根據(jù)新華社5月25日的報(bào)道，近期日本山梨大學(xué)與早稻田大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì) 在電池領(lǐng)域取得了一項(xiàng)最新的重大突破：他們共同合作開發(fā)出了一種新型的全固態(tài)空氣蓄電池。

乍一聽，這個(gè)名字格外的拗口和高深。但其實(shí)通俗來說，這種材料就是使用鈣鈦礦材料 制造，電解質(zhì)為固態(tài)，且不含任何液體的蓄電池。技術(shù)上，全固態(tài)空氣蓄電池使用的仍是“空氣電池”技術(shù)，利用空氣中的氧氣產(chǎn)生電流，也就更環(huán)保。

(資料圖片)

而這種新型的全固態(tài)空氣電池與常見的普通空氣電池有什么區(qū)別呢?

一、日本研制出全固態(tài)空氣蓄電池，多國關(guān)注

【1】全固態(tài)空氣蓄電池的問世

一般的普通空氣電池也是利用了空氣中的氧作為正極活性材料、金屬作為負(fù)極活性材 料，結(jié)合離子導(dǎo)電電解質(zhì)而作用。但實(shí)際上在許多情況下，固態(tài)鋰空氣電池中的聚合物電解液是會(huì)出現(xiàn)液體泄漏、蒸發(fā)和著火等危險(xiǎn)狀況的。

但新型的全固態(tài)空氣電池卻是采用二羥基苯醌及其聚合物作為氧化還原物，將質(zhì)子作為 負(fù)極活性材料，質(zhì)子導(dǎo)電聚合物薄膜來作為電解質(zhì)， 其中每個(gè)環(huán)節(jié)和每份材料都不含有水分，也就不會(huì)出現(xiàn)水分導(dǎo)致的性能下降和危險(xiǎn)狀況了。

更重要的是，新開發(fā)的全固態(tài)空氣電池?zé)o論是壽命、能量和安全性都更優(yōu)異于其它電 池，且充電速度也更快，彎折狀態(tài)下也能使用的特點(diǎn)使得它不僅僅適合用于電動(dòng)汽車、 家庭能源儲(chǔ)備系統(tǒng)，以及航天器等大型設(shè)備，更是難得地適用在手機(jī)等小型電子設(shè)備上。

這種新型電池的用途廣泛到簡直是大殺四方， 一旦實(shí)際使用能力得到確認(rèn)，可以量化產(chǎn)生，或許將在未來的電池領(lǐng)域確定霸主地位。

【2】這類型全固態(tài)空氣電池為何能飽受關(guān)注?

其實(shí)研究固態(tài)電池并非是什么新鮮“黑科技”了，且不說日本整個(gè)國家一直以來就在舉 全國之力研發(fā)，試圖彎道超車中國，跳過三元鋰電池和磷酸鋰電池直接進(jìn)入鋰電池的終 極形態(tài)——全固態(tài)，就說說世界上最早的固態(tài)電池也早就在1990年誕生在了美國的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室。

那為何此次日本研究團(tuán)隊(duì)的成功仍然能引起國內(nèi)外專業(yè)人士如此之大的關(guān)注呢?原因無 他，日本的這一研發(fā)很有突破性，且在未知條件下更具有威脅性。

由于當(dāng)前披露的信息不夠多，大家只知道此次研發(fā)的全固態(tài)空氣電池避免了液態(tài)鋰離子 電池可能存在的泄露和燃燒風(fēng)險(xiǎn)。但不知道的是， 如果日本用作電池負(fù)極的直接就是金 屬鋰，而非現(xiàn)用的銅箔的話，那日本這一研發(fā)簡直就很有可能在電池領(lǐng)域碾壓多個(gè)國家。

因?yàn)榻饘黉嚾萘扛?、電位低，所以金屬鋰用作?fù)極的話可以提高近乎一半的能量密度。 而能量密度一提高就能解決不少能量焦慮問題：比如，用戶對于純電車的里程擔(dān)憂；大 型航空器也能實(shí)現(xiàn)電力或者更加省油的油電模式。而這種金屬鋰直接做負(fù)極的電池能比當(dāng)前性能最好、最受歡迎的三元鋰電池能量密度高上足足一倍。

但為什么目前還沒有哪個(gè)國家或地方機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)完全的百分之百的使用金屬鋰作為電池 負(fù)極呢?因?yàn)榻饘黉囯m然是最理想的負(fù)極材料，卻在反復(fù)充電過程中有著因易粉化、溶 解和沉積導(dǎo)致的循環(huán)性能差等致命毛病。要實(shí)現(xiàn)金屬鋰的理想性能，就勢必要解決這一問題。

當(dāng)然，日方是否解決了問題這一點(diǎn)核心機(jī)謎目前尚未有所披露，官方的論文中也只是稱 其嘗試了分別用具有氧化還原活性的有機(jī)化合物2,5-二羥基-1,4-苯醌及該化合物的聚合 物來用作負(fù)極活性物質(zhì)，其他再未提起。

二、固態(tài)電池，能否挑戰(zhàn)目前鋰電池的地位?

【1】新型電池在電車上的應(yīng)用有什么優(yōu)勢?

首先要討論這一點(diǎn)，我們需要先了解的就是一旦全固態(tài)空氣蓄電池用在電車上，帶來的提升或者說進(jìn)步能否達(dá)到驚人的效果。

當(dāng)前主流的幾大動(dòng)力蓄磷酸鐵鋰和三元鋰電池，而為了提升電池的性能，材料創(chuàng)新方面 也有著很大的進(jìn)步：鈉離子電池、混合鋰金屬、無鈷電池等等都有。幾乎國內(nèi)外的所有 電池材料與工程學(xué)者都認(rèn)為，未來電池的歸宿就是全固態(tài)鋰空氣電池。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)最終歸宿就是一步一步走，從液體鋰電池到固態(tài)電池和鋰硫電池，再到鋰空氣電池。

截止到2021年數(shù)據(jù)，中國的三元鋰電池單體能量密度能實(shí)現(xiàn)280Wh/kg, 磷酸鐵鋰電池則是能達(dá)到170Wh/kg, 比十年前的能量密度提高了2倍多，成本卻少了85%。

而在此基礎(chǔ)上的推算，2025年的固態(tài)電池能量密度可達(dá)到700Wh/kg, 鋰硫電池甚至可 以達(dá)到2600Wh/kg。 如若2030年的鋰空氣全固態(tài)電池能實(shí)現(xiàn)的話，能量密度可完成3500Wh/kg。 這三個(gè)階段的對比可不是一丁半點(diǎn)的進(jìn)步，而是翻倍增加啊。

當(dāng)然，目前日本已經(jīng)開發(fā)出了半固態(tài)電池，并且量產(chǎn)上市。2022年5月，國內(nèi)國軒高科等 電池企業(yè)也紛紛發(fā)布了半固態(tài)電池，且其中的贛鋒鋰業(yè)甚至已經(jīng)與東風(fēng)汽車合作完成了 電池車的制作并投入使用。但半固態(tài)電池仍存在隱患：半固態(tài)意味著仍有液體存在，高溫之后也仍會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。

所以，朝著鋰空氣全固態(tài)電池進(jìn)發(fā)依然是全體行業(yè)人的目標(biāo)。就日產(chǎn)當(dāng)前已研發(fā)出的疊 層軟包全固態(tài)電池而言，已經(jīng)可以將鋰電池的能量密度提高一倍，充電速度提高三倍 了，更別說成本。根據(jù)日產(chǎn)官網(wǎng)公布，到2028年，他們要將電池成本降到每千瓦時(shí)75美 元，并且這不是最終的成本，在此基礎(chǔ)上之后還要往下再降，直至與當(dāng)時(shí)匹配的電動(dòng)車型和燃油車型價(jià)平衡。

這一切都是因?yàn)椋?一旦鋰空氣全固態(tài)電池問世，將帶給車企最充足的底氣和資本。

【2】新型電池的優(yōu)勢會(huì)否帶動(dòng)鋰電股價(jià)狂跌?

2021年，蔚來搭載了150kW 的固態(tài)電池的ET7 “硬件怪獸”上市之時(shí)，是引發(fā)了傳統(tǒng)鋰 電池多股遭受沖擊的。到了今年年初，各國電池企業(yè)的固態(tài)電池商業(yè)化趨勢越發(fā)明朗， 于是多家研發(fā)固態(tài)電池的上市公司股價(jià)直接漲到停板。

但是!固態(tài)電池股價(jià)被看好，并不意味著鋰電產(chǎn)業(yè)的衰敗和暴跌。只能說，明牌放上了 桌，敢不敢跟暗牌還要看多家企業(yè)的競爭力度了。畢竟，固態(tài)電池尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和大 規(guī)模量產(chǎn)，更別提還在藍(lán)圖之中的鋰空氣全固態(tài)了。

即使半固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)，預(yù)計(jì)對現(xiàn)有鋰電產(chǎn)業(yè)也不會(huì)形成太大沖擊。因?yàn)榘牍虘B(tài)電 池本質(zhì)上相較于鋰電池而言并不算是顛覆性創(chuàng)新產(chǎn)品，它的組成與原理上仍然需要電解 液和隔膜。在電解液環(huán)節(jié)上，所有的創(chuàng)新也都還只是改良版的物理形態(tài)改變而已，其中使用的溶質(zhì)和技術(shù)也并沒有多大改變。

至于全固態(tài)電池需要多久才能來到市場? 原本豐田曾表示，固態(tài)電池能否迎來未來還在 于成本問題。但山梨大學(xué)oshimi Kubo教授和早稻田大學(xué)Takashi Goto教授的此次研究已經(jīng)將全固態(tài)電池的雛形所變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，接下來的一步就是是否能解決金屬鋰的障礙了。

但是即使在未來解決了金屬鋰的問題，其在商業(yè)化上的廣泛應(yīng)用也仍需要時(shí)間。而這段時(shí)間以內(nèi)，中國的電池企業(yè)也并不是在干坐枯等。

我國有可以對抗日本電池的東西嗎?

正如前文所提到，中國的國軒高科、珈偉新能、天齊鋰業(yè)、贛鋒鋰業(yè)等多家電池企業(yè)已 經(jīng)躋身國內(nèi)固態(tài)電池龍頭股。當(dāng)然，看重未來也不代表直接放棄當(dāng)下。除了固態(tài)電池以 外，國內(nèi)頗具優(yōu)勢的重點(diǎn)動(dòng)力電池——三元鋰和磷酸鐵鋰電池都占據(jù)主導(dǎo)領(lǐng)先地位。尤 其寧德時(shí)代和比亞迪為首的眾多中國產(chǎn)商，甚至是特斯拉、蔚來、小鵬和理想等汽車的主要供應(yīng)商。

而在電池能源領(lǐng)域之外，我國也一直有在研究用來作為補(bǔ)充的其他電車動(dòng)力能源——就 如同近些年來一直被炒得比較火的“石墨烯電車”?；旧弦惶岬诫娷?，不管是兩輪的 還是四輪的，甚至哪怕是個(gè)三輪車，銷售商都會(huì)來上一句“我們這是石墨烯電池，效率快，污染低”,恨不得給電車加上“超高科技”的Buff 和標(biāo)簽。

但事實(shí)上，此“石墨烯”非彼“石墨烯”。 清華大學(xué)康飛宇教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)確實(shí)一直以來便聚焦于研究石墨烯的深加工技術(shù)，但人家團(tuán)隊(duì)研究的是使用石墨烯來作為鋰電池 正極導(dǎo)電材料，而非直接添加進(jìn)電池溶質(zhì)中。 雖然石墨烯的確能夠提升電池的能量密 度，但根據(jù)廣汽研究院石墨烯應(yīng)用研究創(chuàng)新工作站的實(shí)驗(yàn)，石墨烯提升的能量密度有限，僅能實(shí)現(xiàn)5%到10%而已，與工作人員們所預(yù)期和希冀的20%到30%大有不同。

于是，石墨烯材質(zhì)被研究人員們采用為添加劑和催化劑，在加強(qiáng)散熱和提升汽車電池功率密度上發(fā)揮了超大作用。

當(dāng)然，“石墨烯電車”為假， "石墨烯+電池”為真，這并不意味著我國的新能源動(dòng)力 電池優(yōu)勢會(huì)被直接碾壓，也不意味著我國沒有機(jī)會(huì)再引領(lǐng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭。

我國固態(tài)電池起步最早的幾家企業(yè)：寧德時(shí)代、輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶新能源都非常重視這一類型電池，因?yàn)樵谛履茉雌噦涫軞g迎的今天， 一旦掌握固態(tài)電池并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)那簡直就是可以直接“稱王稱霸”了。

寧德時(shí)代在2016年就已經(jīng)開始了硫化物固態(tài)電池的研發(fā)，并且能實(shí)現(xiàn)30周循環(huán)依然能保 持電池容量82%。而據(jù)官方發(fā)言，寧德時(shí)代預(yù)計(jì)將在2030年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化和工程化。

但寧德時(shí)代這在普通人看來進(jìn)展并不算弱的現(xiàn)況，對比起輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、清陶新 能源三家來已經(jīng)算是落后那一位了：輝能科技早在2019年就與蔚來合作開啟了“定制 式”的固態(tài)電池包；贛鋒鋰業(yè)的第一代固態(tài)鋰電池試生產(chǎn)線也早在2019年開始動(dòng)工；清陶新能源已經(jīng)在2018年量產(chǎn)出了第一批固態(tài)電池產(chǎn)品。

全固態(tài)電池

鉀 同 陽 奶

可以說，在電池技術(shù)革命的市場上，不僅中外國家間在競爭，國家內(nèi)部的企業(yè)里也在競 爭。摩根士丹利分析師亞當(dāng) ·約納斯曾發(fā)布研究報(bào)告表示： “固態(tài)電池固然可以代表能源 存儲(chǔ)的未來，但事實(shí)證明，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的道路比我們和市場預(yù)期的更困難，也更遙遠(yuǎn)?！?/p>

而鹿死誰手，只有時(shí)間知道。

參考資料：

日本山梨大學(xué)和早稻田大學(xué)合作的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全固態(tài)空氣蓄電池，每日經(jīng)濟(jì)新聞

吳憩棠、安富強(qiáng)：鋰離子蓄電池的未來發(fā)展方向，汽車與配件. 2011(05) 趙琚：全固態(tài)鋰電池失效機(jī)理的原位電子顯微學(xué)研究，燕山大學(xué)

趙宇龍、孫旭東：固態(tài)電池關(guān)鍵制造工藝綜述，汽車工藝師.2022(07) 高馳：鈉電池和固態(tài)電池，誰能更早迎來產(chǎn)業(yè)化?汽車與配件. 2023(03)

中國中車研制成功世界領(lǐng)先的大功率石墨烯超級(jí)電容，有色冶金節(jié)能.2016,32(01)

萬傳云、陳曉戈：鋰離子電池用石墨烯改性硅負(fù)極材料的研究進(jìn)展，應(yīng)用技術(shù)學(xué)報(bào).2022,22(04)

韓宏偉：石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的分析，青海科技. 2022,29(05)

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