聚合物基固態(tài)電池“兩難”處境觀察

在當(dāng)前所有固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線中，聚合物是長板、短板都不那么突出，同時(shí)產(chǎn)業(yè)成熟度較高的。

長板方面，由于聚合物電解質(zhì)材料柔韌性高，容易加工，價(jià)格僅略高于液態(tài)；生產(chǎn)上與現(xiàn)有電池工藝的兼容程度高，設(shè)備成本差別不大，量產(chǎn)成本低。在性能上，聚合物材料與正負(fù)極材料界面接觸良好，有利于電池循環(huán)壽命的延長。

但其兩大瓶頸問題也十分明顯：

一是室溫離子電導(dǎo)率低（須在60-85℃高溫運(yùn)行）。這直接影響電池充放倍率，不利于快充性能的實(shí)現(xiàn)；

二是電化學(xué)窗口＜4V（僅略高于液態(tài)），而高壓下會被氧化，材料本身更適配鐵鋰正極，較難滿足提高電池能量密度的需求。

此外，由于機(jī)械強(qiáng)度低，聚合物基固態(tài)電池易形變失效。也有團(tuán)隊(duì)表示，傳統(tǒng)聚合物固態(tài)電解質(zhì)還存在離子傳輸性能與良好界面接觸難以兼顧的問題。

從國內(nèi)布局聚合物基固態(tài)團(tuán)隊(duì)的公開進(jìn)度中，可以部分窺見上述問題的解決情況。

在傳統(tǒng)動力電池廠商中，比克電池和LG新能源選擇了聚合物路線。

其中，比克電池基于聚合物-氧化物復(fù)合體系，已經(jīng)開發(fā)出能量密度超過350Wh/kg的第二代半固態(tài)電池新品，囊括了30Ah、60Ah和100Ah三大尺寸層級，后兩者可應(yīng)用于電動汽車上，最大充放電倍率為3C。

據(jù)高工鋰電了解，以聚合物為基礎(chǔ)的復(fù)合電解質(zhì)體系，會同時(shí)存在聚合物本身室溫電導(dǎo)率差、氧化物電解質(zhì)顆粒因?yàn)樯⒙浞植级鵁o法貢獻(xiàn)實(shí)際電導(dǎo)率的問題，提高電導(dǎo)率或要求在分布比例、聚合途徑等方面進(jìn)行調(diào)整。

LG新能源則將650Wh/L聚合物半固態(tài)電池的商業(yè)化節(jié)點(diǎn)定在2026年，2028年有望推出750Wh/L的聚合物固態(tài)電池。

中科匯澤深藍(lán)、冠盛東馳、領(lǐng)新新能源等屬于初創(chuàng)電池團(tuán)隊(duì)，前兩者技術(shù)優(yōu)勢明確、正與車企接觸中，領(lǐng)新則主要在產(chǎn)能建設(shè)上有較快布局。

針對電壓窗口低的問題，中科深藍(lán)匯澤通過改善分子結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、調(diào)控分子能級來拓寬電壓耐受窗口，提升能量密度。

針對室溫離子電導(dǎo)率低的問題，該公司開發(fā)出高性能聚合物電解質(zhì)，結(jié)合新型鋰鹽分子設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)離子電導(dǎo)率對照聚合物電解質(zhì)體系提升128倍。

中科匯澤深藍(lán)還考慮到了固態(tài)電解質(zhì)離子傳輸性能與良好界面接觸難以兼顧的問題，通過設(shè)計(jì)復(fù)合連續(xù)快離子導(dǎo)體相、構(gòu)建“三相滲流”復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，來強(qiáng)化離子傳輸和機(jī)械強(qiáng)韌性。

目前，團(tuán)隊(duì)已搭建起0.2GWh中試生產(chǎn)線，另有1GWh產(chǎn)能規(guī)劃建設(shè)中。

于今年1月剛成立的冠盛東馳公司，脫胎于東北師范大學(xué)鋰電研究團(tuán)隊(duì)所孵化的東馳能源，在引入汽車零部件企業(yè)溫州冠盛的資金后正式形成。

基于0.5GWh的聚合物基儲能固態(tài)電池產(chǎn)線，其三元準(zhǔn)固態(tài)電池（54Ah）最高可實(shí)現(xiàn)450Wh/kg的能量密度。核心技術(shù)為在聚乙烯多孔基膜上涂覆混合前驅(qū)體，經(jīng)過紫外線交聯(lián)反應(yīng)后形成無機(jī)-有機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜，離子電導(dǎo)率可達(dá)1mS/cm；并在三元正極、鋰金屬負(fù)極上分別包覆、涂覆固態(tài)電解質(zhì)膜。

作為參考，傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率為10-15mS/cm，而新型液態(tài)電解質(zhì)能達(dá)到20mS/cm左右的高水平。

因此，通過針刺試驗(yàn)的高安全性、超1000公里續(xù)航，是公司聚合物基動力固態(tài)電池的亮點(diǎn)。公司正在與一汽紅旗、賽力斯、嵐圖、長安等諸多車企接觸中，部分送樣產(chǎn)品進(jìn)入B樣測試階段。

此外，冠盛東馳據(jù)稱已接到超2億元的固態(tài)電池訂單，主要來自歐洲和澳洲，或先以其鐵鋰半固態(tài)儲能電池的交付為主。

領(lǐng)新（重慶）新能源宣布其聚合物基固態(tài)電池產(chǎn)線一期在今年5月正式進(jìn)入量產(chǎn)階段，產(chǎn)能為0.5GWh/年。此次投產(chǎn)的是采用聚合物固態(tài)電解質(zhì)的“大固”系列產(chǎn)品。

從介紹來看，該產(chǎn)品可搭載三元材料體系，并實(shí)現(xiàn)超過380Wh/kg的能量密度。倍率方面，公司主要基于超寬極耳技術(shù)來降低電芯內(nèi)阻，配合充電樁可支撐1C-4C之間的充電速率。

值得注意的是，雖然該公司未對如何解決聚合物固態(tài)電解質(zhì)瓶頸問題做出過多解釋，但據(jù)稱其產(chǎn)品中的液含量已低至5%，且隨著二期5GWh工廠投產(chǎn)，液含量還將進(jìn)一步降低至1%-3%，進(jìn)入準(zhǔn)固態(tài)電池的范圍。

作為對比，在已公開的半固態(tài)電池產(chǎn)品中，關(guān)于液含量的介紹常見為并不精確的“10%以下”。據(jù)高工鋰電了解，6%-8%液含量是進(jìn)度較為靠前的半固態(tài)團(tuán)隊(duì)所能實(shí)現(xiàn)的。

此外，聚合物賽道中也有專注于材料開發(fā)的初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)。以滄州中孚新能源為例，其“薩拉孚”聚合物電解質(zhì)隔膜由多種聚合物材料復(fù)合合成，鋰離子遷移數(shù)達(dá)0.98，轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)率則較傳統(tǒng)PE隔膜高出1.16-1.5倍。公開資料顯示，傳統(tǒng)PE隔膜的離子電導(dǎo)率約為10^-4~10^-3m S/cm。

綜上來看，聚合物無法適配高能量密度電極的問題正好被很好的解決，但不同團(tuán)隊(duì)在離子電導(dǎo)率這一問題的解決上實(shí)際還存在著較大差異性，且尚未突破聚合物體系電導(dǎo)率天花板（也就是無法比及其他固態(tài)電解質(zhì)體系和液態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率）的瓶頸。

結(jié)合終端車企的反饋來看，能多大程度解決此問題，即實(shí)現(xiàn)聚合物基倍率型固態(tài)電芯的量產(chǎn)，或許是聚合物賽道進(jìn)入拐點(diǎn)的關(guān)鍵。

若和其他固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行對比，氧化物材料價(jià)格同樣不高，便于量產(chǎn)，且進(jìn)度稍微超前：今年1-4月國內(nèi)半固態(tài)電池裝車超過1GWh，主要為衛(wèi)藍(lán)新能源向蔚來供貨的氧化物半固態(tài)電池。

而在性能上，雖然聚合物的“短板們”已多少得到突破，卻也無法向上撐起更大的技術(shù)迭代想象空間。

另隨著現(xiàn)有液態(tài)電池向高性能方向不斷迭代，如寧德時(shí)代神行PLUS電池已經(jīng)是基于磷酸鐵鋰體系實(shí)現(xiàn)超千公里續(xù)航；新型電池的代表4680大圓柱電池又已經(jīng)在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的道路上走得更久、更遠(yuǎn)，聚合物基固態(tài)電池則仍在等待終端客戶給出更為明確的合作信號。

留給聚合物固態(tài)體系的時(shí)間并不太多，產(chǎn)業(yè)正等待更積極的動作出現(xiàn)。