、稳定、充电快、续航长的全固态电池终将会“飞入寻常百姓家”。