为了追求新能源汽车的动力电池更安全，也为了实现对传统燃油车的全面替代，许多企业和机构都在努力研发固态电池。然而，行业在这个领域，一直没有取得全面突破。最近，国轩高科在深交所互动易平台回应投资者问答时表示，公司研发的半固态电池今年将实现装车。5月中旬，赣锋锂业披露的近期投资者关系活动记录中也明确表示，今年预计逐步释放2GWh产能的半固态电池是第一代产品，该款产品去年底已小批量生产，并在东风E70上进行了装车试验。
锂电池的正极、负极充满电解液，固态电池的电解质则是固体材料。中南大学教授、博士生导师张永柱告诉《中国汽车报》记者，半固态电池介于锂电池与固态电池之间，是一个折中方案。那么，半固态电池何以成为折中之选呢?
国内半固态电池各有特色
国轩高科半固态电池即将装车的信息迅速传播，在业内又引发一番对固态电池产业化的热烈讨论。中国科学院物理所研究员李泓告诉记者，不止国轩高科，赣锋锂业、孚能科技、卫蓝新能源等国内多家企业都瞄准了半固态电池赛道，并且取得了一定的进展。
据介绍，赣锋锂业已建成0.3GWh混合固液锂离子电池生产线，并具备批量化生产能力。该款电池第一代产品基于三元正极、柔性固态电解质膜和石墨负极，能量密度达到240～270Wh/kg。
赣锋锂业在半固态和固态电池上积极投入，今年4月新增年产7000吨金属锂项目，并且投资22亿元建设高比能固态电池超薄锂负极材料项目。赣锋锂业还在加紧第二代固态电池的研发，第二代产品将基于高镍三元正极、含锂负极，能量密度超过350Wh/kg，循环寿命接近4000次。
李泓是卫蓝新能源的首席科学家，对于该公司半固态电池的研发进展，他没有回复记者的提问。据了解，卫蓝新能源的半固态电池将配装在蔚来ET7上，其能量密度为360Wh/kg、循环寿命1000次，已通过车企及国标安全性测试，2022年该公司将实现2GWh的产能。
孚能科技的半固态电池能量密度为330Wh/kg，能够实现2.2C快充，这款电池在2021年获得美国汽车委员会的“优秀团队奖”，据称样品送给整车企业检测获得了良好反馈。
蜂巢能源的“果冻电池”采用凝胶电解质，与现有的大多数锂电池用电解液有所不同，其具有高耐热、自愈合的特点，通过160℃热箱测试、针刺测试“不起火、不冒烟”，50次循环容量保持95%以上。据悉，2021年推出的第一代“果冻电池”能量密度为250～300Wh/kg，预计2023年达到300～350Wh/kg，2025年达到350～400Wh/kg。不过，凝胶电解质还不是半固态电池，蜂巢能源也在开发半固态电池，能量密度将达260Wh/kg，预计2024年可超过350Wh/kg。
李泓说：“国内企业推出的半固态电池各有特色，但有一个共同点，比现有锂电池的能量密度有所提高，安全性也更好些。”
半固态电池有过渡空间
行业一般用5个指标衡量动力电池的优劣，即能量密度、充电时间、循环次数、安全性能和成本价格。目前，固态电池还不能同时满足这些指标的要求，但通过研究人员的努力，产品性能的提高已初露端倪。
张永柱说：“目前，固态电解质和电极之间的界面阻抗大、电解质可塑性差、循环寿命仍待提高等困难，阻碍着固态电池投入实际应用。有些固态电池在实验室中的某些指标非常亮眼，比如硫化物固态电池的充放电性能甚至超过现有的锂电池，但很难工程化，即实验室做出一款综合性很好的产品并不一定能量产。在这种情况下，研究人员设法发挥现有性能的长处，克服缺点、补齐短板，很自然地形成了半固态电池的思路。”
据介绍，研究人员发现了固态电池的安全性、能量密度和循环寿命三个指标具有较大的潜力可挖，如果能够先加以利用，动力电池产业将可以迈上一个新的台阶。目前，半固态电池的能量密度达到275～290Wh/kg，与现有的三元锂电池相比有较大幅度提高，循环寿命超过1000次，虽然不及磷酸铁锂电池的循环次数，但足以满足新能源汽车的需求。
更重要的是，半固态电池的安全性也实现了大幅提升。现有锂电池在大电流下工作容易出现锂枝晶，从而刺破隔膜造成短路。锂电池的电解液为有机液体，在高温下容易氧化分解，从而产生加剧燃烧的倾向。半固态电池不采用有机液体，半固态电解质可大幅降低发生燃烧的风险。张永柱说：“动力电池安全性大幅提升，将为新能源汽车树立口碑，增强消费者购买信心。”
多家锂电池企业涉足半固态电池，除了性能指标的吸引力外，生产线兼容也是重要因素。记者了解到，半固态电池在生产装配上与现有液态电池的设备超过80%可以兼容，20%不兼容的生产设备和工艺主要包括固态电解质膜引入、原位固化工艺、负极一体化工艺等，可以通过生产线改造完成。张永柱认为：“部分性能指标的利用潜力，不需要大规模建设新生产线，通过改造就能实现规模化、自动化和高效量产，是近年来半固态电池快速发展的重要原因。”
原位固态化成为潮流
我们通俗地把介于锂电池和固态电池之间的混合固液电池称为半固态电池，按照电解质划分，共有三种半固态。据李泓介绍，混合固液电池同时含有固态电解质和液体电解质，主要包括半固液电解质电池、准固态电解质电池、固态电解质电池，电芯中液体所占质量约为1～10wt%(1wt=10000PPm)。
李泓向记者解释了半固态电池如何利用现有的锂电池生产设备。混合固液电解质锂电池可以在传统液态锂电池的基础上，通过多种方式在电芯中引入部分固态电解质实现，具体方案包括在电极颗粒表面，包覆薄层固态电解质;在隔膜和电极孔隙中，添加固态电解质粉体或聚合物电解质;在湿法制极片过程中，液体电解质转换为固体电解质;在电芯中注入电解液后，液态电解质通过化学方法转化为固体电解质;液体电解质通过电化学反应，在电芯内原位转化为固态电解质。
混合固液电解质电池的电解质，包括液态电解质、聚合物电解质、无机物电解质。李泓告诉记者，通过优化设计，能够平衡电池的综合技术指标要求。相对于现有的液态锂离子电池，混合固液电解质电池可以匹配更高电压和容量的正负极材料。
卫蓝新能源脱胎于中科院物理研究所。目前，中国科学院物理研究所提出的“原位固态化”技术，在电芯中先通过注液保持电解质与电极材料良好的物理接触，再通过化学或电化学反应原位将液体部分或全部转化为固态电解质，综合解决了固态电池中的高电压、安全性、固固界面接触、电极体积变化、锂枝晶生长等问题。
李泓说：“基于原位固态化技术开发的车用混合固液电池，比能量达到360Wh/kg，循环寿命达到800次，110Ah电芯可顺利通过针刺等安全性测试，2022年将批量生产和应用。”
此外，辉能科技提出了“混成固态”的概念。“混成固态”包括原位固态化、各类混合固液的电池体系、界面反应、离子输运等，除辉能外，多家机构都在广泛开展这方面的研究，“混成固态”成为较为活跃的研究方向。
“在固态锂电池技术尚未完全突破的情况下，混合固液电解质电池兼容传统液态锂电池的大部分材料、设备和工艺，综合平衡安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性等综合性能，将率先实现商业化，可以替代传统的液态锂电池。”李泓说。(记者：万仁美)
