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60Ah全固態(tài)大電芯下線，透視技術(shù)進展與現(xiàn)實難題
中國新能源產(chǎn)業(yè)正全力加速下一代電池技術(shù)的研發(fā)與落地，全固態(tài)電池被視為突破現(xiàn)有液態(tài)電池能量密度和安全瓶頸的關(guān)鍵方向。
近日，比亞迪和一汽相繼宣布在全固態(tài)電池技術(shù)上取得重大進展，分別成功研制出容量超過60Ah的大容量全固態(tài)電芯，標(biāo)志著該技術(shù)正加速邁向工程化。
比亞迪方面披露，其60Ah級別全固態(tài)電芯已完成中試生產(chǎn)線驗證，性能參數(shù)亮眼：能量密度達400Wh/kg和800Wh/L。為實現(xiàn)這一高性能，比亞迪在材料體系上進行了深度優(yōu)化，核心技術(shù)包括：采用復(fù)合高鎳三元正極材料，并強調(diào)活性物質(zhì)在正極材料中的占比超過85%，其下一階段的目標(biāo)更是將這一比例提升至90%以上；電解質(zhì)方面采用的是鹵-硫化物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)；負(fù)極則選擇了硅基負(fù)極，并攻克了高硅含量負(fù)極材料易膨脹的技術(shù)難題，實現(xiàn)了近零膨脹。
一汽集團也對外宣布，其最新研發(fā)的全固態(tài)電池已實現(xiàn)66Ah的容量水平。
回顧2024年，全球范圍內(nèi)公開報道的全固態(tài)電池容量普遍停留在20Ah至40Ah區(qū)間。例如，梅賽德斯-奔馳與Factorial聯(lián)合發(fā)布的首批全固態(tài)電池，容量為40Ah。相比之下，中國企業(yè)率先將全固態(tài)電池容量提升至60Ah以上級別，可被視為是制約全固態(tài)電池發(fā)展“容量瓶頸”的突破，也標(biāo)志著全固態(tài)電池技術(shù)從基礎(chǔ)科學(xué)研究、功能性開發(fā)加速邁向?qū)嶋H應(yīng)用階段。
從20Ah級別到60Ah級別的“質(zhì)變式躍升”，背后是固態(tài)電池材料體系多元復(fù)合化發(fā)展策略的有力支撐。
為了突破性能瓶頸，全固態(tài)電池材料研發(fā)呈現(xiàn)出多元復(fù)合化趨勢，包括采用復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)、復(fù)合改性正負(fù)極材料等。不過，復(fù)合材料體系在提升電池綜合性能的同時，也帶來了新的挑戰(zhàn)。如廣汽埃安指出，對比單一硫化物固態(tài)電解質(zhì)體系與復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)體系，前者在材料性能提升及產(chǎn)業(yè)化進度上相對較快，后者雖在成本控制和綜合性能表現(xiàn)方面更具潛力，但在材料設(shè)計和電芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面仍面臨諸多難題。
此外，更大容量電芯，也進一步放大了包括固固接觸界面等關(guān)鍵問題的復(fù)雜性。安全性方面，盡管比亞迪和一汽集團公開宣稱其60Ah+全固態(tài)電池分別通過了192℃和200℃的熱箱濫用測試，相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池（178℃）的熱箱測試溫度有所提升。但值得注意的是，上述熱箱測試溫度與中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中300℃不發(fā)生熱失控的“絕對安全”電池標(biāo)準(zhǔn)仍存在一定差距。此外，比亞迪在對60Ah全固態(tài)電池進行更為嚴(yán)苛的安全測試時發(fā)現(xiàn)，在100%SOC下以5mm鋼針以0.1mm/s的極慢速度進行針刺，電芯仍然發(fā)生了熱失控。
測試結(jié)果表明，固態(tài)電池一旦發(fā)生熱失控，往往呈現(xiàn)出溫度驟升、反應(yīng)速度極快、超壓巨大以及易爆燃等特點，其危險性不容小覷。分析顯示，當(dāng)前全固態(tài)電池化學(xué)體系的安全邊界，很大程度上受制于正極材料的熱穩(wěn)定性。
在使用高鎳三元正極材料的全固態(tài)電池中，三元材料在高溫條件下容易分解并釋放氧氣，釋放出的氧氣會氧化負(fù)極和電解質(zhì)，導(dǎo)致電池內(nèi)部急劇產(chǎn)熱，沖擊力最終會引發(fā)電芯粉碎，造成快速失控擴散。這意味著，盡管全固態(tài)電池在安全性方面較傳統(tǒng)液態(tài)電池理論上具有本征優(yōu)勢，但要實現(xiàn)真正意義上的“絕對安全”，仍然有很長的路要走。
在追求更高能量密度的道路上，全固態(tài)電池放大生產(chǎn)的工程化和產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)也日益凸顯，一致性、良品率、生產(chǎn)效率及成本等問題都需納入考量。此前，廣汽埃安發(fā)布30Ah容量全固態(tài)電池時就曾透露，為了實現(xiàn)400Wh/kg的能量密度目標(biāo)，其全固態(tài)電池正極片的厚度較傳統(tǒng)液態(tài)電池顯著增加，增幅高達40%。
考慮到傳統(tǒng)液態(tài)電池正極片厚度通常在50~70μm左右，廣汽埃安全固態(tài)電池的正極片厚度可能達到了70~100μm左右。首先，更厚的正極極片和更高的面容量對電極制備工藝提出了挑戰(zhàn)。
無論是傳統(tǒng)的濕法涂布工藝還是新興的干法涂布工藝，都需要進行技術(shù)革新，以適應(yīng)全固態(tài)電池超厚電極的制備需求。正極片厚度的增加，也意味著需要更薄的固態(tài)電解質(zhì)膜，以及更高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)材料，這對大面積超薄電解質(zhì)膜的制備工藝提出了極高的要求。在模組和系統(tǒng)集成層面，更大容量電芯要求優(yōu)化模組強度、系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)力分布及熱管理策略。例如，維持固固界面良好接觸需要施加外部壓力，但大尺寸電芯壓力均勻性和長期穩(wěn)定性更難保障。
比亞迪研究發(fā)現(xiàn)，高約束力策略（10~20MPa外部壓力）雖然可改善固固界面接觸，但會犧牲能量密度，因此更優(yōu)解是開發(fā)可在低約束力甚至無壓條件下穩(wěn)定運行的固態(tài)電池。這需要通過材料改性、界面優(yōu)化等手段降低界面阻抗，提高離子電導(dǎo)率。此外，大尺寸高溫高壓化成設(shè)備的開發(fā)，也將是全固態(tài)電池規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵制約因素之一。
盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但以比亞迪、長安汽車等車企，均已公開宣布了全固態(tài)電池的量產(chǎn)時間表，計劃在2027年左右實現(xiàn)60Ah全固態(tài)電池的示范應(yīng)用，并在2030年左右推進大規(guī)模量產(chǎn)。這充分展現(xiàn)出新能源產(chǎn)業(yè)在全固態(tài)電池技術(shù)商業(yè)化進程上的決心。
總的來看，全固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，仍然需要解決一系列技術(shù)和工程難題，尤其是在追求更高能量密度的同時，如何從根本上確保電池的絕對安全，將是全固態(tài)電池技術(shù)能否真正取代傳統(tǒng)液態(tài)電池，并最終贏得市場的關(guān)鍵所在。
從更長遠的角度來看，為了實現(xiàn)500Wh/kg甚至600Wh/kg以上的能量密度目標(biāo)，全固態(tài)電池負(fù)極材料可能需要從硅基負(fù)極進一步迭代至鋰金屬負(fù)極，正極材料也需要引入更為先進的材料體系，例如鋰硫、鋰氧等。全固態(tài)電池的未來依然充滿機遇，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
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