25000次循環(huán)壽命！北大科學(xué)家固態(tài)電池新突破，實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)快充

新型全固態(tài)鋰硫電池技術(shù)取得突破，有望實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)快充與萬(wàn)次循環(huán)充電，成為解決電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航焦慮的新希望。國(guó)內(nèi)外車(chē)企與供應(yīng)鏈公司紛紛布局，固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間集中在2027年前后，汽車(chē)行業(yè)將迎來(lái)大變動(dòng)。

新型全固態(tài)鋰硫電池”

作者｜劉雅杰

編輯｜秦章勇

兄弟們，馬上春節(jié)假期，一個(gè)老生常談的話題——電動(dòng)車(chē)又變成“電動(dòng)爹”了。

比如電車(chē)在高速組團(tuán)趴窩、排隊(duì)3小時(shí)還充不上15分鐘…這些場(chǎng)景一出來(lái)，想必在座的各位電動(dòng)車(chē)主們心態(tài)都要崩了。

為了撕掉“電動(dòng)爹”標(biāo)簽，固態(tài)電池成了全村的希望，不過(guò)這條路遠(yuǎn)比想象中艱辛，全球范圍內(nèi)，最初信心滿(mǎn)滿(mǎn)的公司也紛紛跳票，固態(tài)電池上車(chē)的時(shí)間也一拖再拖。

就在最近，我國(guó)科學(xué)家在固態(tài)電池方面取得了新的突破。

北京大學(xué)的龐全全團(tuán)隊(duì)，開(kāi)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(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)快充和萬(wàn)次循環(huán)充電，最新學(xué)術(shù)論文已經(jīng)發(fā)表在了《Nature》上。

其技術(shù)路線實(shí)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(dòng)力電池，提供了一套新的技術(shù)方案。

01

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(lái)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(fù)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(dá)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(fù)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(huì)造成固態(tài)電解質(zhì)過(guò)度副反應(yīng)，充電時(shí)不會(huì)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(dòng)力學(xué)緩慢，造成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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了系列新型玻璃相硫化物L(fēng)BPSI電解質(zhì)材料，該類(lèi)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(dǎo)體，而且本身含有氧化還原反應(yīng)速度超快的碘，對(duì)硫的固固轉(zhuǎn)化反應(yīng)起到氧化還原介導(dǎo)的作用，從而激活原本難以進(jìn)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(diǎn)的密度，實(shí)現(xiàn)快速固固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

團(tuán)隊(duì)利用飛行時(shí)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(dǎo)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(jì)算，下同）；即使以20C超高倍率充電時(shí)，其容量仍可達(dá)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(duì)新能源汽車(chē)、低空飛行汽車(chē)等都有著深遠(yuǎn)影響。

02

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(dòng)力電池大會(huì)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(jìn)行表示的話，9代表可以上車(chē)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。”

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(lái)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(dāng)其暴露于空氣中就會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，同時(shí)伴隨著電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和電化學(xué)性能的損耗，硫化物電解質(zhì)的合成、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和后處理過(guò)程，都需要依賴(lài)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(dǎo)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(xué)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?zé)Y(jié)，否則會(huì)造成嚴(yán)重的界面化學(xué)副反應(yīng)。此外，有些氧化物電解質(zhì)還存在鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。

雖說(shuō)近兩年來(lái)，金屬鹵化物電解質(zhì)憑借不少優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注，但這種材料對(duì)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(yuǎn)超普通的液態(tài)電池，比如鋰硫化物的價(jià)格就是碳酸鋰的5到10倍。

除此之外，固態(tài)電池對(duì)生產(chǎn)環(huán)境與原材料純度的要求也很高，造成公司投資建設(shè)產(chǎn)業(yè)基地動(dòng)輒需要上百億元。這也意味著，公司想要達(dá)到回本盈利的目標(biāo)周期變長(zhǎng)。

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(guò)厚會(huì)下降全固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，同時(shí)也會(huì)提高電池的內(nèi)阻。相反，電池的性能則會(huì)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(jià)格也會(huì)水漲船高。在卷上加卷的新能源汽車(chē)行業(yè)，車(chē)賣(mài)得貴，等同于叫板價(jià)格戰(zhàn)，和市場(chǎng)反著干。

為了先自保，很多公司挑選分散風(fēng)險(xiǎn)，等盈利穩(wěn)定或形成規(guī)?；a(chǎn)之后，再考慮進(jìn)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(yù)計(jì)首先應(yīng)用在低空經(jīng)濟(jì)、高端電摩、高端船舶等對(duì)于價(jià)格相對(duì)不敏感的領(lǐng)域，未來(lái)隨著成本進(jìn)一步下降，再把全固態(tài)電池放在高端乘用車(chē)領(lǐng)域量產(chǎn)應(yīng)用。

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

03

量產(chǎn)時(shí)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(lái)看國(guó)內(nèi)，國(guó)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(kāi)始量產(chǎn)能量密度為400Wh/kg的全固態(tài)電池，2027年實(shí)現(xiàn)裝車(chē)量交付。

一汽則表示20Ah全固態(tài)樣品電芯已經(jīng)開(kāi)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(dá)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)駛里程高于1500公里，其全固態(tài)電池2026年投入定向運(yùn)營(yíng)，2027年批量上市。

廣汽目標(biāo)在2026年完成全固態(tài)電池開(kāi)發(fā)，目前能量密度高于350Wh/kg，150周循環(huán)后電池容量保持在90％以上。長(zhǎng)安計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)20Ah全固態(tài)樣品，能量密度350Wh/Kg，于2027年實(shí)現(xiàn)電芯容量60Ah，能量密度400Wh/Kg以上，并開(kāi)始裝車(chē)驗(yàn)證，2030年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車(chē)。

東風(fēng)汽車(chē)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(shí)代、清陶能源、孚能科技、欣旺達(dá)等供應(yīng)鏈公司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(xiàng)，計(jì)劃2025年年底完工。

去年12月，孚能科技在一次投資者活動(dòng)中介紹道，公司正在開(kāi)發(fā)一款基于氧化物/聚合物復(fù)合體系的全固態(tài)電池，采用鋰金屬負(fù)極和高鎳正極，能量密度可達(dá)500Wh/kg，電池工作壓力較低。電池計(jì)劃在2025年進(jìn)行放大驗(yàn)證，“全固態(tài)電池有望在2027年實(shí)現(xiàn)小批量量產(chǎn)裝車(chē)?！?/p>

華為也在去年11月公布了一項(xiàng)硫化物固態(tài)電解質(zhì)新專(zhuān)利，即“摻雜硫化物材料及其制備方法、鋰離子電池”。該專(zhuān)利解決了金屬鋰負(fù)極與硫化物電解質(zhì)界面的副反應(yīng)問(wèn)題，使得鋰離子電池具有較長(zhǎng)的使用年限。

國(guó)內(nèi)一片形勢(shì)大好，國(guó)外公司也不甘落后。

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

豐田汽車(chē)研發(fā)的高性能全固態(tài)電池僅需10分鐘即可充滿(mǎn)，續(xù)駛里程有望高于1200公里。已獲得日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的認(rèn)定，將于2026年進(jìn)行量產(chǎn)；現(xiàn)代將在2025年1月開(kāi)始生產(chǎn)全固態(tài)電池。

除本田、豐田、現(xiàn)代，日產(chǎn)、三星SDI等日韓公司的全固態(tài)電池也進(jìn)入了試制階段。

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

值得注意的是，不同于國(guó)內(nèi)外新能源汽車(chē)的發(fā)展差異，國(guó)內(nèi)外公司發(fā)布的全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間表相差不大，大多在2026-2030年之間。

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

參考鏈接：

http://www.mse.pku.edu.cn/info/1174/3752.htm

https://mp.weixin.qq.com/s/KyWwi-hlmIdwASnXzF_tzg