全新固态电解质的问世成功将电池原材料成本降低至1.38美元/平方米

近日，一种锂电池固态电解质新材料——氯化锆锂的问世，成功将50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，而此前最廉价的氯化物固态电解质相对应的成本为23.05美元/平方米。

这种新材料由中国科学技术大学教授马骋团队设计并合成，该材料克服了锂电池固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的瓶颈，有望推进安全且具有更大能量密度提升空间的全固态锂电池商业化进程。相关成果7月20日发表于《自然—通讯》。

值得关注的是，该成果发布的第二天，锂电池板块“涨声”一片，飘红股票占比87%，A股19只“锂电池”股再创历史新高。投资者认为，这一重磅进展有可能是引爆“锂电池”板块的推手之一，而市场也对这种“物美价廉”的新材料充满期待。

“鱼与熊掌”可兼得

当前，传统商用锂电池自燃事故时有发生。不久前，杭州电动车自燃事故仍让人心有余悸。

“采用有机液态电解质的传统商用锂离子电池，具有体积小、容量大、使用寿命长等优点，但其热失控之后容易起火，甚至引发安全事故。”马骋对《中国科学报》说，固态锂电池中的固态电解质，可以杜绝液态电解质带来的“易燃易爆”与漏液等问题，实现安全储能。

固态电解质是固态锂电池最核心的部件，但其生产成本和综合性能往往不可兼得，难以满足商业化需求。

“虽然固态锂电池具有更高的安全性，但固态电解质原材料成本大多非常高，并且相当一部分性能很好的固态电解质对湿度的稳定性不佳，需要在露点不超过零下40摄氏度的环境下制备和储存，极大增加了生产成本。”马骋坦言，这些都给全固态电池的商业化带来巨大挑战。

对生产成本和综合性能来说，“鱼与熊掌”能否兼得？马骋团队设计并合成的新型氯化物固态电解质材料——氯化锆锂，成功将50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，远低于10美元/平方米这一确保全固态电池市场竞争力的阈值。

除此之外，氯化锆锂在露点高达零下15摄氏度的相对潮湿气氛中仍能保持稳定，其合成和储存对环境的要求并不苛刻，相对来说更容易制备，这也进一步降低了生产成本。

值得关注的是，生产成本的降低并不以牺牲性能为代价。

“这一新成果最大的亮点，就是我们设计的材料在大幅降低规模化生产成本的同时，仍然在综合性能上有很强的竞争力。”马骋表示，在离子电导率、可变形性以及与高电压正极相容性等方面，氯化锆锂很好集成了硫化物、氧化物固态电解质的优势。它与高镍三元正极组成的全固态电池的循环性能，甚至可以比肩基于液态电解质的锂离子电池。

新材料并不完美

当下主流的动力电池，无论是磷酸铁锂电池还是三元锂离子电池，均是采用液态电解质的锂离子电池，除了存在“易燃易爆”的弊病，能量密度也基本达到了“天花板”。

马骋认为，在新能源电动汽车领域，全固态锂电池或许是安全问题的最终解决方案，将会成为锂电池行业的颠覆者。此外，全固态电池可以使用更高能量的正负极材料，电池构造也能提供更多“脑洞大开”的可能性。

然而，全固态锂电池虽然被科学界和产业界普遍看好，但其商业化量产仍面临诸多障碍，比如需要寻找更加适合量产的固态电解质材料、固态电解质膜需要做得更薄等。

马骋坦言，固态电解质材料只有兼顾成本和性能，且具有巨大优越性，才有全面替代液态电解质的可能。此外，固态电解质膜主要用来传输锂离子，厚度做到10~40微米，在能量密度上才具备竞争力，这些重大障碍均非一朝一夕可以扫除。

氯化锆锂则是首个基于四价阳离子的高性能氯化物固态电解质，马骋表示，它克服了生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈，并且在这两方面均具备显著优势，这在固态电解质中十分罕见，为全固态电池商业化扫清了一大障碍。

“但需要特别说明的是，这一新材料并不完美。”马骋坦言，氯化锆锂对于金属锂负极的稳定性并不好，这一不足仍需解决。目前，该团队正在试图提升氯化锆锂对金属锂的稳定性，以及研发基于氯化锆锂的高能量密度软包电池，不断优化全固态锂电池性能，并与相关企业合作推进商业化进程。

“我相信随着科技发展，各种障碍会一个个被清除。”马骋说。

锂电池成本降到多少才划算？

我国的新能源汽车市场占据了全世界的半壁江山，2019年，中国新能源汽车销量共计120.6万辆，占全球221万辆的一半以上。但是，即使在发展速度如此之快的中国市场，每月新车的销售仍集中在燃油车，占比超过九成。

任何一项好的生意，归根结底都基于广大的底层需求。通过记者多日在数家燃油车品牌4S店的随机采访发现，受访者不愿意购买电动车的原因主要集中在：不划算和充电不方便（充电桩不好找、充电太久等）。

国际能源署（IEA）和彭博新能源财经（BNEF）近日发布的报告也显示，经过模型测算，目前纯电动汽车前期购置成本和总使用成本仍比燃油车高，这是影响消费者购买电动车的重要因素。电动车的主要成本集中在电池，电池成本的下降将会有效促进零售价格的下降，从而缩短电动车与燃油车的成本差距，达到消费者口中的“价格划算”。

那么，电池的成本具体降低到多少，才会使电动车与燃油车的成本大致相当？IEA在2018年做的一项研究显示，燃油车与电动车的持有成本差异，根据不同国家的政策、车型偏好、气候气温等因素有所不同，且不同型号的电池对不同大小的车辆影响也有所差异，但是总体来看，当电池的成本降至120美元/kWh且汽油处于较高价格（1.5美元/L）时，持有电动车将比燃油车经济划算。但若汽油处于较低价格（0.8美元/L）时，120美元/kWh的电池成本必须在年度里程超过4万公里时，电动车才是更为划算的选择。

国内的学者和专家也持有大致相同的观点。中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高指出，只有当动力电池成本下降至100美元/kWh，新能源汽车才能真正大规模推广使用。

近年来，锂电池成本已大幅下降，据BNEF统计，从2010年至今下降幅度已超过87%。但是，当前锂离子电池的平均成本仍居高不下。彭博新能源财经发布的2020年报告显示，锂离子电池目前的平均成本在156美元/kWh。咨询公司CairnEnergyResearchAdvisors今年3月报告显示，2019年特斯拉的电池组成本为158.27美元/kWh。

虽然今年特斯拉CEO马斯克曾豪言未来要使电池包成本降至56美元/kWh，广汽新能源副总经理肖勇也认为，未来2～3年新能源车的成本将会降到与燃油车相当，但也有分析人士并不如此乐观。彭博新能源财经的分析师认为，经过这么多年的降成本，已到了一个比较瓶颈的位置。在新技术出来之前，电池的成本受基础元素材料价格的影响将越来越大。目前正极活性材料占电池生产总成本已达45%左右。中国科学报，证券时报