4月28日上午，在于重慶舉辦的第十六屆國際電池技術(shù)交流會中，全球新能源電池龍頭寧德時代首席科學(xué)家吳凱在《車用全固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》演講中表示，全固態(tài)電池的成熟度指標(biāo)，若用1-9數(shù)字表示，寧德時代目前的成熟度在4的水平，目標(biāo)到2027年到7-8的水平。

“2027年，寧德時代全固態(tài)電池小批量生產(chǎn)機(jī)會很大，但受成本等因素制約，大規(guī)模生產(chǎn)尚不能實現(xiàn)。”吳凱表示。

今年以來，全固態(tài)電池不斷掀起熱議，而此次重慶國際電池技術(shù)交流會，也專門開設(shè)了全固態(tài)電池技術(shù)討論專場，會場中座無虛席，不少人席地而坐，足以顯示市場和公眾對這一嶄新電池技術(shù)的關(guān)注。

“十余年來，我國動力電池行業(yè)已在核心技術(shù)、市場規(guī)模、成本價格方面取得先發(fā)優(yōu)勢。但是我們也注意到消費者對動力電池還有更高的要求和期待，尋找高能量密度和高安全兼得的動力電池是我們的主要研發(fā)方向，也是一項長期的工作。在各條技術(shù)路線上，全固態(tài)電池具有巨大的潛力，是下一代動力電池重要發(fā)展方向。”在演講中，吳凱表示。

從國家層面上來看，中國、美國、日本、韓國、歐盟均出臺相關(guān)發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略，各國重兵投入，其本質(zhì)是希望能夠在全固態(tài)電池技術(shù)上率先取得突破，來改變目前動力電池的市場格局。

從產(chǎn)業(yè)鏈布局來看，上游基礎(chǔ)材料及設(shè)備，中游全固態(tài)電池研發(fā)和制造，下游應(yīng)用，我國企業(yè)參與的最多，產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)都很有熱情，但是我們也要清醒地看到，海外企業(yè)在全固態(tài)電池專利布局上具有一定優(yōu)勢，需要盡快迎頭趕上。

在吳凱看來，全固態(tài)電池之所以吸引了全世界的投入，其核心價值在于其能夠在安全底座保證的前提下較大幅度的提升能量密度，幫助動力電池在應(yīng)用中有明顯改善，而其他體系要達(dá)到這樣的效果比較困難。

據(jù)介紹，世界范圍內(nèi)的研究，對固態(tài)電池按照電解質(zhì)區(qū)分，主要是3個路線，聚合物、氧化物和硫化物。理想的電解質(zhì)需要擁有較好的離子電導(dǎo)率，對高電壓正極、鋰金屬負(fù)極有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性，并且制造安全和便捷，當(dāng)然也要兼顧成本的可負(fù)擔(dān)性。

吳凱認(rèn)為，目前來看，解決方案進(jìn)展比較快的硫化物路線，率先量產(chǎn)的可行性較大。但他也承認(rèn)，目前我們所研究的路線中，沒有一種電解質(zhì)十全十美，比如聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和氧化穩(wěn)定性都較差，氧化物電解質(zhì)太堅硬，會導(dǎo)致剛性界面接觸問題。硫化物電解質(zhì)容易與空氣中的水產(chǎn)生有毒氣體，制備工藝復(fù)雜且成本較高。當(dāng)然在各國科學(xué)家的努力下，各個路線都有一些針對性的技術(shù)出來。

全固態(tài)電池需要解決四大層面問題

今年1月，歐陽明高院士表示，全固態(tài)電池市占份額替代1%，就已具有突破性意義。

“我們也一直在向著這個方向努力。我們認(rèn)為要實現(xiàn)這個目標(biāo)，要率先解決四大問題。”吳凱說。

第一是固-固界面的問題。正極材料與電解質(zhì)之間固固界面接觸不充分，阻礙離子傳輸；負(fù)極在充放電過程體積膨脹大，導(dǎo)致固-固界面的動態(tài)損傷，難以修復(fù)，持續(xù)惡化固-固界面。這些都嚴(yán)重影響全固態(tài)電池的循環(huán)壽命和倍率性能。

第二是鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用問題，使用鋰金屬負(fù)極可以使全固態(tài)電池能量密度高的優(yōu)勢充分發(fā)揮。但是鋰金屬的高活性和其表面鈍化層的鋰離子擴(kuò)散能壘較高，會促進(jìn)鋰枝晶的形成，枝晶會引發(fā)短路并造成電池失效，我們需要充分了解固態(tài)枝晶形成與生長的機(jī)理，并加以克服。

第三是針對最有希望的硫化物電解質(zhì)路線，硫化物電解質(zhì)在空氣中不穩(wěn)定的主要原因是容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 電解質(zhì)在空氣中水分子的作用下會發(fā)生水解生成有毒的H2S氣體,在水解的過程中電解質(zhì)結(jié)構(gòu)還會發(fā)生坍塌, 離子電導(dǎo)率急劇下降。另外硫化物電解質(zhì)的合成成本問題，其原材料硫化鋰價格高，而制備這些原材料的特殊工藝也增加了成本負(fù)擔(dān)。這些都將是全固態(tài)電池推廣中的障礙。

第四是全固態(tài)電池的生產(chǎn)難題，極片制造工藝不成熟，濕法工藝的核心是粘接劑與溶劑選取，如果溶劑與電解質(zhì)化學(xué)不兼容，可能降低電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。干法工藝存在膜片分散性、均勻性挑戰(zhàn)。在電芯致密化成型過程中，電芯內(nèi)部存在孔隙缺陷，致密度低會降低固態(tài)電池性能發(fā)揮，極片邊緣受壓導(dǎo)致搭接短路等問題也需要解決。

寧德時代已經(jīng)建立10Ah級全固態(tài)電池驗證平臺，3年后真正量產(chǎn)

據(jù)吳凱介紹，寧德時代針對固態(tài)電池已經(jīng)有十余年的研發(fā)積累，目前我們組建了一支近千人的全固態(tài)電池研發(fā)團(tuán)隊，也取得了一些進(jìn)展和經(jīng)驗。

針對正極的界面問題，寧德時代研發(fā)了單晶正極多層級全包覆技術(shù)，第一層無機(jī)氧化物包覆層可以抑制界面副反應(yīng)，第二層固體電解質(zhì)包覆層，提升界面離子擴(kuò)散。多層設(shè)計可以大幅提升界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，目前高面容三元正極克容量可達(dá)230mAh/g。我們還研發(fā)了多功能復(fù)合粘結(jié)劑，幫助穩(wěn)定極片導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。復(fù)合正極可以實現(xiàn)6000次循環(huán)。

針對鋰金屬負(fù)極使用時候的鋰枝晶問題，寧德時代認(rèn)為相變自填充技術(shù)是可行方案，相變介質(zhì)可通過改變其固/液物理狀態(tài)靈活修復(fù)固態(tài)電解質(zhì)缺陷，達(dá)到增強(qiáng)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，抑制鋰枝晶的效果，鋰金屬臨界電流密度有效提升至20mA/cm2。我們通過引入合金金屬改變界面層的親鋰性，可以誘導(dǎo)鋰金屬均勻沉積到表面。同時優(yōu)化鋰金屬負(fù)極的多相導(dǎo)鋰界面，構(gòu)筑界面離子傳輸“高速公路”，使鋰金屬負(fù)極循環(huán)平均庫倫效率>99.9%。

針對硫化物電解質(zhì)的環(huán)境穩(wěn)定性問題，寧德時代開發(fā)表面疏水層可逆包覆技術(shù)，實現(xiàn)高空氣穩(wěn)定性電解質(zhì)的制備，包覆后電解質(zhì)可在-40℃露點環(huán)境穩(wěn)定，包覆層還可以在電池制備過程中除掉，并且?guī)缀醪挥绊戨娊赓|(zhì)材料的性能。同時我們也在開發(fā)新型合成路線和低含鋰量材料，目前電解質(zhì)的價格，1公斤都在5萬以上，新的合成方案可以降低量產(chǎn)成本。

針對制造工藝的難點，寧德時代打通了干/濕法極片制備和電芯一體化成型工藝方案，創(chuàng)新了高柔性核殼結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑、纖維化過程量化控制技術(shù)、超薄電解質(zhì)轉(zhuǎn)印技術(shù)、等靜壓一體成型技術(shù)等，已經(jīng)建立10Ah級全固態(tài)電池驗證平臺。

“全固態(tài)電池的研發(fā)和量產(chǎn)是一項非常艱巨的工作，我們?yōu)榇艘彩羌哿烁鞣搅α浚瑥V泛的與產(chǎn)業(yè)鏈上的各方、高校等開展聯(lián)合攻關(guān)。從全固態(tài)電池的技術(shù)成熟度和制造成熟度來看，有望在未來3年逐步進(jìn)入成熟期，真正開啟量產(chǎn)化進(jìn)程。”吳凱說。

0到1的原創(chuàng)性創(chuàng)新

最后談到對全固態(tài)電池的思考時，吳凱表示，全固態(tài)電池是新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表。首先，具有革命性突破的技術(shù)創(chuàng)新是新質(zhì)生產(chǎn)力的內(nèi)在動力，全固態(tài)電池的研發(fā)不是1到2、2到3的漸進(jìn)性創(chuàng)新，而是0到1的原創(chuàng)性創(chuàng)新，原創(chuàng)性創(chuàng)新往往擁有很高的勢能，能夠開辟出新的賽道，并對產(chǎn)業(yè)全局產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

其次，生產(chǎn)要素創(chuàng)新性配置是催生新質(zhì)生產(chǎn)力的重要保障，全固態(tài)電池的研發(fā)和制造用傳統(tǒng)的研發(fā)試錯方法或者企業(yè)的封閉式的單打獨斗是行不通的，我們需要大量運用人工智能、大數(shù)據(jù)等手段，更廣泛地開展多種資源的協(xié)調(diào)、多條線路的協(xié)同和眾多團(tuán)隊的合作，將各類優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)要素能夠以更高的效率流向關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域，這樣才能夠進(jìn)一步加快科技創(chuàng)新效率。

最后，現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系是新質(zhì)生產(chǎn)力要素的產(chǎn)業(yè)載體。全固態(tài)電池為代表的新能源產(chǎn)業(yè)鏈，我們認(rèn)為應(yīng)該具備低碳、高效、高質(zhì)量、高附加值、強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)、自主可控、可持續(xù)等特征，將牢牢占據(jù)市場領(lǐng)先地位，成為汽車強(qiáng)國、制造強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國的重要支撐。