中國粉體網訊  2021年3月11-12日，由中國粉體網主辦的“第二屆高比能固態電池關鍵材料技術大會”在湖南長沙成功召開。期間，我們邀請到與會專家、學者做客“對話”欄目進行專訪。本期為您分享的人物專訪是來自中南大學冶金學院、加拿大NRC國立研究院的張永柱教授。

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張永柱教授

中國粉體網記者：張教授，首先請您介紹一下目前全球各國固態電池產業的布局情況？中國在固態電池的研發及產業化進程方面處于什么發展水平？

張教授：固態電池是電池產業的核心，未來突破產品安全性、能量密度和循環壽命性能方面，有潛力產生質的突破，因此日、韓、美、英等各個國家和全球知名企業紛紛布局，全力發展固態電池。

日本申請的專利數量居全球首位，產業化進程方面同樣領先于其他國家。日本針對全固態電池的研發主線，已經從最初的探索高性能的電解質材料，逐步轉移到解決諸如電芯的試制、制造工藝的開發、充放電循環壽命等課題之上。研究重點已經進入了根據不同的應用，嘗試正極材料和負極材料的適當組合，以及嘗試實現大規模量產的制造工藝開發的階段。

韓國研究固態電池的企業主要有三星SDI、LG和現代汽車等，其中三星、LG和SK創新選擇成立聯合基金共同開發固態電池。現代沒有參加以上的三家聯盟，而是選擇自主開發、與高校合作和外部投資的方式進入固態電池的產業鏈。在專利方面，韓國分布相對比較集中，三星SDI、LG和現代占比50%以上；在技術路徑方面均以硫化物電解質為主。

在能源部（DOE）科學基金的推動下，美國固態電池研究取得了重大進展；眾多初創公司，如Quantum Scape、SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials等，這些初創公司以其在固態電池技術的先進性，分別得到了寶馬、大眾、現代等汽車巨頭和多家風投基金的投資，確保了美國進入全球固態電池研究水平的前列。從技術路徑來看，初創公司以聚合物電解質和氧化物電解質為主，負極多采用鋰金屬。

國內企業不及日美韓等起步早，但隨著鋰電技術的發展，目前已經有越來越多的企業參與到了固態電池的研發和產業化過程中來。國內專利布局的企業包括江蘇清陶能源、比亞迪、桑頓新能源、贛鋒鋰業、北京衛藍、國軒高科、C公司等。此外，如珈偉股份、萬向、中電力神、鵬輝能源、橫店東磁等也都宣布涉足固態電池領域，但大部分企業仍處于規劃布局階段。

國內在固態電池生產及應用方面也取得了顯著的成績：

2020年7月29日，總投資55億，清陶宣布世界第一款10GWH固態電池在江西省宜春市投入量產。

據瀟湘晨報2020年11月12日報道，由浙江鋒鋰新能源科技有限公司投建，全球首條0.3GWH混合固液電解質鋰電池產線即將在寧波國家高新區試機投產。

2021年3月合眾旗下新能源汽車哪吒U正式上市，天際ME7樣車使用了固態電池，并將于2022年投入批量生產。

目前國外固態電池依然處在研發狀態，離產業化生產及商業化應用尚有一定的距離。

中國粉體網記者：在各種固態電解質材料體系中，您認為哪種的前景最廣闊？不同材料體系的固態電池量產，面臨著哪些難題？

張教授：

主要的技術路線有：

（1）聚合物路徑：2011年，Bolloré實現聚合物固態電池的裝車。Ionic Materials近期較受矚目，已獲得三星SDI、Dyson、萬向123等投資。國內如CATL、珈偉股份也取得一定進展。

（2）氧化物路徑：薄膜型以LiPON為電解質，受制于容量，主要應用于微型電子、消費電子領域；非薄膜型氧化物包括LLZO、LATP、LLTO等，國內如輝能、清陶、衛藍等企業有一定進展，并嘗試打開消費電子市場。

（3）硫化物路徑：由于硫化物潛力最大，鋰電巨頭（CATL、SDI、SKI、LG、松下）紛紛選擇以其為主要技術路徑。然而其開發難度最大，進展并不順利。投入最大的是豐田，早在2008年就開始研發，目前計劃于2022年推出固態電池車型，2025年實現量產。

固態電池的發展技術路線，從電解質的角度會從液態、半固態、固液混合，到固態，最后到全固態。負極會從石墨負極、硅碳負極，最后有可能到達金屬鋰負極，但目前無法確認。

由于各種技術路線依然處于研發階段，各有利弊，目前尚無法判斷，排序及定論其優劣。全固態鋰電池，由于技術(導電性能差，充電時間長)，經濟成本高，加工困難等原因，2025-2030年依然難以取代鋰離子電池市場。

中國粉體網記者：請問張教授，您認為，固態鋰電池大規模取代傳統的液態電池還需多久？在此之前，還需要克服哪些挑戰？

張教授：為什么有人說馬上量產，有人卻說需要10-20年？目前市面上宣傳的那些量產的“固態電池”，并不是全固態電池，而是一種“混合固液電解質鋰電池”系列(半固態電池)。半固態電池，通常是一側電極采用固態電解質，而另一側電極仍用液態電解質。嘗試半固態電池的，很多是出于快速商業應用的考慮，比如豐田將目標定于研發電車用的全固態電池，但也表示會從 “半固態電池” 開始逐步進入市場。而C公司所說的量產需要十年，指的是全固態電池，這是電池的終極目標。關于固態電池的具體量產時間，行業預計2025年半固態電池實現量產，全固態到2030年前后有一定突破。

一方面現在半固態電池的優勢主要在于安全性，能量密度和快充性能仍需要時間來研發突破。另一方面固態電池的上下游供應鏈尚未完全確定，大多仍沿用原先正負極供應商。同時全固態電池的技術，仍然有很多基礎科學問題尚未解決，量產時間會在半固態電池之后的5-15年。

要解決電池的能量密度問題，消滅里程焦慮，最后的方案是固態電池。雖然固態電池有很多優點，但是由于成本高、產能低，一直遲遲未得到普及。固態電池的商業化進程可能沒有大家想的那么快，2019年C公司就表示，正在進行全固態電池的研發工作，也制作出了樣品，但是要完全商品化還需要10年時間，也就是說離量產還很遠。每一次電池技術變革，都是一次產業大發展的機會。固態電池技術將持續進步，在不久的將來為新能源的發展書寫更輝煌的篇章。

全固態鋰電池，由于技術(導電性能差，充電時間長)，經濟成本高，加工困難等原因，2025-2030年依然難以取代鋰離子電池市場。

1) 固態鋰電池已進入全球加快布局和研發的階段，很多著名機構都在開發固態鋰電池。包括韓國三星、日本豐田和我國C公司在內的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態電池研發投入。

2) 長期使用時穩定性不理想也是長壽命儲能固態電池發展的瓶頸。固態電池在服役過程中結構與界面會隨時間發生退化，但退化對電池綜合性能的影響機制尚不明確，難以實現長效應用。

3) 只有從根本上解決了關鍵材料和界面問題，才能開展系統的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。目前，各種新技術“百家爭鳴”，一些固態電池技術有了最新突破。

4) 已有部分電池進入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術和工藝上的種種問題，發展固態電池的道路絕非一帆風順。

5) 對全固態電池來講，我們認為整個電池規模化制備裝備是亟待突破的，國內在這一塊還是有所欠缺的，這一塊我相信對很多設備企業是一個機遇。

總的來說，對于固態電池的研究，目前還是偏學術多一些，在產業化方面，因為一些關鍵技術涉及到各個企業核心技術而無法獲取，導致基于工程化應用方面的技術還是需要進行進一步探究。

中國粉體網記者：張教授，您是怎樣看未來固態電池的發展方向？

張教授：總而言之，世界正在努力達到碳中和(2060)及節能減排的要求，新能源電池市場將從GWH邁入TWH時代，未來產業界需要擴大原材料，市場需要擴大各種各樣的改良的液態鋰電池，半固態電池，以及全固態電池的生產，以便滿足不同層次市場客戶的需求。任何一種電池包括固態電池，不可能一統天下。

通過上述分析，產業界通常認為未來二十年，傳統液態電池包括半固態電池具有良好發展的產業結構和用戶應用市場基礎，依然會保持其市場的盟主地位。乘用車以三元材料及磷酸鐵鋰電池平分秋色為主，大巴及重型卡車朝著氫燃料電池方向發展。鋰電池的形狀將逐步過渡到以大容量的方型鋁殼和軟包為主，方便CTP形式的PACK無模組電源。以便減少重量，體積和成本，且大幅增加汽車的安全性能，提高能量密度和續航里程。

未來二十年固態電池新能源汽車市場發展趨勢：

2021-2025年是固態電池起步年，固態電池在產品及設備大型化，量產及降低成本方面，在開拓市場應用方面，在商業化運作方面還有許多大山要跨越。

2021-2025年滿足車用技術要求的固態電池小批量面世，部分主機廠會率先搭載應用研究；

2022年將成為固態電池元年，固態電池比能量達到290Wh/kg，接近高鎳三元體系，但安全性非常好，即2022年會開始小批量應用；

2022-2030年則進入市場培育期，電池能量密度從300Wh/kg達到400Wh/kg，屆時普通的純電動轎車的里程達到300-500公里，這期間固態電池會獲得一部分車用電池市場；

2035年步入市場成熟期，預計固態電池大規模產業化，單體電池比能量有望沖擊500Wh/Kg，常規的性價比車型應該可以達到500公里。固態電池占車用電池市場主流，和車用燃料電池共存。

中國粉體網記者：張教授，請問您目前的主要研究方向是什么？近年來，有哪些研究成果？

張教授：我本人海外團隊研發生產“混合固液電解質鋰電池”系列半固態聚合物大容量軟包電池，具有安全，體積小，重量輕，成本低，裝車簡單等優勢。主要的成果就是將材料，設備及生產線國產化了。試生產克服了工程及量產化方面的問題，目前處于尋找合作及商業化應用階段。中南大學校友們也有涉及鋰硫電池(李劼，賴延清，陳康華教授)，氧化物固態電池(陳偉東，比亞迪)方面的團隊。國內企業在固態電池產業化方面已經超過海外公司了。我們十分期待與國內外同行的專家學者和企業一起交流合作，共同推進新能源事業發展。謝謝大家的支持和鼓勵。

中國粉體網記者：感謝張教授接受我們的專訪。

（中國粉體網編輯整理/平安）

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