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為了追求新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池更安全，也為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)的全面替代，許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都在努力研發(fā)固態(tài)電池。然而，行業(yè)在這個(gè)領(lǐng)域，一直沒(méi)有取得全面突破。最近，國(guó)軒高科在深交所互動(dòng)易平臺(tái)回應(yīng)投資者問(wèn)答時(shí)表示，公司研發(fā)的半固態(tài)電池今年將實(shí)現(xiàn)裝車(chē)。5月中旬，贛鋒鋰業(yè)披露的近期投資者關(guān)系活動(dòng)記錄中也明確表示，今年預(yù)計(jì)逐步釋放2GWh產(chǎn)能的半固態(tài)電池是第一代產(chǎn)品，該款產(chǎn)品去年底已小批量生產(chǎn)，并在東風(fēng)E70上進(jìn)行了裝車(chē)試驗(yàn)。

鋰電池的正極、負(fù)極充滿電解液，固態(tài)電池的電解質(zhì)則是固體材料。中南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師張永柱告訴《中國(guó)汽車(chē)報(bào)》記者，半固態(tài)電池介于鋰電池與固態(tài)電池之間，是一個(gè)折中方案。那么，半固態(tài)電池何以成為折中之選呢？

國(guó)內(nèi)半固態(tài)電池各有特色

國(guó)軒高科半固態(tài)電池即將裝車(chē)的信息迅速傳播，在業(yè)內(nèi)又引發(fā)一番對(duì)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的熱烈討論。中國(guó)科學(xué)院物理所研究員李泓告訴記者，不止國(guó)軒高科，贛鋒鋰業(yè)、孚能科技、衛(wèi)藍(lán)新能源等國(guó)內(nèi)多家企業(yè)都瞄準(zhǔn)了半固態(tài)電池賽道，并且取得了一定的進(jìn)展。

據(jù)介紹，贛鋒鋰業(yè)已建成0.3GWh混合固液鋰離子電池生產(chǎn)線，并具備批量化生產(chǎn)能力。該款電池第一代產(chǎn)品基于三元正極、柔性固態(tài)電解質(zhì)膜和石墨負(fù)極，能量密度達(dá)到240～270Wh/kg。

贛鋒鋰業(yè)在半固態(tài)和固態(tài)電池上積極投入，今年4月新增年產(chǎn)7000噸金屬鋰項(xiàng)目，并且投資22億元建設(shè)高比能固態(tài)電池超薄鋰負(fù)極材料項(xiàng)目。贛鋒鋰業(yè)還在加緊第二代固態(tài)電池的研發(fā)，第二代產(chǎn)品將基于高鎳三元正極、含鋰負(fù)極，能量密度超過(guò)350Wh/kg，循環(huán)壽命接近4000次。

李泓是衛(wèi)藍(lán)新能源的首席科學(xué)家，對(duì)于該公司半固態(tài)電池的研發(fā)進(jìn)展，他沒(méi)有回復(fù)記者的提問(wèn)。據(jù)了解，衛(wèi)藍(lán)新能源的半固態(tài)電池將配裝在蔚來(lái)ET7上，其能量密度為360Wh/kg、循環(huán)壽命1000次，已通過(guò)車(chē)企及國(guó)標(biāo)安全性測(cè)試，2022年該公司將實(shí)現(xiàn)2GWh的產(chǎn)能。

孚能科技的半固態(tài)電池能量密度為330Wh/kg，能夠?qū)崿F(xiàn)2.2C快充，這款電池在2021年獲得美國(guó)汽車(chē)委員會(huì)的“優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)”，據(jù)稱樣品送給整車(chē)企業(yè)檢測(cè)獲得了良好反饋。

蜂巢能源的“果凍電池”采用凝膠電解質(zhì)，與現(xiàn)有的大多數(shù)鋰電池用電解液有所不同，其具有高耐熱、自愈合的特點(diǎn)，通過(guò)160℃熱箱測(cè)試、針刺測(cè)試“不起火、不冒煙”，50次循環(huán)容量保持95％以上。據(jù)悉，2021年推出的第一代“果凍電池”能量密度為250～300Wh/kg，預(yù)計(jì)2023年達(dá)到300～350Wh/kg，2025年達(dá)到350～400Wh/kg。不過(guò)，凝膠電解質(zhì)還不是半固態(tài)電池，蜂巢能源也在開(kāi)發(fā)半固態(tài)電池，能量密度將達(dá)260Wh/kg，預(yù)計(jì)2024年可超過(guò)350Wh/kg。

李泓說(shuō)：“國(guó)內(nèi)企業(yè)推出的半固態(tài)電池各有特色，但有一個(gè)共同點(diǎn)，比現(xiàn)有鋰電池的能量密度有所提高，安全性也更好些。”

半固態(tài)電池有過(guò)渡空間

行業(yè)一般用5個(gè)指標(biāo)衡量動(dòng)力電池的優(yōu)劣，即能量密度、充電時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、安全性能和成本價(jià)格。目前，固態(tài)電池還不能同時(shí)滿足這些指標(biāo)的要求，但通過(guò)研究人員的努力，產(chǎn)品性能的提高已初露端倪。

張永柱說(shuō)：“目前，固態(tài)電解質(zhì)和電極之間的界面阻抗大、電解質(zhì)可塑性差、循環(huán)壽命仍待提高等困難，阻礙著固態(tài)電池投入實(shí)際應(yīng)用。有些固態(tài)電池在實(shí)驗(yàn)室中的某些指標(biāo)非常亮眼，比如硫化物固態(tài)電池的充放電性能甚至超過(guò)現(xiàn)有的鋰電池，但很難工程化，即實(shí)驗(yàn)室做出一款綜合性很好的產(chǎn)品并不一定能量產(chǎn)。在這種情況下，研究人員設(shè)法發(fā)揮現(xiàn)有性能的長(zhǎng)處，克服缺點(diǎn)、補(bǔ)齊短板，很自然地形成了半固態(tài)電池的思路。”

據(jù)介紹，研究人員發(fā)現(xiàn)了固態(tài)電池的安全性、能量密度和循環(huán)壽命三個(gè)指標(biāo)具有較大的潛力可挖，如果能夠先加以利用，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)將可以邁上一個(gè)新的臺(tái)階。目前，半固態(tài)電池的能量密度達(dá)到275～290Wh/kg，與現(xiàn)有的三元鋰電池相比有較大幅度提高，循環(huán)壽命超過(guò)1000次，雖然不及磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)，但足以滿足新能源汽車(chē)的需求。

更重要的是，半固態(tài)電池的安全性也實(shí)現(xiàn)了大幅提升。現(xiàn)有鋰電池在大電流下工作容易出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜造成短路。鋰電池的電解液為有機(jī)液體，在高溫下容易氧化分解，從而產(chǎn)生加劇燃燒的傾向。半固態(tài)電池不采用有機(jī)液體，半固態(tài)電解質(zhì)可大幅降低發(fā)生燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。張永柱說(shuō)：“動(dòng)力電池安全性大幅提升，將為新能源汽車(chē)樹(shù)立口碑，增強(qiáng)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)信心。”

多家鋰電池企業(yè)涉足半固態(tài)電池，除了性能指標(biāo)的吸引力外，生產(chǎn)線兼容也是重要因素。記者了解到，半固態(tài)電池在生產(chǎn)裝配上與現(xiàn)有液態(tài)電池的設(shè)備超過(guò)80％可以兼容，20％不兼容的生產(chǎn)設(shè)備和工藝主要包括固態(tài)電解質(zhì)膜引入、原位固化工藝、負(fù)極一體化工藝等，可以通過(guò)生產(chǎn)線改造完成。張永柱認(rèn)為：“部分性能指標(biāo)的利用潛力，不需要大規(guī)模建設(shè)新生產(chǎn)線，通過(guò)改造就能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、自動(dòng)化和高效量產(chǎn)，是近年來(lái)半固態(tài)電池快速發(fā)展的重要原因。”

原位固態(tài)化成為潮流

我們通俗地把介于鋰電池和固態(tài)電池之間的混合固液電池稱為半固態(tài)電池，按照電解質(zhì)劃分，共有三種半固態(tài)。據(jù)李泓介紹，混合固液電池同時(shí)含有固態(tài)電解質(zhì)和液體電解質(zhì)，主要包括半固液電解質(zhì)電池、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)電池、固態(tài)電解質(zhì)電池，電芯中液體所占質(zhì)量約為1～10wt％（1wt=10000PPm）。

李泓向記者解釋了半固態(tài)電池如何利用現(xiàn)有的鋰電池生產(chǎn)設(shè)備?；旌瞎桃弘娊赓|(zhì)鋰電池可以在傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種方式在電芯中引入部分固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)，具體方案包括在電極顆粒表面，包覆薄層固態(tài)電解質(zhì)；在隔膜和電極孔隙中，添加固態(tài)電解質(zhì)粉體或聚合物電解質(zhì)；在濕法制極片過(guò)程中，液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)換為固體電解質(zhì)；在電芯中注入電解液后，液態(tài)電解質(zhì)通過(guò)化學(xué)方法轉(zhuǎn)化為固體電解質(zhì)；液體電解質(zhì)通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，在電芯內(nèi)原位轉(zhuǎn)化為固態(tài)電解質(zhì)。

混合固液電解質(zhì)電池的電解質(zhì)，包括液態(tài)電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)物電解質(zhì)。李泓告訴記者，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠平衡電池的綜合技術(shù)指標(biāo)要求。相對(duì)于現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池，混合固液電解質(zhì)電池可以匹配更高電壓和容量的正負(fù)極材料。

衛(wèi)藍(lán)新能源脫胎于中科院物理研究所。目前，中國(guó)科學(xué)院物理研究所提出的“原位固態(tài)化”技術(shù)，在電芯中先通過(guò)注液保持電解質(zhì)與電極材料良好的物理接觸，再通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)原位將液體部分或全部轉(zhuǎn)化為固態(tài)電解質(zhì)，綜合解決了固態(tài)電池中的高電壓、安全性、固固界面接觸、電極體積變化、鋰枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題。

李泓說(shuō)：“基于原位固態(tài)化技術(shù)開(kāi)發(fā)的車(chē)用混合固液電池，比能量達(dá)到360Wh/kg，循環(huán)壽命達(dá)到800次，110Ah電芯可順利通過(guò)針刺等安全性測(cè)試，2022年將批量生產(chǎn)和應(yīng)用。”

此外，輝能科技提出了“混成固態(tài)”的概念。“混成固態(tài)”包括原位固態(tài)化、各類混合固液的電池體系、界面反應(yīng)、離子輸運(yùn)等，除輝能外，多家機(jī)構(gòu)都在廣泛開(kāi)展這方面的研究，“混成固態(tài)”成為較為活躍的研究方向。

“在固態(tài)鋰電池技術(shù)尚未完全突破的情況下，混合固液電解質(zhì)電池兼容傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的大部分材料、設(shè)備和工藝，綜合平衡安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、高低溫性等綜合性能，將率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，可以替代傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池。”李泓說(shuō)。 

原標(biāo)題：半固態(tài)電池何以成為折中之選