每經記者｜朱成祥  張寶蓮    每經編輯｜陳俊杰    

固態電池又迎來新突破。

9月25日，清華大學化學工程系發文稱，張強團隊合作在固態電池聚合物電解質研究領域取得進展。其成功開發出一種新型含氟聚醚電解質，為開發實用化的高安全性、高能量密度固態鋰電池提供了新思路與技術支撐。相關成果9月24日在線發表于《自然》。

目前，全固態電池主要有硫化物、氧化物、聚合物和鹵化物四種路線。當下主流為硫化物，而此次張強團隊領銜研發的是聚合物電解質。

四種技術路線，哪種將率先實現商業化？

起點研究創始人、研究院院長李振強對《每日經濟新聞》記者表示：“全固態電池當下還沒有真正量產，廠家均以小試、中試為主。現在判斷技術路線是比較困難的，也是不科學的。”

對于全固態電池量產存在的問題，真鋰研究院院長墨柯認為：“技術開發上還有很多問題沒有解決，更不必說量產。”

清華團隊解決商業化兩大難題

隨著eVTOL（電動垂直起降飛行器）和人形機器人的發展，能量瓶頸愈發突出。業界亟需一種高能量密度、高安全需求的新型電池，這就是全固態電池。但全固態電池在技術開發及量產上仍存在諸多問題。其中，離子電導率和固固界面問題最為突出。

高工產研方面告訴記者：“固態電池核心問題是在保證一定離子電導率條件下材料接觸的固固界面問題。”

而清華團隊此次開發出來的新型電解質，既能解決離子電導率問題，也能解決固固界面問題。

當下，國內外主流廠商紛紛選在硫化物路線研發全固態電池，正是看中其離子電導率與液態電解質相差無幾。不過，硫化物也存在不少問題，最突出的當屬固固界面問題。

墨柯向記者解釋了固固界面問題，其表示：“正負極的極片是固態，兩者間夾的固態電解質也是固態。極片與電解質之間需嚴絲合縫，這樣鋰離子移動的通道就不會有障礙。假如固固界面之間存在縫隙，鋰離子是無法在空氣中傳播的。只要存在縫隙，離子穿過的數量就將大受影響，鋰電池的工作也會受到影響。”

“剛生產出來的固態電池可以嚴絲合縫，但電池內部存在溫度變化，而電池材料難以同步收縮膨脹。經歷多個循環后，固固界面肯定有縫隙。因此，解決固固界面非常困難。”墨柯說道。

此次清華團隊使用原位聚合技術解決了固固界面問題。對此，墨柯稱：“當固固界面出現縫隙，聚合物可以自生長，去填充固固界面存在的縫隙。”

值得一提的是，聚合物電解質雖然能夠解決固固界面問題，但其離子電導率較低，這也將影響充放電速度以及鋰電池各項性能。

清華團隊的做法是，基于鋰鍵化學原理，團隊構建了獨特的“–F???Li????O–”配位結構，誘導形成具有高離子電導率的富陰離子溶劑化結構，進而在電極表面衍生出富含氟化物的穩定界面層，顯著提升了界面穩定性。

硫化物存在巨大挑戰

目前，主流廠商選擇的是硫化物全固態路線。TrendForce集邦咨詢分析師曾佑鵬告訴記者：“主流技術路線包括聚合物、氧化物、硫化物。硫化物技術路線最為熱門，據TrendForce集邦咨詢統計，全球已公布的固態電池研發技術路線中，約有37%選擇此路線，尤其是日韓企業。”

對于硫化物存在的固固界面問題，也有廠商采取類似清華團隊的做法，即使用原位聚合技術。

簡單來說，就是制備一個硫化物與聚合物混合電解質的固態電池。其中，硫化物離子電導率較高，而聚合物可以填充固固界面的縫隙。如此一來，固固界面和離子電導率的問題都將得到解決。

不過，硫化物不僅存在技術上的挑戰，還存在生產和價格上的挑戰。

李振強表示：“硫化物最大的問題，是遇水反應生成硫化氫，而硫化氫是劇毒的。”

墨柯也進一步表示：“當下極片生產過程中，無法做到完全沒有水分。正極、負極的粉末，與粘結劑混合在一起攪拌，然后再涂覆到鋁箔、銅箔上，再烘干。此外，空氣中也是有水分。”

價格上，根據高工鋰電資料，作為硫化物固態電解質的關鍵前驅體，硫化鋰占據電解質材料成本的77%至80%，當前市場價格高達300萬元/噸至400萬元/噸。

相比之下，電解液價格不足2萬元/噸。可以看出，硫化物固態電解質價格高昂。

此外，李振強也表示：“全固態四種路線中，聚合物電解質是最成熟的。聚合物已經搞了很多年，而且在手機電池里也使用了很多年。而硫化物電解質是全新的產品，其供應鏈還不成熟。（硫化物）固態電解質，能夠每個月噸級出貨的都很少。”

不過，對于清華團隊所使用的含氟聚醚電解質供應鏈是否成熟，其表示還需要進一步研究。

聚合物新突破的意義

固態電池之所以備受追捧，一是安全，二是續航。安全主要是固態電解質提供，而續航取決于能量密度。后者與正極、負極材料選擇密切相關，特別是正極材料。

負極材料方面，為了追求能量密度，正在從石墨負極走向硅碳負極，遠期將實現鋰金屬負極。而正極材料的選擇則相對保守，很多廠商選擇高鎳三元。

事實上，富鋰錳基作為正極，其能夠實現的能量密度將大幅超越高鎳三元。據了解，以富鋰錳基層狀氧化物作為正極材料的固態電池體系，展現出實現能量密度突破600瓦時每千克的潛力。

當前主流的硫化物電解質，適配富鋰錳基較為困難。高工產研稱：“目前還沒有解決硫化物固態電解質適配富鋰錳基正極材料。若解決，可以大幅度提升鋰電池能量密度，降低鋰電池成本，降低鋰電池的資源壓力。阻礙點在于，高電壓平臺的富鋰錳基正極材料與硫化物存在高電壓適配問題，低電壓平臺的富鋰錳基存在電壓降現象（導致鋰電池循環壽命低），綜合性能不及三元材料，適配意義低。”

高工產研認為：“電解質在兼容高電壓正極和強還原性負極方面，目前仍不成熟，當前實驗室仍以高鎳三元+硅基負極材料為主。”

而清華方面稱，研究團隊在聚醚電解質中引入強吸電子含氟基團，顯著提升了其耐高壓性能，使其可匹配4.7V（伏）高電壓富鋰錳基正極，實現了單一電解質對高電壓正極與金屬鋰負極的同步兼容。

也就是說，該電解質能夠匹配能量密度非常高的正極材料富鋰錳基和負極材料鋰金屬。

“現在固態電池不使用富鋰錳基，是由于多方面原因，比如循環穩定性相對較差，沒有適配高電壓的電解質也是重要原因之一。”鑫欏資訊資深研究員龍志強表示。

商業化何時到來？

對于全固態電池的商業化是否已經到來，墨柯的回答是：“還早得很。硫化物技術還有很多需要解決的問題。如果用氧化物、聚合物電解質材料去做是可以的。但離子電導率太低，基本上實用價值很弱，正常的充放電速度達不到。”

關于商業化，李振強認為，由于電解質價格高昂，全固態電池將率先使用在低空飛行器、人形機器人等對能量密度、充放電倍率要求高的場景。

此外，其表示半固態電池的商業化已經開始。這主要受羅馬仕充電寶事件的影響，行業從追求低價轉向追求安全。使用半固態電池成本沒有增加多少，但安全性要強上不少。

可以看出，安全和能量密度兩大訴求正在催動固態、半固態電池的商業化。而2027年，正是全固態一個非常關鍵的時間點。

李振強告訴記者：“磷酸鐵鋰和三元是經過長時間驗證，其技術路線之爭還發生逆轉。全固態電池技術路線還沒有經過驗證。明年將有一些樣車出來，而產品出來才會根據終端客戶的需求進行改進。這是一個不斷改進的系統工程，而不是材料廠商、電池廠商、設備廠商自己宣稱（全固態電池）量產。”

此次清華團隊的新突破，對于商業化的推進有何意義呢？

高工產研認為：“若解決了常溫下聚合物電解質離子電導率低的問題，聚合物電解質大概率可以替代硫化物固態電解質和氧化物固態電解質。主要系聚合物具備以下優點。一是固固界面接觸遠遠好于硫化物和氧化物；二是電池制備工藝簡單（與液態鋰電池設備兼容性高），電池生產良率高，成本低；三是聚合物電解質成本低廉。”

也就是說，硫化物目前存在的固固界面、生產成本、材料成本等問題，對于聚合物而言難度較低。一旦聚合物解決離子電導率低的問題，或將成為全固態電池新的方向。

正如液態電池中磷酸鐵鋰與三元材料的長期交鋒，全固態電池各類技術路線的角逐，才剛剛開始。

封面圖片來源：每日經濟新聞 劉國梅 攝