固态电池新突破，清华团队解决两大难题，商业化何时到来？

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每经记者：朱成祥 张宝莲    每经编辑：陈俊杰
固态电池又迎来新突破。
9月25日，清华大学化学工程系发文称，张强团队合作在固态电池聚合物电解质研究领域取得进展。其成功开发出一种新型含氟聚醚电解质，为开发实用化的高安全性、高能量密度固态锂电池提供了新思路与技术支撑。相关成果9月24日在线发表于《自然》。
目前，全固态电池主要有硫化物、氧化物、聚合物和卤化物四种路线。当下主流为硫化物，而此次张强团队领衔研发的是聚合物电解质。
四种技术路线，哪种将率先实现商业化？
起点研究创始人、研究院院长李振强对《每日经济新闻》记者表示：“全固态电池当下还没有真正量产，厂家均以小试、中试为主。现在判断技术路线是比较困难的，也是不科学的。”
对于全固态电池量产存在的问题，真锂研究院院长墨柯认为：“技术开发上还有很多问题没有解决，更不必说量产。”
清华团队解决商业化两大难题

随着eVTOL（电动垂直起降飞行器）和人形机器人的发展，能量瓶颈愈发突出。业界亟需一种高能量密度、高安全需求的新型电池，这就是全固态电池。但全固态电池在技术开发及量产上仍存在诸多问题。其中，离子电导率和固固界面问题最为突出。
高工产研方面告诉记者：“固态电池核心问题是在保证一定离子电导率条件下材料接触的固固界面问题。”
而清华团队此次开发出来的新型电解质，既能解决离子电导率问题，也能解决固固界面问题。
当下，国内外主流厂商纷纷选在硫化物路线研发全固态电池，正是看中其离子电导率与液态电解质相差无几。不过，硫化物也存在不少问题，最突出的当属固固界面问题。
墨柯向记者解释了固固界面问题，其表示：“正负极的极片是固态，两者间夹的固态电解质也是固态。极片与电解质之间需严丝合缝，这样锂离子移动的通道就不会有障碍。假如固固界面之间存在缝隙，锂离子是无法在空气中传播的。只要存在缝隙，离子穿过的数量就将大受影响，锂电池的工作也会受到影响。”
“刚生产出来的固态电池可以严丝合缝，但电池内部存在温度变化，而电池材料难以同步收缩膨胀。经历多个循环后，固固界面肯定有缝隙。因此，解决固固界面非常困难。”墨柯说道。
此次清华团队使用原位聚合技术解决了固固界面问题。对此，墨柯称：“当固固界面出现缝隙，聚合物可以自生长，去填充固固界面存在的缝隙。”
值得一提的是，聚合物电解质虽然能够解决固固界面问题，但其离子电导率较低，这也将影响充放电速度以及锂电池各项性能。
清华团队的做法是，基于锂键化学原理，团队构建了独特的“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”配位结构，诱导形成具有高离子电导率的富阴离子溶剂化结构，进而在电极表面衍生出富含氟化物的稳定界面层，显著提升了界面稳定性。
硫化物存在巨大挑战

目前，主流厂商选择的是硫化物全固态路线。TrendForce集邦咨询分析师曾佑鹏告诉记者：“主流技术路线包括聚合物、氧化物、硫化物。硫化物技术路线最为热门，据TrendForce集邦咨询统计，全球已公布的固态电池研发技术路线中，约有37%选择此路线，尤其是日韩企业。”
对于硫化物存在的固固界面问题，也有厂商采取类似清华团队的做法，即使用原位聚合技术。
简单来说，就是制备一个硫化物与聚合物混合电解质的固态电池。其中，硫化物离子电导率较高，而聚合物可以填充固固界面的缝隙。如此一来，固固界面和离子电导率的问题都将得到解决。
不过，硫化物不仅存在技术上的挑战，还存在生产和价格上的挑战。
李振强表示：“硫化物最大的问题，是遇水反应生成硫化氢，而硫化氢是剧毒的。”

墨柯也进一步表示：“当下极片生产过程中，无法做到完全没有水分。正极、负极的粉末，与粘结剂混合在一起搅拌，然后再涂覆到铝箔、铜箔上，再烘干。此外，空气中也是有水分。”
价格上，根据高工锂电资料，作为硫化物固态电解质的关键前驱体，硫化锂占据电解质材料成本的77%至80%，当前市场价格高达300万元/吨至400万元/吨。
相比之下，电解液价格不足2万元/吨。可以看出，硫化物固态电解质价格高昂。
此外，李振强也表示：“全固态四种路线中，聚合物电解质是最成熟的。聚合物已经搞了很多年，而且在手机电池里也使用了很多年。而硫化物电解质是全新的产品，其供应链还不成熟。（硫化物）固态电解质，能够每个月吨级出货的都很少。”
不过，对于清华团队所使用的含氟聚醚电解质供应链是否成熟，其表示还需要进一步研究。
聚合物新突破的意义

固态电池之所以备受追捧，一是安全，二是续航。安全主要是固态电解质提供，而续航取决于能量密度。后者与正极、负极材料选择密切相关，特别是正极材料。
负极材料方面，为了追求能量密度，正在从石墨负极走向硅碳负极，远期将实现锂金属负极。而正极材料的选择则相对保守，很多厂商选择高镍三元。
事实上，富锂锰基作为正极，其能够实现的能量密度将大幅超越高镍三元。据了解，以富锂锰基层状氧化物作为正极材料的固态电池体系，展现出实现能量密度突破600瓦时每千克的潜力。
当前主流的硫化物电解质，适配富锂锰基较为困难。高工产研称：“目前还没有解决硫化物固态电解质适配富锂锰基正极材料。若解决，可以大幅度提升锂电池能量密度，降低锂电池成本，降低锂电池的资源压力。阻碍点在于，高电压平台的富锂锰基正极材料与硫化物存在高电压适配问题，低电压平台的富锂锰基存在电压降现象（导致锂电池循环寿命低），综合性能不及三元材料，适配意义低。”
高工产研认为：“电解质在兼容高电压正极和强还原性负极方面，目前仍不成熟，当前实验室仍以高镍三元+硅基负极材料为主。”
而清华方面称，研究团队在聚醚电解质中引入强吸电子含氟基团，显著提升了其耐高压性能，使其可匹配4.7V（伏）高电压富锂锰基正极，实现了单一电解质对高电压正极与金属锂负极的同步兼容。
也就是说，该电解质能够匹配能量密度非常高的正极材料富锂锰基和负极材料锂金属。
“现在固态电池不使用富锂锰基，是由于多方面原因，比如循环稳定性相对较差，没有适配高电压的电解质也是重要原因之一。”鑫椤资讯资深研究员龙志强表示。
商业化何时到来？

对于全固态电池的商业化是否已经到来，墨柯的回答是：“还早得很。硫化物技术还有很多需要解决的问题。如果用氧化物、聚合物电解质材料去做是可以的。但离子电导率太低，基本上实用价值很弱，正常的充放电速度达不到。”
关于商业化，李振强认为，由于电解质价格高昂，全固态电池将率先使用在低空飞行器、人形机器人等对能量密度、充放电倍率要求高的场景。
此外，其表示半固态电池的商业化已经开始。这主要受罗马仕充电宝事件的影响，行业从追求低价转向追求安全。使用半固态电池成本没有增加多少，但安全性要强上不少。
可以看出，安全和能量密度两大诉求正在催动固态、半固态电池的商业化。而2027年，正是全固态一个非常关键的时间点。
李振强告诉记者：“磷酸铁锂和三元是经过长时间验证，其技术路线之争还发生逆转。全固态电池技术路线还没有经过验证。明年将有一些样车出来，而产品出来才会根据终端客户的需求进行改进。这是一个不断改进的系统工程，而不是材料厂商、电池厂商、设备厂商自己宣称（全固态电池）量产。”
此次清华团队的新突破，对于商业化的推进有何意义呢？
高工产研认为：“若解决了常温下聚合物电解质离子电导率低的问题，聚合物电解质大概率可以替代硫化物固态电解质和氧化物固态电解质。主要系聚合物具备以下优点。一是固固界面接触远远好于硫化物和氧化物；二是电池制备工艺简单（与液态锂电池设备兼容性高），电池生产良率高，成本低；三是聚合物电解质成本低廉。”
也就是说，硫化物目前存在的固固界面、生产成本、材料成本等问题，对于聚合物而言难度较低。一旦聚合物解决离子电导率低的问题，或将成为全固态电池新的方向。
正如液态电池中磷酸铁锂与三元材料的长期交锋，全固态电池各类技术路线的角逐，才刚刚开始。
每日经济新闻

华语天空

之前就听说清华在电池研究很强，这次突破说不定真能让电动车更安全续航更久！

hnn

清华团队这聚合物电解质能解决固固界面和离子电导率问题，就像给电池修了条畅通高速路，要是普及了，eVTOL和人形机器人行业得大变样

com2

谢谢楼主分享！