【消費(fèi)電子實(shí)驗(yàn)室-2023/7/16】近日，日本東京工業(yè)大學(xué)特聘教授菅野了次等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功提高了全固態(tài)電池的快速充電性能和容量。該研究通過新開發(fā)基礎(chǔ)材料、重新研究制造工藝等方式得以實(shí)現(xiàn)，相關(guān)文章發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。

全固態(tài)電池是一種新型的電池類型。區(qū)別于其它電池，沒有液態(tài)電解液，而是采用聚合物、氧化物或硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)。全球固態(tài)電池還處于研究和開發(fā)階段，主要面臨的技術(shù)難點(diǎn)包括不使用電解液使得其離子導(dǎo)電率大幅降低，影響充電性能；固體電解質(zhì)之間接觸性差，內(nèi)阻較大等。

日本東京工業(yè)大的上述研究，利用高熵材料設(shè)計(jì)開發(fā)了一種高離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)，通過增加已知鋰快離子導(dǎo)體的成分復(fù)雜性，使得鋰離子電導(dǎo)率約為傳統(tǒng)材料的2.3-3.8倍，從而能縮短電池充電時(shí)間。這意味著，影響電池充電性能的指標(biāo)較當(dāng)前傳統(tǒng)電池相比最多可提高3.8倍，為目前全球最高水平。

此外，研究團(tuán)隊(duì)改良了制造工藝，負(fù)極采用鋰金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨，使得正極容量按單位電極面積計(jì)算較當(dāng)前提高1.8倍。試制的全固態(tài)電池每平方厘米電極的電池容量超過20毫安，這也是全球目前公布的最高水平。

電池容量是衡量電池性能的重要性能指標(biāo)之一，它表示在一定條件下電池放出的電量，通常以Ah為單位。電池的容量越大，其能量密度也越高。

能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小，也是電池性能的重要指標(biāo)。目前采用三元正極材料的鋰電池，能量密度最高為350 Wh/kg。

當(dāng)前動力電池市場上，液態(tài)鋰電池仍占據(jù)主導(dǎo)地位。中國科學(xué)院院士孫世剛曾表示，現(xiàn)有鋰電池的能量密度已接近理論極限。近十年來，液態(tài)鋰電池的能量密度已提升2-3倍。相較于液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池具有高能量密度、高安全性和長使用壽命等優(yōu)勢，被業(yè)界普遍認(rèn)為是下一代動力電池技術(shù)。

2022年，美國航空航天局（NASA）曾宣布，其所研發(fā)成功的固態(tài)電池的能量密度達(dá)到了500 Wh/kg；今年3月，小米宣布在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)在實(shí)驗(yàn)室中取得了三個(gè)進(jìn)展，將固態(tài)電池的能量密度突破了1000 Wh/L。

近年來，學(xué)術(shù)界涌現(xiàn)了一些固態(tài)電池的新成果，其中不乏中國科學(xué)家。

2021年，來自哈佛大學(xué)的華人教授李鑫與其學(xué)生葉露涵，研發(fā)的新型多層結(jié)構(gòu)鋰金屬固態(tài)電池，可重復(fù)使用1萬次，充電速度最快3分鐘。他們的研究論文于2021年5月發(fā)表在《自然》雜志上的相關(guān)論文介紹了這種新型固態(tài)電池的原理。

2022年，日本橫濱國立大學(xué)矢部內(nèi)尚明（Naoaki Yabuuchi）教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，研究出一種穩(wěn)定性極強(qiáng)的新型正極材料，并由此開發(fā)除了一種全固態(tài)電池。研究成果發(fā)表在《自然》刊物的子刊《自然材料》上。

據(jù)《光明日報(bào)》報(bào)道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授研設(shè)計(jì)并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰，其綜合性能與目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)，但成本不到后者的4%，適合進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該研究于今年6月27日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

在固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化道路上，日企較為激進(jìn)。今年6月初，豐田宣布固態(tài)電池商業(yè)化的最新規(guī)劃，最早到2027年，豐田就將向市場投放搭載固態(tài)電池的電動汽車，充電不到10分鐘即可行駛約1200公里。

日產(chǎn)計(jì)劃在2028年推出首款搭載固態(tài)電池的量產(chǎn)車型；本田規(guī)劃在2024年啟用固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，所生產(chǎn)的電池將用于2020年代后半期推出的車型，該生產(chǎn)線的投資將達(dá)到430億日元（約合21億元人民幣）。

目前，中國也有多家電池企業(yè)、整車企業(yè)以及科研院所等，紛紛布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游。但基于全固態(tài)電池的技術(shù)難度和高成本，中國企業(yè)大部分采取從半固態(tài)再到固態(tài)的漸進(jìn)式研發(fā)路線，目前公布進(jìn)展多集中在半固態(tài)電池上。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，A股市場上，布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的上市公司超過60家，以寧德時(shí)代(300750.SZ)、贛鋒鋰業(yè)(01772.HK)、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源等為代表，均已實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。

半固態(tài)電池是混合固液鋰電池，電芯中含有一部分的液態(tài)電解質(zhì)，含量占比在5%-10%左右。

衛(wèi)藍(lán)新能源今年7月初向蔚來汽車交付了首批半固態(tài)電池電芯，其能量密度為360 Wh/kg。

清陶能源在今年初披露，與上汽集團(tuán)合作研發(fā)的半固態(tài)電池年內(nèi)將應(yīng)用于上汽集團(tuán)自主品牌新款車型，續(xù)航里程在1000公里以上，并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù)，2022年中國固態(tài)電池出貨量約為0.4 GWh。

中郵證券表示，固態(tài)電池當(dāng)前處于起步階段，產(chǎn)業(yè)化仍需時(shí)間。預(yù)計(jì)2030年中國固態(tài)電池出貨量將達(dá)251.1 GWh，市場規(guī)模有望達(dá)200億元。