钜大LARGE | 点击量：478次 | 2023年03月08日
固态、锂硫、锂空气，下一代电池谁主沉浮？
2021年，我国三元电池、磷酸铁锂电池单体能量密度分别平均达到280Wh/kg、170Wh/kg，相比2012年，动力锂电池单体能量密度提高2.2倍，成本下降85%左右。纯电动乘用车的平均续驶里程也从2016年的253公里提高到2021年的400公里以上。
能量密度提升，成本下降，车辆续驶里程提升，这是过去多年我国动力锂电池技术持续不断突破创新的结果。
我们看到，动力锂电池的结构创新层出不穷，CTP技术、CTC技术、CTB技术，比亚迪刀片电池、CATL麒麟电池、上汽魔方电池电池工程师们在方寸之间用尽巧思努力将电池的集成度、体积能量密度进一步拔高。
和此同时，动力锂电池的材料创新也有了不少成果，包括CATL的钠离子电池、M3P电池，麻省固能（SES）的混合锂金属电池，蜂巢的无钴电池，广汽的海绵硅负极片电池，以及不少公司正在研发的半固态和固态电池等等。
而材料体系的创新是电池性能提升的关键。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
根据我国工程院院士吴锋的说法，当前，电池正极材料正在向无镍、无钴和低应变稳定结构发展，而负极则走向纳米化、复合化、自修复和天然化。
在电解质方面，液态电解质正向混合固液电解质发展，未来终极形态是全固态电解质。
当前行业较高的水平是，磷酸铁锂电池单体能量密度做到210Wh/kg，高镍三元电池单体能量密度做到300Wh/kg，已经逼近能量密度理论天花板。
我国科学院院士欧阳明高表示，未来我国动力锂电池创新要从电池结构创新逐步发展到材料体系创新。他预测，未来十年，电池体系还将经历三次技术变革，2035年前实现规模生产量量密度为500Wh/kg的下一代电池。
加拿大皇家工程院院士、福州大学材料科学和工程学院院长张久俊认为，未来能量密度能达到≥500Wh/kg的锂电池，重要有三种：锂硫电池、锂空气电池、锂二氧化碳电池。
他对下一代锂电池发展路线作出了这样的判断：现在是磷酸铁锂和三元锂电池，2022-2025年是固态电池和锂硫电池，2025-2030年要做锂空气电池。
相比目前的磷酸铁锂和三元锂电池，下一代电池的理论能量密度有数倍的提升：固态电池可达700Wh/kg，锂硫电池可达2600Wh/kg，锂空气电池可达3500Wh/kg。
当前，半固态电池已经量产上车，全固态电池的规模化上车估计要到2025年之后，甚至2030年；
锂硫电池已经在电动飞机、无人机上初步实现搭载，处于产业化前夕；
锂空气电池尚处于实验室研发阶段，比如日本研发人员已经研发出能量密度为500Wh/kg的锂空气电池。
半固态电池量产上车，全固态电池还遥远
欧阳明高指出，在技术创新方面，全固态电池最值得重视。
固态电池的能量密度能轻松做到300-400Wh/kg，理论上的能量密度可达700Wh/kg。
按照电解质来分，可将固态电池技术路径分为：聚合物、氧化物、硫化物。三种技术路线各有优缺点，目前氧化物固态电解质的发展最快，其次是硫化物电解质，氧化物的综合发展性较为均衡。
日本和韩国重要押注硫化物路线。我国电池公司中，卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业等走的是氧化物路线，CATL走的是硫化物路线。
全世界拥有硫化物全固态电池专利数量最多的公司是丰田，它计划2025年实现全固态电池的车辆前装，2030年实现批量生产。韩国的LG新能源和SKOn目标也是在2030年左右开始大规模生产全固态电磁。
我国公司的半固态电池已经有了阶段性研发成果。
今年一月，东风汽车和赣锋锂业合作开发的首批50辆东风-赣锋高比能固态电池车完成交付，投入运营。说是固态，其实准确来说是半固态。作为赣锋锂业第一代固态电池，其能量密度约为260Wh/kg，公司第二代固态电池，能量密度将达到360Wh/kg。
今年五月，国轩高科公布了一款半固态电池，能量密度达到360Wh/kg，将在今年年底量产上车。这款电芯，正极材料颗粒表面包覆有固态电解质，同时使用高安全的液态电解质、新型高安全功能隔膜及硅负极。此外，其400Wh/Kg的三元半固态电池目前已有原型样品。
卫蓝新能源开发出的混合固液电解质电池将搭载于蔚来ET7上，单体能量密度为360Wh/kg，电池包容量达150kWh。车型单次充电续航1000公里，将于今年第四季度开始交付。
孚能科技的半固态电池产品已经进入产业化，应用了高比能硅碳复合材料作为电池负极材料，能量密度达到330Wh/kg。
目前来看，2022年会是半固态电池量产上车元年，而业内公认的全固态电池的产业化时间应该是在2025年之后，甚至在2030年。
蜂巢能源在国内率先完成20Ah级硫系全固态原型电芯的研发。该系列电芯能量密度大于350Wh/kg，顺利通过针刺、200℃热箱等实验。
今年八月五日，汽车商业评论参观无锡蜂巢能源全球锂电创新中心全固态实验室，现场播放的视频显示，实验人员将一个软包固态电池电芯拿在手里，剪开一角，用火烧，完全没有任何起火冒烟现象，再剪一刀继续烧，仍然没有任何异常反应。
目前蜂巢能源的全固态实验室已具备固态电解质材料的公斤级自主合成、固态电解质膜持续化制备、全固态软包电芯组装以及新设备开发等自主研发能力，已申请109项专利，其中发明专利93项。
中科院物理研究所研究员、卫蓝新能源创始人李泓在2022世界动力锂电池大会上表示，按照目前的发展速度，全固态电池最快在2026~2027年才能达到10GWh的量产标准。
他称，目前全固态电池的无机固态电解质和原料还没有形成确定的体系，也没有形成中试以上的供应链。
相比之下，日韩已经展开了上游固态电解质的生产布局。
2021年十月，日本三井金属宣布建成年产10吨级的硫化物固态电解质材料生产线。这是世界上第一条硫化物固态电解质材料的吨级生产线。
今年三月，三星SDI宣布开始建设世界第一条全固态电池生产线。韩国浦项制铁公司为其配套建设年产量24吨级的硫化物材料生产线。
锂硫电池产业化可期
今年三月，德国锂硫电池初创公司Theion宣布其产品水晶电池即将面市。
Theion将硫的晶体材料特性和碳纳米管和特制的固体电解质相结合，该项技术生产的水晶电池和传统的锂电池相比，能量密度和续航时间新增了3倍，整体成本下降了大约1/3。不过，水晶电池的循环次数（500次左右）还远低于当前三元锂电池和磷酸铁锂电池。
这是Theion的第一代商用锂硫电池，能量密度达到500Wh/kg。该公司的目标是：2023年，把第二代技术将锂硫电池的能量密度提高到700Wh/kg；2024年，将第三代能量密度高达1000Wh/kg的锂硫电池用于电动汽车。
锂硫电池是以硫元素作为电池正极,锂作为负极的一种锂电池。它的反应机理不同于锂电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。
单质硫在地球中储量丰富，价格低廉，环境友好。锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg。人们对其的研究自20世纪70年代就开始了。
在2022世界动力锂电池大会上，加拿大皇家工程院院士、福州大学材料科学和工程学院院长张久俊指出，锂硫电池的重要问题就是正极硫的导电性较差，充放电过程中体积膨胀比较大，穿梭效应比较明显，还有就是锂负极的安全性问题等。重要的改良策略是在硫正极、隔膜、电解质等几个方面。
目前，锂硫电池已经开始了初步的产业化。
2021年四月，英国OxisEnergy公司推出用于电动飞机的高性能固态锂硫电池。其第一代准固态锂硫电池单体比能量达到450Wh/kg。据公司初步推测，2023年秋，固态锂硫电池相关性能指标可提高到550Wh/kg，2026年可提高到600Wh/kg。
不过就在当年，OxisEnergy就被传濒临破产、专利被、。作为全球较早涉足锂硫电池领域的技术公司，OxisEnergy的处境也说明了锂硫电池的商用化之路并不好走。
2021年，LG新能源电动汽车开发中心负责人崔胜东(ChoiSeung-don)透露，公司计划在2025年年底实现锂硫电池商业化，并在2025年至2027年间实现全固态电池商业化，锂硫电池可能比全固态电池更早实现商业化。此前，LG新能源的锂硫电池已经装配无人机进行性能测试，能量密度410Wh/kg。
国内也有不少高校、科研院所、公司在进行锂硫电池的产品研发及产业化初探工作，包括中科院、上海大学、陕西国能新材料公司、南京骊电新能源公司、江苏合志新能源公司、锋锂新能源材料公司等。
我国工程院院士吴锋透露：北理工科研团队通过构筑反应、强化界面、抑制枝晶生长等对策，研发出的锂硫电池能量密度达到651Wh/kg。这项高性能锂硫电池催化材料方面的研究成果今年四月刊登在材料类国际期刊《先进材料》上。
可以看出，尽管锂硫电池技术还存在一些待破解的难题，但已初步成熟，产业化可期。
