全固態(tài)電池的正解，是氧化物？

硫化物只能做全固態(tài)，氧化物既能做半固態(tài)，也能做全固態(tài)。

眾所周知，作為“全村的希望”的全固態(tài)電池，從行業(yè)角度來說，目前的技術(shù)路線就三條，硫化物、氧化物、聚合物。

而且，硫化物技術(shù)路線是唯豐田馬首是瞻的，技術(shù)專利壁壘很高不說，還容易形成“羊群效應(yīng)”。這種情況有點像特斯拉的電動路線，雖然早期引領(lǐng)潮流，其實還是有點問題的，最后還得國內(nèi)自己來突破。

很有意思的是，作為一名曾深度參與豐田全固態(tài)電池項目的科學(xué)家，高翔博士在回國創(chuàng)立一家專攻全固態(tài)電池的企業(yè)太藍新能源（以下簡稱“太藍”）后，選擇了氧化物技術(shù)路線作為突破方向, 并在量產(chǎn)落地方面有了實質(zhì)性的進展。

那么，這條路線究竟能否打破“羊群效應(yīng)”呢？這次上海車展，有機會跟太藍創(chuàng)始人高翔博士做了一番深度溝通，對其全固態(tài)電池特立獨行的發(fā)展方向，有了全新的了解。

01、為什么要做固態(tài)電池？

從緣起來說，太藍新能源董事長兼CTO高翔博士的科研之路與固態(tài)電池緊密相連。2011年,高翔博士從中科院上海硅酸鹽研究所取得博士學(xué)位之后，前往日本進行博士后研究，很巧的是，豐田內(nèi)部正在推進一個產(chǎn)業(yè)化的固態(tài)電池項目，高翔博士由此從實際應(yīng)用層面切入，開始為汽車研發(fā)固態(tài)電池。

在豐田固態(tài)電池團隊做研發(fā)近4年后，他又前往美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）繼續(xù)博士后研究。作為全世界商用固態(tài)電池最早誕生的地方，ORNL為其提供了更廣闊的研發(fā)視野。2018年，高翔博士毅然回國創(chuàng)業(yè)，回國僅兩個月便獲得第一筆投資，并在浙江嘉興開啟全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)之路。后面的經(jīng)歷不再贅述。

那么，回到最初的問題，太藍新能源為何選擇全固態(tài)電池？

高翔博士解釋道，從本質(zhì)上看，常規(guī)液態(tài)鋰電池內(nèi)部因為含有大量易燃的液態(tài)電解質(zhì)和多孔有機隔膜，這些材料容易引發(fā)熱失控，而電池內(nèi)部的安全隱患，從根本來講都是材料方面的原因。

所以，太藍要做的就是用固態(tài)電解質(zhì)取代原有電解液和隔膜的作用，把可燃的、有機的材料變成不可燃的、無機的材料，把低硬度、低耐熱的有機隔膜變成高硬度、高耐熱的固態(tài)電解質(zhì)層，通過做固態(tài)電池，從根上解決安全問題。所以，固態(tài)電池叫“本質(zhì)安全”，就是把電池從本質(zhì)上做到安全。

此外，現(xiàn)有的電池，無法升級使用更高能量密度的正負極材料。因為受限于電解液的較窄的電化學(xué)穩(wěn)定窗口（就是在幾伏到幾伏的電壓窗口范圍內(nèi)電池是穩(wěn)定的），加上高比能的正負極材料一般都是高電壓材料，超過電化學(xué)窗口電池就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后就會有安全風險。

所以，高壓正極和鋰金屬負極在現(xiàn)有的液態(tài)電池里沒有辦法真正得到穩(wěn)定使用。但如果換成固態(tài)電解質(zhì)，它的電壓窗口寬了，就完全能夠覆蓋這種高比能的正負極材料。這樣，固態(tài)電池的能量密度也能進一步提升，總體兩個優(yōu)勢：一個是更加安全，一個是能量密度提升。

反過來講，液態(tài)電池之所以發(fā)展到了天花板，也是因為能量密度與安全之間的平衡到了極限。三元鋰到300+Wh/kg就已經(jīng)觸頂，磷酸鐵鋰180Wh/kg也接近極限，更高能量密度的正負極材料，它也無法使用。但固態(tài)電池，可以兼容絕大部分的正負極材料，能量密度提升的潛力很大。

當然，固態(tài)電池目前還存在一個繞不開的行業(yè)難題，就是固-固界面的阻抗問題。太藍新能源又是如何攻克的呢？

高翔博士表示，這是一個核心問題。固-固界面的阻抗問題是固態(tài)電池三大問題之首，也是最核心的問題。固態(tài)電池的界面問題、制造問題、成本問題三大問題，從技術(shù)角度來講界面問題是其中最難解決的問題。

太藍新能源的突破方向，是自己獨創(chuàng)的ISFD技術(shù)（原位亞微米工業(yè)制膜技術(shù)）。該技術(shù)包括材料和工藝方面，以及界面柔化材料和界面柔化技術(shù)。具體來講，是在固態(tài)電解質(zhì)層與正負極之間，利用一個亞微米級的柔化層，柔化層運用的材料相當于一個復(fù)合層，起到界面緩沖和優(yōu)化界面接觸的作用。

ISFD技術(shù)還包括極片復(fù)合技術(shù)，就是把固態(tài)電解質(zhì)與極片做成一體化，因為界面柔化層除了能讓離子高速通過之外，還相起到一個界面應(yīng)力緩沖和粘合劑的作用。

而通過把柔化層跟上下的極片層緊緊粘合在一塊，起到了強界面作用，這樣，固態(tài)電解質(zhì)跟正負極極片結(jié)合得就非常緊，從而解決了固態(tài)電池因反復(fù)膨脹收縮導(dǎo)致的“接觸失效”難題。

通過極片復(fù)合技術(shù)，太藍實現(xiàn)了“界面一體化”，一張極片上既有正/負極材料，也有固態(tài)電解質(zhì)層，做成一體后也解決了固-固界面問題。

此外，太藍還有自行設(shè)計開發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)入的工藝設(shè)備。也就是說，從工藝、材料配方，包括界面柔化性材料，固態(tài)電解質(zhì)材料的復(fù)合配方等等，均為獨立開發(fā)。所以，“ISFD技術(shù)整體上是一個先進技術(shù)體系，包括多方面的技術(shù)創(chuàng)新的有機整合。這是我們獨創(chuàng)的固態(tài)電池技術(shù)?！?/p>

02、為什么選擇氧化物？

前面也說過，包括豐田和國內(nèi)的多家企業(yè)在內(nèi)，全固態(tài)電池的技術(shù)路線選擇了硫化物。那么，為什么高翔博士之前參加豐田的項目是硫化物路線，而創(chuàng)辦太藍后走的卻是氧化物技術(shù)路線？他覺得哪個路線可能會走得更遠？

高翔博士的回答是，優(yōu)先選擇氧化物路線，主要是出于產(chǎn)業(yè)化落地考慮。一方面，因為他在早期就已經(jīng)看到很多硫化物的開發(fā)試錯，認為特別是在大規(guī)模應(yīng)用時各方面要求都很高的動力電池領(lǐng)域，硫化物路線的產(chǎn)業(yè)化周期可能會非常長。

更為直接的原因是，經(jīng)過長期研究和探索，高翔博士的團隊找到了一條可以成功的氧化物路線，就是后來獨創(chuàng)的ISFD技術(shù)（見上述）。

ISFD技術(shù)能把固態(tài)電解質(zhì)做薄，正負極離子充放電的時候，傳輸距離就短，充放電效率得以大幅提升。所以，基于ISFD技術(shù)，即便用氧化物也有望實現(xiàn)電池的高效循環(huán)。

此外，高翔博士介紹，太藍ISFD技術(shù)對不同體系都是兼容的，并不受限于具體的固態(tài)電解質(zhì)材料種類。而選擇氧化物的根本原因，不是只能做氧化物，是有另外的考量。

一句話，硫化物只能做全固態(tài)，氧化物既能做半固態(tài)，也能做全固態(tài)。這是核心要點。

原因在于，硫化物固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性較差，容易與半固態(tài)里的液態(tài)電解質(zhì)發(fā)生界面副反應(yīng)，影響電池的安全穩(wěn)定性和循環(huán)壽命?。而氧化物穩(wěn)定性非常好，所以既能做半固態(tài)也能做全固態(tài)。這里面有什么差別呢？

很簡單，全固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還比較遠，企業(yè)要存續(xù)就要有符合市場性價比需求的產(chǎn)品。太藍以氧化物路線做出半固態(tài)電池，就可以用在目前的存量市場。

而做規(guī)?；袌?，可以通過半固態(tài)產(chǎn)品快速上量、上規(guī)模，而且，能夠與全固態(tài)電池復(fù)用的固態(tài)電解質(zhì)、設(shè)備成本都能降低，至少能降很大一部分，再去做全固態(tài)電池量產(chǎn)的時候，成本就會得到有效控制。這可以說是氧化物體系的一個天然優(yōu)勢。

從設(shè)備角度來看，就更有實際意義。硫化物全固態(tài)電池也是需要全新的設(shè)備的（比如等靜壓設(shè)備）。而且，從材料端來看，在小規(guī)模量產(chǎn)時，包括研發(fā)成本硫化物就比氧化物成本高很多。比如，目前硫化物材料的市場價格是5,000萬元/噸左右，氧化物已經(jīng)降到了50萬/噸以內(nèi)，是硫化物的1%，材料成本差異很直觀。當然，不排除未來材料成本通過技術(shù)創(chuàng)新進一步降低。

那為什么這個圈子里這么多的人選擇做硫化物呢？“最大的原因，一方面是硫化物的高離子導(dǎo)電率確實是一個顯著優(yōu)勢；此外，在其他體系上，大部分企業(yè)還沒有找到更好的解決方案，把相對較低的離子電導(dǎo)的短板補齊。”

另外，高翔博士表示，“由于我國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)起步較晚，在這個領(lǐng)域有很強的國外專利壁壘，需要長期持續(xù)的研發(fā)投入和堅韌不拔的意志力，同時也需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游通力協(xié)作，才有機會開拓一條不同的路線。原始創(chuàng)新是很艱難的，從1到N的產(chǎn)業(yè)化更是一場長跑?！?/p>

這也是太藍ISFD技術(shù)的可貴之處。固態(tài)電池化學(xué)式的發(fā)明是鋰電產(chǎn)業(yè)的高光時刻，ISFD技術(shù)作為獨創(chuàng)，也是固態(tài)電池演進過程中的重要環(huán)節(jié)?！耙粋€很重要的原因是，我們在這些關(guān)鍵的核心技術(shù)和產(chǎn)品的戰(zhàn)略定位上一直很清晰。挖的足夠深，讓我們有幸探索到一條屬于自己的道路?！?/p>

03、核心的成本問題

那么，現(xiàn)在太藍研發(fā)的全固態(tài)電池成本大概能做到多少？固態(tài)成本的下降速度，或者說時間線是怎么樣的？還有，成本下降過程中的難點在哪里？這都是我很好奇的。

高翔博士表示，成本確實是客戶關(guān)心的核心焦點之一，在某些場景甚至是最核心的焦點。而太藍的策略是雙軌制，先實現(xiàn)半固態(tài)電池規(guī)模量產(chǎn)與應(yīng)用。半固態(tài)主要是做存量市場，比如已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；胰杂泻艽笤鲩L空間的動力電池、儲能電池市場；全固態(tài)電池會做增量市場，像新興市場的無人機、智能機器人等。

具體的成本方面，太藍半固態(tài)電池可以與液態(tài)電池進行性價比上的競爭，同等產(chǎn)能規(guī)模下成本都可以做到相當?shù)乃?，“這是太藍的一個巨大優(yōu)勢，這也是做固態(tài)電池的企業(yè)中少有的，能達到跟液態(tài)電池同臺競爭的半固態(tài)電池?！?/p>

太藍的半固態(tài)電池價格可以做低，是因為可以復(fù)用現(xiàn)有的液態(tài)電池產(chǎn)線設(shè)備，只有ISFD技術(shù)新引入的環(huán)節(jié)需要投入，并且成本和工藝已經(jīng)非常成熟，成本能控制到很低的水平。

當然，高翔博士講道，目前太藍在做的鋰金屬全固態(tài)電池，因為市場上鋰金屬本身還沒有批量化生產(chǎn)，所以，鋰金屬負極成本還比較高。不過，太藍推出的全固態(tài)電池BOM成本有望做到1元/Wh以內(nèi)。

接下來的量產(chǎn)階段，全固態(tài)電池的制造成本肯定是比現(xiàn)有的液態(tài)電池要高。目前全固態(tài)的量產(chǎn)設(shè)備、量產(chǎn)線等全世界還沒有能成熟匹配的，基本上還停留在小批量或中試線的水平。高翔博士認為，長期來看，只要規(guī)模上來、制造工藝成熟，無論是原材料成本還是制造成本都會隨之下降。

按照太藍的“4321”路線和“減材制造”理念，現(xiàn)有的液態(tài)電池是四大主材，正極、負極、隔膜、電解液，到太藍半固態(tài)電池取消有機隔膜和部分電解液，到第二代全固態(tài)電池，隔膜和電解液都被取消，最終達到的全固態(tài)電池形態(tài)是“無隔膜無負極全固態(tài)電池”，即負極材料也取消，只保留正極材料。

高翔博士預(yù)測，到無負極階段，全固態(tài)電池的成本會是現(xiàn)在液態(tài)電池BOM成本的一半不到，而且，關(guān)鍵在于，固態(tài)電池的能量密度是現(xiàn)有液態(tài)電池的2倍以上，所以，BOM的瓦時成本肯定比液態(tài)電池更便宜。當然，前提條件是制造成本能夠得到有效控制。

而說到全固態(tài)電池制造的難題，高翔博士表示要靠全產(chǎn)業(yè)鏈一起努力，“單靠行業(yè)的一兩家電芯企業(yè)沒有辦法完全獨自解決這個問題，必須靠全產(chǎn)業(yè)鏈當中做設(shè)備、工藝、材料的團隊大家一起共同推進。”

至于太藍的量產(chǎn)進度，去年4月份太藍發(fā)布720Wh/kg的全固態(tài)電池，目前還屬于樣機階段。今年底或者明年初，太藍新能源會實現(xiàn)全固態(tài)電池的示范裝車。

此外，明年會通過小批量試生產(chǎn)，在一些新興市場實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化閉環(huán)，率先實現(xiàn)應(yīng)用。而且，新興市場方面，太藍明年也會籌建百兆瓦時級別的生產(chǎn)線，2027年真正實現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)。

目前太藍的在建產(chǎn)能，則有重慶的2GWh，加上安徽淮南基地一期的3GWh（共10GWh，分2期），共5GWh。按照太藍和高翔博士的預(yù)估，今年和明年，通過自建產(chǎn)能和合作產(chǎn)能，達到10GWh產(chǎn)能的時候，年產(chǎn)值能突破70億元。

04、未來的份額問題

從行業(yè)共識來看，全固態(tài)電池的量產(chǎn)時間大致都在2027年，那么，未來能占到多大的市場份額？

高翔博士表示，多少份額，這是一個非常重要的問題，但目前沒有辦法給出一個非常清晰、非常準確的答案。“我覺得可以給一個這樣的預(yù)測，如果說2027年是示范裝車年，算是形成一個行業(yè)共識，說明我們在體系、在性能這些方面有了一個很好的基礎(chǔ)。”

而要想上規(guī)模，會面臨幾個問題，一個是性能的持續(xù)優(yōu)化，另一個關(guān)鍵問題是成本的降低。這里面，包括設(shè)備的問題，制造生產(chǎn)的問題，也就是通過規(guī)?；瘜崿F(xiàn)成本降低的問題。

“想讓全固態(tài)電池真的能實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，可能至少也要到2030年，全面實現(xiàn)應(yīng)用會在更長的時間范圍?！?如果想要能夠在汽車領(lǐng)域直接跟液態(tài)電池同臺PK，還需要整個行業(yè)一同去逐步攻克。

再加上，設(shè)備的研發(fā)、產(chǎn)線的開發(fā)，從一代產(chǎn)線到二代產(chǎn)線，再往下周期比較長。所以，“到時候，全固態(tài)電池是不是能夠直接降到液態(tài)電池的水平（現(xiàn)在0.3元/Wh），還是有一定挑戰(zhàn)性的?！?/p>

高翔博士認為，因為成本較高，2030年可能在一些高端的車型上會實現(xiàn)一部分市場化應(yīng)用。

畢竟，要在20~30萬元級這個細分領(lǐng)域應(yīng)用的話，全固態(tài)電池就要跟磷酸鐵鋰去PK價格。而且，這個過程當中，半固態(tài)電池也在發(fā)展，“現(xiàn)在的半固態(tài)電池的耐熱安全已經(jīng)能做到鋰金屬硫化物全固態(tài)電池的級別了，在已經(jīng)能夠解決客戶問題的時候，全固態(tài)電池是升級的選項而非唯一選擇。”

當然，全固態(tài)電池有個很大的優(yōu)勢是別的電池完全不具備的。

半固態(tài)電池的最大優(yōu)勢在于，相比液態(tài)電池它的安全性能夠做到顛覆性提升。不過，因為其中電解液無法很好的兼容更高比能的高壓正極和鋰金屬負極材料，其能量密度很難取得顛覆性突破，而全固態(tài)電池在安全和能量密度上都是有潛力取得顛覆性突破的。

所以，在那些需要高能量密度電池的場景，比如新興市場，全固態(tài)電池優(yōu)勢不可替代，比如像智能機器人的續(xù)航。再比如無人機市場，從低空經(jīng)濟來看，又是一個萬億級市場的潛力。

包括一些極限環(huán)境要求，比如高熱、高寒、深空、深海領(lǐng)域，高翔博士認為，那可能是全固態(tài)電池更能發(fā)力的市場，“因為在這些市場上它有不可替代性。所以，從前景上來講，我覺得全固態(tài)電池的應(yīng)用前景是很大的?！?/p>

05、固態(tài)電池能不能“登頂”？

其實，從業(yè)內(nèi)來說，固態(tài)電池能不能做成，一直是存疑的。一個核心問題是，固態(tài)的東西怎么來傳導(dǎo)這種能量？從物理的常識上來說的話，它是不是違反物理規(guī)律的？

高翔博士表示，能量存在的形式，有很多能量更高的是以固態(tài)形式存在，而鋰電池實際上也是化學(xué)能量，只是它叫電化學(xué)。所以，在當前多種儲能的形態(tài)當中，固態(tài)是最高、最濃縮的儲能方式。

而做固態(tài)鋰電池，大家想不通的可能是，鋰離子電池的離子在液態(tài)電解質(zhì)里面類似游泳的狀態(tài)，是有擴散的，但在固態(tài)電解質(zhì)里面鋰離子怎么能穿過一個固態(tài)到另外一個地方？其實，這就是固態(tài)電解質(zhì)的本征能力。

固態(tài)電池的傳輸原理，打個比方，固態(tài)電解質(zhì)就像一座山，中間被打了無數(shù)像火車隧道那樣的通道，鋰離子就可以像火車那樣穿梭進出。

對于這種“隧道效應(yīng)”，高翔博士舉了打臺球的一個例子，就是通過相互撞擊的形式來傳導(dǎo)。而我的理解是，這有點類似于物理學(xué)上的“牛頓擺”的撞擊球形式。左邊的球通過撞擊傳遞電荷能量，而右邊的球接受電荷能量后傳遞出去，中間是“電中性”的不動的固態(tài)電解質(zhì)。

能量的傳導(dǎo)，則是在正負極存在勢差的情況下，就是充放電的時候兩邊有電壓差，決定鋰離子的走向?！斑@就是材料很神奇的地方?！备呦璨┦靠偨Y(jié)道。

還有外界關(guān)心的一點是，全固態(tài)電池的循環(huán)次數(shù)能達到多少？高翔博士回答，“現(xiàn)在太藍已經(jīng)量產(chǎn)的半固態(tài)電池的循環(huán)次數(shù)，常溫下循環(huán)超過2500次。未來的全固態(tài)電池，有望達到萬次的水平，甚至更高?！?/p>

作者丨王小西

責編丨北 ? 岸

編輯丨王 ? 越