清陶能源副總經理何泓材：三大件直接決定了電池的性能和成本

第二十屆中國汽車產業發展（泰達）國際論壇（以下簡稱“泰達汽車論壇”）于2024年8月29日至9月1日在天津濱海新區舉辦。清陶（昆山）能源發展集團股份有限公司副總經理、研究院院長何泓材發表了題為“全固態動力電池產業化路徑與實踐”的演講。

清陶（昆山）能源發展集團股份有限公司副總經理、研究院院長 何泓材

今天我分享的題目是《全固態動力電池產業化路徑與實踐》，前面幾位嘉賓把固態電池很多原理、存在的問題講的非常詳細，我聽完也是受益匪淺。爭取最后一個報告講一點有差異的，相同的我們盡量不講。

這些年新能源汽車帶動動力電池取得了非?？焖俚陌l展，但是到目前為止依然還存在著包括安全焦慮、里程焦慮，包括大家還依然嫌它貴。

作為一個用戶來講我們肯定希望我們的電動汽車高安全、長續航、長壽命、低成本、全氣候條件都能工作，也能實現快充，這確實是有難度的事。這些性能的要求最終落到電池上，對能量密度、功率性能、熱穩定性、安全性、壽命、成本都提出了非常高的要求，傳統鋰電池在滿足這些要求方面基本上已經接近性能天花板了，所以有了我們今天討論固態電池的邏輯。

從目前看來，包括前面幾位嘉賓都提到，固態電池具有非常好的應用前景和空間。我們從性能對比來看，固態電池能量密度、安全性具備優勢，因此全世界各國，特別是發達國家，包括我們一些車企的頭部企業，對于固態電池寄予了非常大的期望。像日本豐田給全固態電池定位了新能源汽車“游戲規則改變者”，為此我們全世界對固態電池，特別是全固態電池給予了非常大的支持和關注。

其實固態電池不僅僅是鋰電池的下一個發展階段，因為它的性能優勢還在其他的領域，包括鉛酸電池，以前說鋰電池不安全，好多場景還在用鉛酸電池，有了全固態電池之后，鉛酸電池也是我們固態電池的應用場景，所以固態電池具有著非常廣闊的空間。

固態電池其實它的本質特征在于用固態電解質替代了傳統的電解液，但其實它又不僅僅局限在這，這一替代還帶來了一系列的變化。首先我們全固態相比于用電解液的液態電池，傳導機理從電解液的傳導變成某固態離子的傳導，這一變化對于固態電池就沒有漏液的風險，本身的固態傳導網絡更高的穩定性和可靠性，也使得電池具有了更長的壽命。同時沒有了電解液易燃、燃點低的隱患，它的安全性能自然而然更好。

除此之外，其實固態電池還有更多的優勢，以前因為有電解液在，很多正極材料、負極材料是不能用的?，F在把電解液替代之后，固態電解質為我們打開了一扇新的窗戶，我們可以把這些材料在固態上用。包括高電壓的正極材料，也包括金屬鋰這種負極，電解液是沒有辦法做到長循環，在固態電池給了這些材料機會。

但是也帶來了問題，傳統的液態電池是多孔結構的，但是對于固態電池我們希望它是致密結構的，因為所有的孔都會是鋰離子傳導障礙。有固態離子傳導通道的情況下，我們希望內部結構做到致密，這對電池的制造工藝提出了大的挑戰。還按以前的工藝，可能是很難做出特別致密的結構，所以需要有一些新的讓它可以實現致密化成形的工藝，實現這樣的要求。

總結起來看，固態電池相比于傳統的液態電池，電解質發生了整個的替換之外，其實還需要材料，包括材料工藝方面去做更多的工作，讓固態電池的優勢能夠全面的發揮和體現出來。

到目前為止，其實我們做的半固態、準固態，或者是固態電池，其實還是在沿用傳統鋰電池的大部分材料，特別是正負極，沿用成熟的正負極材料做固態電池。但恰恰是這些材料讓固態電池很多優勢還沒有完全發揮出來，我們把固態電池產業鏈大概理了一下，簡單來說其實從以前的液態電池四大件現在變成了三大件，就是固態電解質、正極材料和負極材料，這三件直接決定了電池的性能和成本，今天我主要從這兩方面給各位嘉賓介紹一下。

前面很多專家提到各種技術路線，其實固態電池的技術路線就是圍繞著固態電解質的類型來的。簡單來講從材料角度，真正分類它是無機、聚合物和無機聚合物的復合材料，這里面又有了氧化物、硫化物、鹵化物，甚至還有其他的體系，當然氮化物、氫化物性能成熟度低一些。聚合物有幾種類型的，有聚醚類的、聚丙烯型的、聚碳酸酯的等等。

有機、無機復合，一定程度上可以把這二者優勢結合，但是無論是哪一種，到目前為止沒有真正一種電解質材料把所有的優點都集于一體而無缺點，這種材料沒有。

但是在過去這10年里邊，我們的固態電解質的材料從性能上取得了非常重要的突破，無論是我們的氧化物、硫化物還是鹵化物，特別是鹵化物，在最近幾年有了很大的突破。正是有了這些性能的突破，促進了固態電池開發和產業化進程得到加速，促進了全社會大家對于固態電池給予這么大的關注。

現在的這些性能，特別是像硫化物，前面幾位嘉賓講到了，性能已經非常好了，特別是導電率比電解液還要高，但是到目前為止各有各的問題。

清陶在電解質方面做了大量的工作，我們2016年就開始在這方面做。最早是圍繞著氧化物體系，實驗室開發出來是第一步解決配方問題，后面要解決量產問題和一些小細節的問題，我們怎么把它做到可量產的工藝，而不是實驗室工藝。量產要解決生產安全性等各方面的問題，所以我們解決包括水系量產工藝，怎么讓它實現量產。同時我們還要降本，我們知道性能好了還要摻鋯，鋯這個元素肯定是貴的，我們找到一些廉價元素去摻雜，不影響性能，成本能降下來。

包括聚合物，其實我們都做了大量的研究，但是單個確實都還不行。包括鹵化物，我們這兩年自己公司也做了一些相應的開發，包括一方面提升它的導電率，另一方面實現規?；闹圃臁?/p>

目前我們找到一些好的方法，比如說通過熱熔效應，開發的相對成本比較低的鹵化物，室溫導電率可以達到6mS/cm，而且通過驗證它的穩定性還是非常理想的。

目前我們也能做到單批次達到百公斤這個量級的生產制造，所以接下來我們再繼續往前推進，在全國電池里頭能夠讓它用上。

如剛才所說，目前每一種電解質都有自己的優點，也有自己的缺點。像聚合物兼容性特別好，但是它的離子電導率相對比較低，常溫、低溫的性能比較差，還有最大的問題是電化學窗口比較窄，跟高電壓的正極難以匹配。而無機電解質相對導電率比較高，但是它存在工藝兼容性、致密化要求難度大一些。

所以我們一直以來的認識，我們必須要通過無機和聚合物復合，綜合這兩者的優勢取長補短。通過復合全固態電池，將是實現全固態電池量產的有效途徑。

我們通過復合之后，我可以在電解質方面實現分層抑制組份的設計，讓合適的材料在合適的位置。比如說正極側需要抗氧化、耐高電壓，負極側跟金屬鋰接觸，我需要耐還原的。我讓分別不同的材料實現相應的功能，而在主體當中追求高的導電率。通過這樣我們形成一個復合的材料體系，去做成我們電池里面，得到應用。

應該說電解質我們有了這樣一個選擇，有一個問題，可能這也是很多人問的，我們的固態電池如果只是說我們用固態電解質去替代了我們的電解液之后，如果我們正負極材料選擇還是一樣的材料，我這個固態電池到底能有哪些優點？剛才講到安全性我覺得是沒有問題的，因為固態電解質本身安全，同時它的穩定性使得電池具有更長的壽命。其他的呢？比如說我實現高比能，大家都說固態電池可以實現高比能，甚至還可以實現更低的成本。

這怎么實現？如果簡單地從電解液替換成固態電解質很難實現，因為比能量主要是由正負極材料決定的，低成本也是正極材料和負極材料在整個電池成本里面占比最高的，如果只是電解質的替換不能實現。要想實現這些有點性質，我們必須在固態電池這個新的賽道或者是新的平臺使用新的正負極材料體系，去把那些性能更好，以前跟電解液不兼容，但是在固態平臺可以用的這樣一些材料在這用上，才可以實現差異化的性能。比如說更高的流量密度，或者更低的成本。

這也是這幾年一直在做的工作，在所有的正極材料里頭，其實有一個家族，我們叫做錳系正極材料，它其實是一個大家族。有大家熟悉的錳酸鋰，還有沒有在傳統電池里用的鎳錳酸鋰，就是所謂的二元，還有現在比較熱的磷酸錳鐵鋰，還有富鋰錳基的，這些材料都具有共性特點。

首先材料的導電性比較好，所以它的倍率、低溫性能是比較好的，而且它的結構穩定，安全性能突出。電壓平臺也比較高，意味著我單位安時的耗鋰量是減少的，我做系統的時候串聯的數量，特別是高電壓平臺串聯數量可以減少。最大的優勢是在于錳資源很豐富，錳很便宜，這其實是一個低成本的材料體系。

但是它有一個最大的問題，錳系材料和電解液的兼容性不是特別好，在液態電池里面也有用像錳酸鋰，這是很老的材料，在電解液下也可以用，但是循環性能不好。主要是錳和電解液有溶出的效應，同時像高電壓的又找不到耐高電壓的電解液，所以錳系材料一直用的不太好，或者很多材料沒有用上。

但是我們把固態電池優勢放在一起，發現這兩個東西有很好的互補作用。因為本身固態電池電化學窗口寬，可以匹配高電壓正極，也沒有說電解液可以產生離子溶解的問題，造成錳的溶出，在固態的平臺就沒有問題，所以在固態這個平臺上可以讓錳材料的一些問題，或者在電解液的這些問題在這個平臺上沒有的性能可以得到很大的提升。

所以我們的觀點是把正極材料和全固態這個技術很好結合在一起，全固態電池可以使錳系正極材料煥發新生，而錳系正極材料又可以助力全固態電池實現一個性價極優，特別是我們說降成本，單純靠工藝、靠規模，如果材料不變，這個空間是很有限的，因為傳統業態里面規模足夠大，成本降的足夠低，還用這個材料成本很難降下來。我們可以用液態電池用不了，或者用不好，但其實更便宜的材料，比如說錳系正極材料，比如說錳酸鋰雖然它能量密度低，但是跟磷酸鐵鋰差不多，但是低溫性能比磷酸鐵鋰有明顯的優勢。

磷酸鐵鋰在北方冬天電池衰減比較大，但是錳酸鐵鋰在低溫容量的保持率可以在95%以上，你的衰減可以控制在很小，這樣可以真的實現一個性價極優的特點，二者可以實現互相成就的可能性。

我們可以看看這里簡單把性能提了一下，包括低溫性能，電壓平臺更高，包括倍率性能，以及在高倍率時候的溫升，其實這些方面的性能是相比于磷酸鐵鋰的優勢。

然后它的循環性能，以前我們可以讓它實現2500次以上的循環，而以前的錳酸鋰在電解液的情況下只能做到上千次是很好的，大多數是幾百次的循環，這是因為錳溶出一系列的問題。

這是我們通過固態技術錳酸鋰的痛點，對標磷酸鐵鋰的電池，它可以實現低成本的電池，以后我們真的把錳酸鋰這個東西真的用在乘車上或者是電動汽車上。

第二個是鎳錳酸鋰，傳統液態電池上用的比較少，因為它的平臺電壓比較高的，平臺電壓可以到4.4伏以上，所以沒有很好的電解液導致它一直沒有很好的應用。但是它是對標三元的，是因為在高電壓的情況下，克容量雖然沒有三元那么高，電壓高了之后能量密度差不多。

同時它的成本優勢比較明顯，因為它里頭完全不含鈷，鎳的含量和主要錳的含量，所以成本相比三元明顯低，而且安全性能相比三元來說，有著材料本真上的優勢。

比如說我們做了熱分解溫度，還有熱分解之后的產熱量，相比三元來說，鎳猛酸鋰溫度更高，同時熱放射量只有三元的1/3。所以我們說材料本身安全性高，失控之后帶來的危害性低，從這個來講有非常好的優勢。

我們把循環壽命也可以做到像我們2500次以上的性能，使它可以在乘用車這個領域得到很好的應用。

對標相同克容量的三元正極，我們覺得鎳錳二元成本有明顯的優勢，同時綜合性能更好?？梢哉f是一個高性價比全能的正極材料，但是它只有跟固態技術結合在一起，才能把這些性能很好的發揮出來。

當然錳系是一個大家族，除了這兩種，還有錳鐵鋰和富鋰錳，它具有更高的克容量，這給我們電池實現更高的能量密度提供了很好的機會。目前研究的還是在傳統的電解液研究，我找不到匹配的高電壓電解液，所以研究的人很多，到目前還基本沒有用上。在固態這個平臺上，我覺得也給富鋰錳這樣的材料提供了很好的機會。

我們的觀點是可以在固態平臺上把錳系正極材料這個家族使用上，讓它成為全固態電池這個賽道上一個正極材料的新體系。

除了材料之外，其實在工藝上我覺得固態因為我們這種致密化的要求，對我們原有的這一套攪拌、涂布再烘烤的工藝，可能并不一定非常適合我們全固態的路徑。像前面幾位專家提到的干法，其實干法我們全世界研究的比較多，我們自己也做了相關的工作，包括常規的干法和濕法的比較。

我們首先在電解質膜這個方面初步找到了可以通過干法的方式實現，我們通過3D干法膜的機體和我們一些刮涂噴涂的復合，形成了3D的干法膜，實現電解質膜的干法制造。

同時我們在正負極，因為負極相對來說難度低一些，很多家都做了，但是正極能做的很好的干法，目前能真正用上的不多。目前我們已經可以到中試的卷對卷的生產狀態，所以干法工藝基本上可以實現了。而且我們在極片做了干法之后，我們在極片和電解質的復合上，我們通過干法的熱復合，也能夠實現連續的制造。

所以目前看來，干法我覺得在全固態電池這個平臺上，是完全可以或者有很大的希望用上的，相比之下干法很多傳統電池廠也在研究，但是實現的極片跟電解液的兼容性也是有點問題。因為它里頭很多孔隙是閉孔的，這個情況下，電解液的兼容性很難實現，所以導致在液態電池體系下，我們干法極片用的不是太好。但是對于固態電池來說，通過干法實現致密，這跟固態的需求也是匹配的。

結合以上，我們選擇了全固態這樣一個路線。我們用高電壓的錳系正極，包括有機復合的固態電解質，包括高比容量的負極，負極是全固態要實現起來比較難的環節，今天我們不展開講了。

我們通過這些設計，包括復合電解質的層面上，很好地解決界面問題，我們通過高電壓的正極，實現一個高的能量密度。同時我們一直非常關注怎么工程化之后還能具有一些成本上的優勢，大家都說固態電池更貴，我們怎么能夠控制在一定程度或者降下來，這是我們一直努力的一個點。

我們通過高電壓的錳系正極，包括選擇低成本高導鋰的固態電解質的鋯系鹵化物的一條路線，以及我們低成本的一些干法工藝，最終讓整個電池在成本上達到可控的狀態。

當然我們最重要實現產業化中間還有很多工作要做，包括材料、電池工藝，以及我們新的工藝需要新的裝備的開發。到了系統集成層面上，其實也提出了新的一些挑戰。包括現在做全固態電池大家說需要一定壓力，在電池包層面上怎么解決這個壓力問題，使用過程中的壓力問題，也在我們系統集成層面上提出了新的挑戰，還有很多工作需要做。最終我們通過整車驗證，去實現我們全固態電池真正的產業化。

這個圖在很多次報告里都會提到，我們自己說我們分三步走，不是簡單地把液體量從10%降到5%，降到0%，其實我們是逐漸地把固態技術推向成熟。比如說半固態到固態的過程中，我們解決了很多固態的問題，我們設計出了復合正極，我們也把電解質的成膜化，膜的成形工藝做了相應的解決。包括我們固態電池膜和我們極片的復合，這些問題我們在第一代里解決了。

明年我們即將推出第二代，把高電壓錳系正極材料引入到電池里面，使真正的固態電池在成本上也不是它的劣勢。同時在電解質這個方面要實現致密化，包括干法工藝，逐漸導入到我們產業化里面。

剛才還說了鋰基的負極，其實鋰基的挑戰是最大的，包括鋰的生產制造，包括鋰我們選擇怎么樣的一個復合的鋰。這些是我們通過這三步走，逐漸把固態電池的一些關鍵技術推向成熟，然后最終把全固態電池推向產業化。

其實全固態電池是提供了一個平臺，在這個平臺上是一個賽道，首先安全性有了很好的提升，但同時在這個平臺上，我可以選擇用不同的正負極材料的組合，或者讓不同的正負極材料在這個平臺上發揮出它的亮點。比方說我們要實現高能量密度，我們肯定選用一些富鋰錳的，或者是高鎳的，這樣一些正極結合著我們鋰或者硅基的負極，結合我們全國的技術實現超高的能量密度，比現在的液態電池能量密度提高1倍，這樣我們實現更高的續航和整個車間的輕量化，這是我們對電動汽車高能量密度的貢獻。我們把便宜的材料用上，實現降本，實現整車的性價比。

同時我們全固態剛才前面幾位老師講是可以耐高溫的，在高溫上是沒有問題的，同時錳基的低溫性能結合起來，我們可以實現更寬的溫域和更寬的使用范圍，最終讓我們全固態電池的電動汽車全季節南北方通用。

最終我們更關注壽命，特別是商用車，特別是包括儲能，我們把磷酸鐵鋰循環壽命結合全固態技術之后，全固態技術也賦予它日歷壽命，當它的日歷壽命和循環壽命都能夠保持足夠長的時候，我們真正實現車電同壽命，從而降低我們整個的運營成本。

所以全固態電池給我們電動汽車提供了一個新的可能或者新的賽道，讓這樣一些我們現在車的痛點能夠得到很好的解決的可能性。

最后我們通過構建完整的產業鏈，包括全材料體系的構建，實現全固態電池產業化逐步實現的過程。在今年我們在已有的固態電池材料量產基礎上，今年開始搭載上車，我們第一代高能量密度電池可以實現長續航。同時明年我們跟上汽聯合打造的是第二代的固態電池，具有性價比的固態電池，也把我們高電壓錳系材料在這個體系上用上，將會批量生產出來并配套上去。

后面我們面向全固態電池的開發，國家全固態電池計劃是在2027年裝車應用，我們判斷這個時間點是有信心、有能力完成的。我們內部的計劃是在2026年初步把電芯能夠批量的做出來，才有可能在2027年得到應用，目前我們正在為了這個時間節點我們一起在全體系公司大力努力去完成這樣一個目標。

最后簡單總結一下，我覺得全固態電池有它非常好的性能優勢，也已經大家公認成為鋰電池下一個發展階段，成為必然趨勢，也確確實實有望成為電動汽車市場游戲規則的改變者。

我們自己的選擇是有機、無機復合這樣一個固態電池的路線，我們覺得它最適合全固態電池及其量產工藝。當然，全固態電池產業需要構建，包括我們固態電解質，以及新的正負極材料在內的新的材料體系和新的產業支撐，才有可能讓全固態電池這個產業得到大力發展。這需要電池企業不斷努力創新，包括材料企業和裝備企業共同創新支撐，我們期待上下游共同努力，發展好全固態電池這一新質生產力，為全固態電池發展做出我們的貢獻。

謝謝大家！