固态电池： 从“万里挑一”到“万无一失”

锂电池行业已从前沿技术深入大众生活，今年诺贝尔化学奖就授予了发明锂离子电池的3位先驱。随着新能源汽车大发展，动力电池应用规模快速扩大，从而带动了市场走强，同时也引发公众对安全的关注。基于现有材料体系和技术框架下，锂电池如何保证能量密度和安全性同步提升?未来锂电池产业会有哪些挑战?有业界人士提出，固态电池产业化步入2.0时代。

本刊日前采访了中国科学院院士、清华大学教授南策文，他认为，固态电池产品已经进入公众视野，固态锂电池产业化是锂电池逐渐走向市场的自然选择，学界和产业界应联手推动这一进程，未来中国一定会走在这一领域的前列。

为什么是固态锂电池

《能源评论》：在日前披露的《新能源汽车产业发展规划(2021~2025年)》(征求意见稿中)，明确提出要“加快全固态动力电池技术研发及产业化”。您对此怎么评价?

南策文：固态电池正在得到社会各界的关注。现在不仅是研究电池的高校、机构、企业投身其中，还包括很多原来看似不相关的人士，比如金融投资机构也开始感兴趣，并慢慢进入。这意味着固态电池产业面临变革的机遇，表明固态电池技术和产业化值得期待。

《能源评论》：锂电池产业的大发展，从根本上看还是因为市场需求日益增大，您认为主要的驱动力来自哪里?

南策文：从市场来看，近年来锂电池的需求量非常大，有些以前我们都不太熟悉的领域，都开始需要应用锂电池。根据中国电子信息产业发展研究院发布的《锂离子电池产业发展白皮书(2019)》，2018年全球锂离子电池产业(不包括电池相关材料)规模达412亿美元，同比增长18%;按容量计算，全球规模达到200吉瓦时，同比增长25%。当然，最大的市场驱动力还是来自于电动汽车领域，这方面，中国毫无疑问是世界上增长最快、规模最大的。

《能源评论》：随着市场规模快速增长，电动汽车用户对续航里程提出了较高要求，锂电池也出现了不少安全问题，您认为该如何解决?

南策文：锂电池是一个复杂的复合系统、多层次复合材料或者复合体系。在技术上，需要突破的目标是多方面，包括长续航、长寿命、高安全、低成本以及快充等。

目前关注更多是长续航和高安全。长续航需要较高的电池能量密度，我们国家的发展目标是很明确的，目前学术界和产业界的进展也非常快，现在的锂电池单体能量密度可以做到240～260瓦时/公斤;按照目前的材料体系和工艺，勉强可以做到300瓦时/公斤，但这已到了极限。如果按照原有的技术发展路线图，目前的材料体系可能就会受限制，这就需要有新的思路来解决。

同时，安全是大家最关心的问题，但安全隐患是液态锂电池固有的问题。韩国今年已经发生很多起锂电池(储能站)起火、爆炸事故，假如锂电池总出现安全问题，就会打击消费者信心，锂电池产业也可能会受到打击。比如三星手机电池爆炸问题，就曾严重影响三星手机市场。高安全与高能量密度又是一对矛盾。

如何在现有条件下去突破能量、安全瓶颈，很自然的选择就是固态化。

《能源评论》：解决上述问题的办法有很多，为什么一定会是固态?

南策文：因为用固态电解质替代锂离子电池中的电解液，可解决原来由于低闪点电解液本身引起的安全隐患，做到本质安全。另外，固态电池还有其它优点，比如：不忘初心、使用锂金属做负极，正极可以触及到高电压材料，从而提高电池能量密度;不用再担心高温储存问题，不会再有爆炸危险。总之，固态电池不仅可以显著提高能量密度和安全性，而且电池封装也会简单一些，同时可以实现电池的柔性化、异形化，可以根据不同的应用场景来设计不同的形状。

可从聚合物基复合体系先行先试

《能源评论》：您如何看待固态电池的研究与产业化进程?

南策文：固态电池一定要走向实用化、规模化。如果一直在纸上谈，肯定不行。一个新技术出来，在热了一段时间后，一定要慢慢往产业应用方向走，哪怕迈出一小步也可以，但不迈出去不行。目前有不少大型公司，特别是国际知名车企，都宣布要量产固态电池，并制定了各自的发展路线计划。

《能源评论》：推动固态锂电池发展，有哪些关键问题和技术?

南策文：在固态电池产业化过程当中，关键问题和技术是较多的。其中一个核心材料是固态电解质，因为锂电池需要固态电解质像电解液一样快速去传导锂离子，同时可以去阻断锂枝晶生成。

《能源评论》：您认为，应该如何具体推进固态电池技术进展?

南策文：现在的技术路线有几种：聚合物、氧化物和硫化物。从产业化的角度来讲，无论是氧化物还是硫化物，在这两个体系下做规模化的技术可行途径，目前还是很难、有许多挑战。现在比较容易的一条途径是无机-聚合物的复合体系，因为它集合了两者的优势，可以使离子电导率保持较高水平，而且可以做到柔性，保证高分子的加工性、柔性，特别是它可较大程度上利用现有锂离子电池制造平台，可基于现有平台，根据固态电解质引入以后所发生的变化特征，来调整相应的制造设备。要快速转向大规模产业化，可能最容易的一条路线还是无机-聚合物复合体系先试先行。

需要注意的是，因为在复合材料体系内，优化组合的种类有很多，研究者可以选不同的材料和不同的组合，所以会有很多空间可以去做，有很多排列组合和优化组合去进行比较，但挑战也比较大。

《能源评论》：固态电池虽好，但起步阶段价格往往很高，您认为，未来市场应如何开拓?

南策文：现在主要还是要从典型的应用场景入手，因为固态电池要马上大规模应用，比如成为动力电池还有一段距离，因此最开始还是做特种电池，比如像军用电源、数码领域、石油、电力等行业，已经开始有应用。动力电池领域更多是在试验检测阶段，目前要解决的首要问题是安全，好消息是对现有固态电池的所有安全测试，包括针刺、冲击、挤压，甚至是枪击，都没有问题。

《能源评论》：对于产业化进程中出现的问题，您认为该如何看待?

南策文：目前国内有几家企业，比如清陶、锋锂、卫蓝，都在聚焦固态锂电池，全力往产业方向推进，这是非常好的现象。在推进的过程中，有问题很正常，因为只有发现问题，才能有针对性地去解决问题。实际上，产业化规模应用与实验室研究是完全两回事，我们做研究讲究的是“万里挑一”，要在一万个里面找出可能性、挑出做好的，但是产业界最需要的是“万无一失”，对产品一致性有着极高的要求，二者要求完全不一样。

《能源评论》：对于创新性产品的成本问题您怎么评价，未来趋势如何?

南策文：工业界对成本问题非常关注，经常来和我们沟通。在我看来，成本与规模一般是密切相关的，以清陶公司目前0.1吉瓦时的规模来计算，固态电池成本比液态电池要高2倍多。但是随着规模的增加，成本应该能降下来。大概到2022年，有了8吉瓦时量级的时候，成本可能会接近液态电池的成本。当然，即使到那时，二者的成本还是有差距，但是差距会缩小。

《能源评论》：您如何看待固态电池产业的未来前景?

南策文：尽管固态电池还有很多问题，但它有着扎实可行的技术方案，固态电池产品已经进入人们视野，是大势所趋。

固态电池前景值得期待，在未来的产业化发展过程中，固态电池不会和液态电池去竞争、去替代，它有自身的应用场景和更新迭代的路线、产业化方向，在做研究和产业化方面，我相信我们国家还会走在前列。