DQZHAN技術(shù)訊：固態(tài)電池的理想與現(xiàn)實(shí)
固態(tài)電池時(shí)代即將來臨？*近一段時(shí)間，關(guān)于固態(tài)電池的消息一再出現(xiàn)，引得行業(yè)和資本市場廣泛關(guān)注。先是1月9日蔚來發(fā)布固態(tài)電池包，稱電池包總電量可達(dá)150kWh，裝配在ET7上，續(xù)駛里程將超過1000km。并透露，搭載這種技術(shù)的蔚來電動(dòng)車預(yù)計(jì)將于2022年四季度交付，這是首款明確確定了量產(chǎn)商業(yè)化固態(tài)電池的車型。隨后小康股份在1月25日其旗下新能源車品牌賽力斯召開的電動(dòng)車上市發(fā)布會(huì)上，推出續(xù)駛超千公里量產(chǎn)增程電動(dòng)汽車，還表示今年固態(tài)電池將量產(chǎn)裝車。除此外，近日，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布了比亞迪*新的283項(xiàng)磚利，其中固態(tài)電池方面公布了兩項(xiàng)磚利。1月19日寧德時(shí)代也公開了兩項(xiàng)固態(tài)電池磚利：一種是固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，一種是硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法。不僅如此，資本也開始跟進(jìn)。數(shù)據(jù)顯示，在資本市場，1月22日當(dāng)天主力資金流入257.2億元，流出234.9億元，凈流入22.32億元。不僅主力看好固態(tài)電池板塊，不少中小投資者也看好固態(tài)電池未來的前景。
僅看這些消息，很容易讓人誤以為固態(tài)電池時(shí)代馬上就要到來了。但*近動(dòng)力電池領(lǐng)域頻繁的夸張宣傳也引起行業(yè)擔(dān)憂，新華網(wǎng)更是撰文直指新能源汽車行業(yè)“浮夸”、“吹牛”風(fēng)氣漸濃……
那么，現(xiàn)在固態(tài)電池研發(fā)到了哪一步？真正量產(chǎn)商用還需要多長時(shí)間？國聯(lián)汽車動(dòng)力電池研究院董事長熊柏青認(rèn)為，全固態(tài)電池現(xiàn)在距商業(yè)化還很遠(yuǎn)，現(xiàn)在甚至做個(gè)演示都還很困難。10年內(nèi)完全攻克全固態(tài)難度很大。中科院物理所研究員李泓預(yù)測2022～2023年，搭載混合固液電解質(zhì)電池的產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)，即行業(yè)所說的半固態(tài)電池?！吨袊噲?bào)》記者日前采訪了中科院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊，他告訴記者，從國內(nèi)外的研發(fā)進(jìn)展來看，固態(tài)電池在汽車領(lǐng)域的商業(yè)化還需要幾年時(shí)間，短期難應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。
?固態(tài)電池仍有短板待補(bǔ)齊
俗話說：不怕不識(shí)貨，就怕貨比貨。固態(tài)電池一旦商業(yè)化將對(duì)現(xiàn)有的鋰電池體系帶來顛覆性影響。天津斯科蘭德能源科技公司總經(jīng)理李積剛告訴記者，固態(tài)電池的強(qiáng)項(xiàng)彌補(bǔ)了現(xiàn)有鋰電池的短板，但目前還有幾個(gè)不足之處有待完善。
先看固態(tài)電池的優(yōu)勢。在李積剛看來，優(yōu)勢首先體現(xiàn)在**性上。目前，無論是磷酸鐵鋰還是三元鋰電池都使用液態(tài)電解質(zhì)傳導(dǎo)離子，液態(tài)電解質(zhì)都是有機(jī)化合物，一旦發(fā)生穿刺或者形成內(nèi)部的鋰枝晶造成短路等會(huì)引發(fā)起火燃燒。固態(tài)電池沒有液態(tài)電解質(zhì)，而是無機(jī)電解質(zhì)，從原材料而言幾乎不存在起火燃燒的**隱患。
其次，能量密度更高?，F(xiàn)有鋰電池的電化學(xué)窗口比較窄，磷酸鐵鋰約為3.2伏，三元鋰電池也僅約為3.6伏。李積剛告訴記者，高鎳材料可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，但受限于六氟磷酸鋰電解液體系的限制，與高電壓又不匹配?！肮虘B(tài)電池的化學(xué)窗口比較寬，可以有效匹配鋰金屬和高電壓正極?！贝薰饫谥赋觯妷涸礁邇?chǔ)存的能量越多，固態(tài)電池的能量密度約為現(xiàn)有鋰電池的2～3倍，甚至更高。
第三，循環(huán)壽命更長?，F(xiàn)有鋰電池的循環(huán)壽命普遍不長。李積剛告訴記者，鋰電池在充放電的過程中，正極材料會(huì)消耗一部分鋰離子，導(dǎo)致電池的容量縮減，進(jìn)而導(dǎo)致續(xù)駛里程下降。充電時(shí)從正極脫嵌的鋰離子，并不會(huì)在放電時(shí)100％回到正極，這也導(dǎo)致鋰離子越來越少。為了解決這個(gè)問題，電池企業(yè)研發(fā)了摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)，但不能從根本上解決鋰離子被消耗的問題。而固態(tài)電池在充放電的過程中幾乎沒有鋰離子的消耗，使得固態(tài)電池的容量在很長一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。
固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)雖然突出，但短板也很明顯。一般來說，固體物質(zhì)的離子傳導(dǎo)率不及液體，固態(tài)電池需要在固體與固體之間傳輸能量，離子傳導(dǎo)率較低是短板之一；固態(tài)電池還存在界面問題，界面之間的阻抗比較大，意味著電能在傳輸過程中發(fā)熱損耗較大，這會(huì)降低電能的利用效率；現(xiàn)有的鋰電池通過一系列的串并聯(lián)方式把幾千顆小電芯組合成電池包，這對(duì)電芯的一致性有較高的要求。目前，磷酸鐵鋰、三元鋰電池等電池的一致性都能滿足汽車動(dòng)力電池的要求。固態(tài)電池的電芯不能做得太大，也需要通過串并聯(lián)方式組合成電池包，同樣有一致性的要求。但目前固態(tài)電池的批次穩(wěn)定性較差，這給成組和BMS（電池管理系統(tǒng)）開發(fā)提出了較高要求。
短板不止這些，國家新能源汽車技術(shù)**中心總經(jīng)理原誠寅提到，固態(tài)電池在高溫下性能表現(xiàn)出色，低溫環(huán)境的使用卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。崔光磊也告訴記者，該所研發(fā)的固態(tài)電池在充電時(shí)需要給電池加熱，這個(gè)短板如不彌補(bǔ)將限制固態(tài)電池的推廣使用。
?國內(nèi)摸索多條技術(shù)路線
目前，我國已有一批科研院所及企業(yè)投入到固態(tài)電池的研發(fā)之中，除了中科院之外，北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶、贛鋒鋰業(yè)、寧德時(shí)代、無錫海特以及中國臺(tái)灣輝能等企業(yè)都在從不同的技術(shù)路線上進(jìn)行研發(fā)。且國際上普遍流行的聚合物、氧化物、硫化物固態(tài)電池技術(shù)路線都有涉足，并且取得了一定的成果。此外，上汽、國軒高科等企業(yè)也在進(jìn)行固態(tài)電池的研發(fā)。
記者也了解到，2009年至今，中科院青島生物能源與過程研究所組建了100余人的固態(tài)鋰電池基礎(chǔ)研究和工程開發(fā)隊(duì)伍，在國際上**提出“剛?cè)岵?jì)”聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念，他們用這套設(shè)計(jì)理念創(chuàng)建了離子傳輸滲流通道，進(jìn)而構(gòu)筑多元協(xié)同體系，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“剛?cè)岵?jì)”的聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，并研制出大陰離子聚合物型硼酸酯鋰鹽，進(jìn)一步提升了電化學(xué)穩(wěn)定窗口、室溫離子電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)。
正如上文所說，固態(tài)電池的界面問題困擾著全行業(yè)。崔光磊告訴記者，在這一問題上，他們提出并發(fā)展了原位固態(tài)化界面融合工藝，這項(xiàng)研究大幅度提升了固態(tài)鋰電池高電壓下固/固界面高穩(wěn)定性、載流子傳輸和體積形變等難題。
目前，固態(tài)電池已經(jīng)用于深潛器，但這畢竟是小眾領(lǐng)域，行業(yè)更希望能運(yùn)用于新能源汽車領(lǐng)域?！?011年起，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所先后建立了兩條固態(tài)鋰電池中試生產(chǎn)線，目前正在高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)一條裝備智能化大規(guī)模生產(chǎn)線?！贝薰饫谡f，該所先后研制出了單體能量密度200Wh/kg～300Wh/kg、單體容量可調(diào)且**性能優(yōu)良的系列化固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品。此外，還研制出比能量達(dá)350Wh/kg、循環(huán)性能優(yōu)異的固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品，目前正在新能源汽車上進(jìn)行示范應(yīng)用。2020年，又開發(fā)出能量密度526Wh/kg的固態(tài)鋰金屬電池，在無人機(jī)領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用。
中科院的研究成果是我國固態(tài)電池研究的一個(gè)縮影。另外，行業(yè)雖然在多條技術(shù)路線上摸索，但并不是簡單的多點(diǎn)開花，其中大部分企業(yè)選擇了統(tǒng)一的研發(fā)路線，給我國固態(tài)電池開發(fā)積累了優(yōu)勢。去年12月，在國內(nèi)相關(guān)組織召開的固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專家電話會(huì)議上，一位行業(yè)專家介紹，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)氧化物固態(tài)電池的比較多，技術(shù)水平屬于全球優(yōu)越?！叭毡酒髽I(yè)主要研發(fā)硫化物固態(tài)電池，硫化物是固態(tài)電池材料中惟一能超過液態(tài)電解液離子電導(dǎo)率水平的材料，但硫化物化學(xué)活性很強(qiáng)，與空氣、有機(jī)溶劑、正負(fù)極活性材料反應(yīng)強(qiáng)烈，尤其是與水接觸后直接產(chǎn)生H2S，而H2S是有毒有臭味的氣體。”該專家指出，解決**性問題是研發(fā)固態(tài)電池的初衷之一，硫化物技術(shù)路線并不一定會(huì)更**，從成本考慮，硫化物體系的成本也更高。
?還需小步快跑多方協(xié)同攻難關(guān)
在固態(tài)電池時(shí)代，我們能不能成為強(qiáng)國？這也是行業(yè)關(guān)心的話題。崔光磊說：“固態(tài)電池將是一個(gè)非常好的契機(jī)，可以助力我國從鋰電大國邁向鋰電強(qiáng)國?！?
崔光磊認(rèn)為，目前我國的固態(tài)電池研究相對(duì)分散、各自為戰(zhàn)，水平參差不齊，難以形成合力?！敖ㄗh設(shè)立***固態(tài)電池研發(fā)平臺(tái)和**中心，充分發(fā)揮平臺(tái)化、建制化優(yōu)勢，產(chǎn)出一批重大原創(chuàng)性成果和關(guān)鍵技術(shù)，幫助我國突破一批‘卡脖子’的固態(tài)電池關(guān)鍵核心技術(shù)，培養(yǎng)和造就一批專業(yè)性技術(shù)人才，建立完整固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)，助推國家能源強(qiáng)國戰(zhàn)略，進(jìn)而搶占全球固態(tài)電池發(fā)展制高點(diǎn)，提升國際話語權(quán)。”崔光磊說。原誠寅也告訴記者，在固態(tài)電池的研發(fā)過程中，需要聚合多方力量協(xié)同攻克難關(guān)。
在固態(tài)電池發(fā)展過程中，原誠寅認(rèn)為，基礎(chǔ)科研有很多不確定性，固態(tài)電池研發(fā)不要固定一種路線，要鼓勵(lì)多角度、多方位探索。與此同時(shí)，也應(yīng)鼓勵(lì)裝備企業(yè)加入進(jìn)來，盡早介入，可以加快固態(tài)電池推進(jìn)速度。盡管固態(tài)電池還沒有定型，標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證體系也需要及早考慮，避免不符合要求的產(chǎn)品流入市場，破壞得來不易的良好發(fā)展局面?！盎A(chǔ)科研不是一蹴而就的事情，應(yīng)該堅(jiān)持小步快跑。”原誠寅說。
原誠寅進(jìn)一步指出：“基礎(chǔ)科研都要為應(yīng)用服務(wù)，固態(tài)電池*終將應(yīng)用于新能源汽車，前期可能成本會(huì)比較高，需要政府給予一定的支持，但是不能用傳統(tǒng)的補(bǔ)貼辦法，而應(yīng)該用商業(yè)化保險(xiǎn)的方式，用市場化方法比單純的財(cái)政補(bǔ)貼更有效?！?
