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為了追求新能源汽車的動力電池更安全，也為了實現對傳統(tǒng)燃油車的全面替代，許多企業(yè)和機構都在努力研發(fā)固態(tài)電池。然而，行業(yè)在這個領域，一直沒有取得全面突破。最近，國軒高科在深交所互動易平臺回應投資者問答時表示，公司研發(fā)的半固態(tài)電池今年將實現裝車。5月中旬，贛鋒鋰業(yè)披露的近期投資者關系活動記錄中也明確表示，今年預計逐步釋放2GWh產能的半固態(tài)電池是第一代產品，該款產品去年底已小批量生產，并在東風E70上進行了裝車試驗。

鋰電池的正極、負極充滿電解液，固態(tài)電池的電解質則是固體材料。中南大學教授、博士生導師張永柱告訴《中國汽車報》記者，半固態(tài)電池介于鋰電池與固態(tài)電池之間，是一個折中方案。那么，半固態(tài)電池何以成為折中之選呢？

國內半固態(tài)電池各有特色

國軒高科半固態(tài)電池即將裝車的信息迅速傳播，在業(yè)內又引發(fā)一番對固態(tài)電池產業(yè)化的熱烈討論。中國科學院物理所研究員李泓告訴記者，不止國軒高科，贛鋒鋰業(yè)、孚能科技、衛(wèi)藍新能源等國內多家企業(yè)都瞄準了半固態(tài)電池賽道，并且取得了一定的進展。

據介紹，贛鋒鋰業(yè)已建成0.3GWh混合固液鋰離子電池生產線，并具備批量化生產能力。該款電池第一代產品基于三元正極、柔性固態(tài)電解質膜和石墨負極，能量密度達到240～270Wh/kg。

贛鋒鋰業(yè)在半固態(tài)和固態(tài)電池上積極投入，今年4月新增年產7000噸金屬鋰項目，并且投資22億元建設高比能固態(tài)電池超薄鋰負極材料項目。贛鋒鋰業(yè)還在加緊第二代固態(tài)電池的研發(fā)，第二代產品將基于高鎳三元正極、含鋰負極，能量密度超過350Wh/kg，循環(huán)壽命接近4000次。

李泓是衛(wèi)藍新能源的首席科學家，對于該公司半固態(tài)電池的研發(fā)進展，他沒有回復記者的提問。據了解，衛(wèi)藍新能源的半固態(tài)電池將配裝在蔚來ET7上，其能量密度為360Wh/kg、循環(huán)壽命1000次，已通過車企及國標安全性測試，2022年該公司將實現2GWh的產能。

孚能科技的半固態(tài)電池能量密度為330Wh/kg，能夠實現2.2C快充，這款電池在2021年獲得美國汽車委員會的“優(yōu)秀團隊獎”，據稱樣品送給整車企業(yè)檢測獲得了良好反饋。

蜂巢能源的“果凍電池”采用凝膠電解質，與現有的大多數鋰電池用電解液有所不同，其具有高耐熱、自愈合的特點，通過160℃熱箱測試、針刺測試“不起火、不冒煙”，50次循環(huán)容量保持95％以上。據悉，2021年推出的第一代“果凍電池”能量密度為250～300Wh/kg，預計2023年達到300～350Wh/kg，2025年達到350～400Wh/kg。不過，凝膠電解質還不是半固態(tài)電池，蜂巢能源也在開發(fā)半固態(tài)電池，能量密度將達260Wh/kg，預計2024年可超過350Wh/kg。

李泓說：“國內企業(yè)推出的半固態(tài)電池各有特色，但有一個共同點，比現有鋰電池的能量密度有所提高，安全性也更好些。”

半固態(tài)電池有過渡空間

行業(yè)一般用5個指標衡量動力電池的優(yōu)劣，即能量密度、充電時間、循環(huán)次數、安全性能和成本價格。目前，固態(tài)電池還不能同時滿足這些指標的要求，但通過研究人員的努力，產品性能的提高已初露端倪。

張永柱說：“目前，固態(tài)電解質和電極之間的界面阻抗大、電解質可塑性差、循環(huán)壽命仍待提高等困難，阻礙著固態(tài)電池投入實際應用。有些固態(tài)電池在實驗室中的某些指標非常亮眼，比如硫化物固態(tài)電池的充放電性能甚至超過現有的鋰電池，但很難工程化，即實驗室做出一款綜合性很好的產品并不一定能量產。在這種情況下，研究人員設法發(fā)揮現有性能的長處，克服缺點、補齊短板，很自然地形成了半固態(tài)電池的思路。”

據介紹，研究人員發(fā)現了固態(tài)電池的安全性、能量密度和循環(huán)壽命三個指標具有較大的潛力可挖，如果能夠先加以利用，動力電池產業(yè)將可以邁上一個新的臺階。目前，半固態(tài)電池的能量密度達到275～290Wh/kg，與現有的三元鋰電池相比有較大幅度提高，循環(huán)壽命超過1000次，雖然不及磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數，但足以滿足新能源汽車的需求。

更重要的是，半固態(tài)電池的安全性也實現了大幅提升。現有鋰電池在大電流下工作容易出現鋰枝晶，從而刺破隔膜造成短路。鋰電池的電解液為有機液體，在高溫下容易氧化分解，從而產生加劇燃燒的傾向。半固態(tài)電池不采用有機液體，半固態(tài)電解質可大幅降低發(fā)生燃燒的風險。張永柱說：“動力電池安全性大幅提升，將為新能源汽車樹立口碑，增強消費者購買信心。”

多家鋰電池企業(yè)涉足半固態(tài)電池，除了性能指標的吸引力外，生產線兼容也是重要因素。記者了解到，半固態(tài)電池在生產裝配上與現有液態(tài)電池的設備超過80％可以兼容，20％不兼容的生產設備和工藝主要包括固態(tài)電解質膜引入、原位固化工藝、負極一體化工藝等，可以通過生產線改造完成。張永柱認為：“部分性能指標的利用潛力，不需要大規(guī)模建設新生產線，通過改造就能實現規(guī)?；?、自動化和高效量產，是近年來半固態(tài)電池快速發(fā)展的重要原因。”

原位固態(tài)化成為潮流

我們通俗地把介于鋰電池和固態(tài)電池之間的混合固液電池稱為半固態(tài)電池，按照電解質劃分，共有三種半固態(tài)。據李泓介紹，混合固液電池同時含有固態(tài)電解質和液體電解質，主要包括半固液電解質電池、準固態(tài)電解質電池、固態(tài)電解質電池，電芯中液體所占質量約為1～10wt％（1wt=10000PPm）。

李泓向記者解釋了半固態(tài)電池如何利用現有的鋰電池生產設備。混合固液電解質鋰電池可以在傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的基礎上，通過多種方式在電芯中引入部分固態(tài)電解質實現，具體方案包括在電極顆粒表面，包覆薄層固態(tài)電解質；在隔膜和電極孔隙中，添加固態(tài)電解質粉體或聚合物電解質；在濕法制極片過程中，液體電解質轉換為固體電解質；在電芯中注入電解液后，液態(tài)電解質通過化學方法轉化為固體電解質；液體電解質通過電化學反應，在電芯內原位轉化為固態(tài)電解質。

混合固液電解質電池的電解質，包括液態(tài)電解質、聚合物電解質、無機物電解質。李泓告訴記者，通過優(yōu)化設計，能夠平衡電池的綜合技術指標要求。相對于現有的液態(tài)鋰離子電池，混合固液電解質電池可以匹配更高電壓和容量的正負極材料。

衛(wèi)藍新能源脫胎于中科院物理研究所。目前，中國科學院物理研究所提出的“原位固態(tài)化”技術，在電芯中先通過注液保持電解質與電極材料良好的物理接觸，再通過化學或電化學反應原位將液體部分或全部轉化為固態(tài)電解質，綜合解決了固態(tài)電池中的高電壓、安全性、固固界面接觸、電極體積變化、鋰枝晶生長等問題。

李泓說：“基于原位固態(tài)化技術開發(fā)的車用混合固液電池，比能量達到360Wh/kg，循環(huán)壽命達到800次，110Ah電芯可順利通過針刺等安全性測試，2022年將批量生產和應用。”

此外，輝能科技提出了“混成固態(tài)”的概念。“混成固態(tài)”包括原位固態(tài)化、各類混合固液的電池體系、界面反應、離子輸運等，除輝能外，多家機構都在廣泛開展這方面的研究，“混成固態(tài)”成為較為活躍的研究方向。

“在固態(tài)鋰電池技術尚未完全突破的情況下，混合固液電解質電池兼容傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的大部分材料、設備和工藝，綜合平衡安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、高低溫性等綜合性能，將率先實現商業(yè)化，可以替代傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池。”李泓說。 

原標題：半固態(tài)電池何以成為折中之選