供应链大会｜王建涛：硫化物基全固态电池及关键材料研究

11月10日-12日，由中国汽车工业协会和武汉市人民政府共同主办的“2023中国汽车供应链大会暨第二届中国新能源智能网联汽车生态大会”在武汉经开区举办。本届供应链大会以“踔厉奋发，攻坚克难——打造安全、韧性、绿色汽车供应链”为主题，设置了“1场战略峰会、1场大会论坛、9场主题论坛”共11场会议，围绕供应链安全与布局、新型汽车供应链打造、传统供应链升级、全球化发展等热点话题进行深入交流与探讨，寻找构建世界一流汽车供应链的对策、方法和路径。其中，在11月11日下午举办的“主题论坛一：动力电池——前瞻突破，引领发展”上，国联汽车动力电池研究院有限责任公司副总经理王建涛发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录： 

尊敬的各位来宾，特别有幸在这里做硫化物基全固态电池的介绍。

刚拿到这个题目的时候看到主体是前瞻突破，技术引领，我一直在想咱们的动力电池前瞻突破突破在哪，动力电池产业链这一块前面几位嘉宾讲的特别好。现在我们国家在动力电池产业方面做得非常好，刚才赵总也讲了多个方面都是第一，除了ESG，在固态电池这一块尤其是全固态这一块，我们离国外还存在一点差距。今年有几个全固态电池的新闻报道，尤其是丰田这一块，连续两次发了全固态电池在27年装车。这里原引新闻的评述，认为这是爆炸性的消息，如果真的实现充电十分钟1200公里，将改写全球电动汽车行业老大的龙头地位，这是不是真的？很多人问，大家对这个看法不一样，有的认为丰田确实扎扎实实往前走，有的认为丰田这两年有些消息的推出，都是基于他公司的战略或者配合公司发展。

我们也梳理了一下丰田这些年对于固态电池一系列的新闻，是不是固态电池产业化已经来了。丰田做固态电池做得很早，同时在2008年正式成立新电池研发部，就是做这个全固态电池，从2002年到2022年一直不断的推出，东京有电池展，他基本上每次都会展示在全固态电池方面原型技术、产品技术和应用情况。从2012年开始在平衡车上用，到2017年开始展示概念车，2020年展出装载全固态电池的电动车，这个车2020年6月份展出之后，8月份开始做路跑，跑了三年。今年我们去丰田交流的时候，他们内部透漏通过几年的路跑拿到了不少评测数据。之后丰田陆续发表一系列消息，他要做全固态电池规模化装车，2020年的车是用HEV，后来发布消息是做BEV。他家在全固态电池方面战略发生一些变化。但是从梳理来看他是实实在在做这块，至于目前是不是达到批量化装车需求，这个目前还不清楚，但是有一点可以判断，丰田的全固态电池技术是实实在在的往前走，2027年有可能有一部分车要装上全固态电池，但是装什么样的全固态电池，目前行业又不一样，日本一直走的是基于硫化物基，甚至是最新的氯氧化物，咱们国家很多企业做的都是基于氧化物固液混合态再到全固态的路线。

在这种情况下，咱们看了一下各国的政策和规划，各地对全固态电池未来的发展都有自己的规划，日本比较激进，提出要在未来率先实现全固态电池商业化应用，要稳占全固态电池的市场，可见他们未来一定是有一个大的计划。韩国是争取提前实现，美国是在2021年发布锂电蓝图，提出加快产业化布局，专门提出五大研发工程里面提到全固态电池材料，欧盟这一块是计划累计投入86亿欧元，做先进电池，前瞻电池，包括全固态电池。

咱们国家是2020年国务院办公厅发布了新能源产业规划，提出固态电池作为新能源汽车核心攻关，日本、美国这块都做了一系列工作。我们国家从国家政策、产业技术、科研项目等方面都做了部署，同时主要的代表性企业这一块都做了非常多的部署。在产业规划这块从新能源汽车、电动飞机等空间立体交通网络都把全固态电池提到较高的位置。咱们前面专家提到的极致的高能量密度和极致的高安全是动力电池发展的关键方向，这些在全固态电池里面都能够实现。技术路线这一块，最早是在2020年6月份节能新能源汽车技术路线2.0，明确提出了全固态电池作为一个技术攻关。科技部项目“十四五”规划，与固态相关的专项有很多。现有代表性企业，包括整车企业，基本上主流的整车企业都进行了布局，还就几个以固态电池为主营业务的，卫蓝、清陶、赣锋，以及一些新的势力都在做全固态电池的研发。

全固态电池这块我们国联是做得比较早，2012年开始在科技部863项目的牵引下，开展相关探索，并延续到现在，认为它也非常难。科协也是连续两年把它作为一个非常难的事情在说，中国科协每年都会有一个年度的工程化技术创新的工程技术难题十大的发布，全固态电池连续两年都在里面，2021年是提出全固态技术攻关难，2022年提出全固态产业化很难。目前来看，技术攻关和产业化都很难，就我们而言，技术问题目前还没有解决完，整个行业来讲现在也基本上处于产业化前面技术上的攻关。

我们也梳理了一下相关难点。还有很多挑战，包括关键材料、界面匹配、电极设计、工艺选择，甚至我们在全固态电池制备的关键核心装备这块都是没有完全解决。另外，对于全固态电池大家非常关心的成本这块，现在也是一个非常重要的问题，大家普遍认为全固态电池在成本上一定比液态要贵，因为它的电解质材料比液态贵，电解质材料用量比液态多，固态电解质材料锂含量比电解液中锂占比要高，这都是未来控制成本需要重点考虑的。还有全固态电池这块因为没有液态作为界面润湿剂或者过渡界面，所以界面问题一直都是全固态电池比较难的问题。目前来讲，大多数的研究机构主要集中在关键材料的开发和界面的研究。所以从这些难题来看，未来全固态电池要在2027年实现规模化的装车，它需要克服的问题非常多。因为2027年要装车，2026年电池肯定是要SOP，再往前2025年是要原型技术定型，所以留给我们的时间不多，也就是两年，两年到底能做点什么？今天就这块来讲一下。

全固态电池这么难，要不要做，这块是肯定的，是肯定要做的。这张片子展示了国内国外很多企业都在发布要做，只是过程中的技术细节目前是拿不到的，图里变得企业不是全部，在座有的企业也发布了，有的没有来得及往里面写。从发布来看，全固态电池现在只是处于产业化的前面技术积累的阶段。为什么叫全固态电池？大家都是讲因为固态电解质替代了液态电解液，所以根据固态电解质的类型把全固态电池分了很多类型，叫硫化物、氧化物、聚合物，甚至卤化物。从我们调研的专利来看，日本在这块积累比较多，从专利分析上来看，专利布局前五位的都是在国外，我们国家是没有的，四家是日本的企业，还有一家韩国的企业。从专利对关键材料的布局来看，硫化物和氧化物一直是比较集中的技术路线。

所以从这个角度来看，如果要突破刚才讲的全固态电池一系列的技术问题，材料是个非常关键的核心，什么样的材料？很多学术界也在探讨到底什么样的材料技术路线是未来全固态电池的能够产业化的技术路线？从研讨的结果来看，目前主要集中在基于硫化物和基于氧化物的两条技术路线。两条技术路线各有优缺，这块我们不去多讲，可以从它们的电解质材料，以及整个制备工艺来看各有优缺。氧化物国内从混合固液往氧化物的全固态做得比较多，今天就不重点讲了。硫化物这块的产业化技术开发国内做得比较少，所以今天重点围绕前期丰田的硫化物全固态电池来汇报一下我们国联在硫化物这块做了哪些工作，希望能为咱们国家硫化物基全固态电池产业化做一点贡献。

下面就是我们在这块做的一些相应的工作：

首先就是要解决硫化物及全固态电池刚才一系列的问题，正极、负极、电解质膜，还有组装工艺，其中最为关键和基础的就是固态电解质。原来讲的硫化物固态电池最大的问题就是它的固态电解质空气稳定性比较差，导致了不能用，其在空气里面会释放硫化氢，硫化氢是有毒的，这种情况下就没法用了，所以我们首先要解决它能用的问题。

2015年开始重视这块，开始做电解质材料。从几个维度，一是要做高离子导，它的离子导要能和液态的电解质相匹配，保障它能够作为离子传输的载体。另外就是要高的化学稳定性，就是要能用，起码是在干燥间能用。在这个角度来讲，经过对它的组分调控，目前来讲是可以实现高离子导，可以在干燥间里面用。这个材料通过我们的梳理，现在离子导能够和液态电解液基本上相当，液态电解液我们知道8.9到12之间，现在固态的硫化物离子导也可以实现14，但是这个14没有量产，我们量产的大概是7到8，7到8就能够保障材料能继续往下用，同时重点做高空气稳定性，目前能够实现在干燥间24小时离子导保持率能够达到85%以上，这就保障了材料能够用，所以我们对相关材料做了一系列的研究。

材料工程化这块做点什么？刚才讲材料成本太贵，贵在两个方面，一个是材料的原材料比较贵，就是基于硫化物它的原材料硫化锂比较贵，那是前端原材料问题，我们现在解决不了，但已经联合国内主要做硫化物的三四家企业在做这件事情。另外一个就是制备成本比较贵，原来我们做硫化物及固态电解质它整个工艺是要封闭的，对环境要求比较高，并且在这个过程中整个工程的制备成本比较高。在这块我们通过现有工艺的改进，目前能够把它制备成本降低到80%，这块未来还有降低的空间。在这个基础上我们完成了国内首条吨级线的建设和运营，大概是在2021年年初开始完成。另外，这种材料都是要用，用才能不断改进。我们通过材料给国内主要的高校和电池企业的使用和不断反馈，在这个过程中不断改进，现在能够推出系列化材料。同时，在材料应用性能研究方面，我们和国外的一家机构合作，他们委托项目对我们这款材料做了全方位应用性的研究。研究它在整个电池里面该怎么用，它在电池里面各种性能，包括温度对离子导和电子导的影响，湿度对离子导和电子导的影响，温度对充放电性能的影响等一系列因素，在这个过程上可以得到第一手应用数据，现在基于这个数据基本上是可以把相应的电解质材料用好。

在前期的基础上做了基于现有液态电池的整个制备工艺的基础上做全固态电池，目前能够实现它在湿法匀浆、涂布、辊压，实现了卷对卷的固态电极、正极、负极还有隔膜的制备。目前在界面这块，主要是缓解，现在也没有彻底解决，后面会讲现在通过原位同质溶并等相关技术能使界面离子能够较好的传过去了，在一定程度上缓解界面的问题。在此基础上，固态正极能够实现和液态电极正极容量发挥相当，就是说它可以用了，在正极这块我们做了钴酸锂、中镍三元、高镍三元，基本上能实现液态容量发挥到96%以上，基本上能够能满足电池设计的需求。负极这块刚才赵总也讲过，负极在全固态这块可能有革新，负极这块没有做石墨，要实现全固态的高能量密度、高安全，它的负极一定是高克容量的负极，所以我们从硅基负极开始，做了硅碳、硅氧，甚至纯硅，这三个负极现在都做了一系列研究，匹配高负载的正极，正极是23毫克每平方厘米，因为要做高能量密度，正负极都要是高的负载。

在此基础上，通过这一系列的研究，证明我们电解质它可以用，不同的电解质可以在不同的正负极电极和不同的电解质膜里面用。所以不是一个固态电解质材料一下就能在全固态电池里面解决所有的问题。所以我们在不同的位置开发和选用不同的固态电解质材料，目前来讲能够实现全固态电池原型的一些开发，包括面向300Wh/kg三元硅基全固态电池的体系研究，这个是正极用的是6系中镍，负极用的是硅基，克容量大于1000，1300左右，这块能够实现300瓦时每千克。这是小的软包电池，软包电池对于材料体系做一个验证。

另外是350Wh/kg，负极没有变，正极变成更高镍的，就是9系高镍，基本上能满足350Wh/kg电池的体系设计，这个做成小软包，并且对它做了安全性的验证。从安全性能上来看，它确实在热稳定性上要比现有的半固态电池要高，但是它不是说绝对安全。对于绝对这个概念来讲，未来可能要通过单体电池、电池系统等一系列的设计来实现。

另外对于更高能量密度400，我们把负极变成纯硅，大概是3000mAh/g，能够满足400Wh/kg的体系设计，但是会面临压力膨胀问题，现在要循环，压力非常大，这是未来解决的重点方向。

另外是更高，这是美国提的500，还有我们今年在BB500，超高能量电池密度里面讲的500，未来高能量密度电池能量密度要超过500，500怎么实现？我们这块正极用高镍，负极用锂金属，当然高镍未来可能进一步往负锂上去走，这块我们还没有做成刚才那种叫体系电池验证，只做了三维锂金属的验证。锂金属一直是锂电池的难题，很多企业尤其是初创企业讲他们已经做到锂金属电池，400Wh/kg，循环很好，但是就我们做这块，我们觉得锂金属还是非常难的，不管是从结构设计，还是锂金属的复合，锂铝合金、锂硅合金，各种合金我们都做了，它都非常难实现超长循环，这块还在尝试。

这是我们基于锂铝合金基础上做了三维结构，保证了锂金属自身的长循环，目前还没有做全固态电池的体系验证，未来可以再验证循环。

这是小结，全固态电池非常难，它的实现需要产业链的协同攻关，我们能贡献的就是我们的技术核心材料和我们在电极方面的一些技术，还有我们在固态电解质膜批量化制备，至于固态电池的组装集成是一个重要的问题，要解决这个组装问题，就要面对全生命周期过程的循环、结构稳定、全生命周期过程中的安全问题。现在讲到安全指的是初始状态的安全，在循环之后，由于固态电池膜是有电子导的，因为现在液态用的隔膜PE是完全没有电子导，但是全固态电池电解质是有电子导，在这个过程中固态电池膜是会失效的，所以全生命周期的安全都是非常重要的，这个都需要进一步研究。所以希望通过未来大家的协同攻关，能够推动全固态电池，尤其是硫化物全固态电池进一步的发展。

这是我们国联的简单介绍，成立于怀柔，2014年9月，现有股东14家，现在在座的很多企业都是我们的股东，我们现在最大的战略使命就是为股东服务，服务于股东的战略落地。为什么要做全固态，甚至做基于硫化物的全固态，都是我们股东的需求。现在我们要做基于氧化物的全固态，基于氧化物的全固态现在没有讲，现在正在做350到400Wh/kg原型的验证，我们这个全固态是基于原来我们做的固液混合态，我们固液混合态当时做到350到400，现在正在装车，基于那个在做氧化物的全固态。

最后十分感谢大家！

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）