DQZHAN技術訊：固態(tài)電池的理想與現實
固態(tài)電池時代即將來臨？*近一段時間，關于固態(tài)電池的消息一再出現，引得行業(yè)和資本市場廣泛關注。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150kWh，裝配在ET7上，續(xù)駛里程將超過1000km。并透露，搭載這種技術的蔚來電動車預計將于2022年四季度交付，這是首款明確確定了量產商業(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車上市發(fā)布會上，推出續(xù)駛超千公里量產增程電動汽車，還表示今年固態(tài)電池將量產裝車。除此外，近日，國家知識產權局公布了比亞迪*新的283項磚利，其中固態(tài)電池方面公布了兩項磚利。1月19日寧德時代也公開了兩項固態(tài)電池磚利：一種是固態(tài)電解質的制備方法，一種是硫化物固態(tài)電解質片及其制備方法。不僅如此，資本也開始跟進。數據顯示，在資本市場，1月22日當天主力資金流入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)電池時代馬上就要到來了。但*近動力電池領域頻繁的夸張宣傳也引起行業(yè)擔憂，新華網更是撰文直指新能源汽車行業(yè)“浮夸”、“吹牛”風氣漸濃……
那么，現在固態(tài)電池研發(fā)到了哪一步？真正量產商用還需要多長時間？國聯汽車動力電池研究院董事長熊柏青認為，全固態(tài)電池現在距商業(yè)化還很遠，現在甚至做個演示都還很困難。10年內完全攻克全固態(tài)難度很大。中科院物理所研究員李泓預測2022～2023年，搭載混合固液電解質電池的產品將會出現，即行業(yè)所說的半固態(tài)電池。《中國汽車報》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，從國內外的研發(fā)進展來看，固態(tài)電池在汽車領域的商業(yè)化還需要幾年時間，短期難應用于汽車領域。
?固態(tài)電池仍有短板待補齊
俗話說：不怕不識貨，就怕貨比貨。固態(tài)電池一旦商業(yè)化將對現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理李積剛告訴記者，固態(tài)電池的強項彌補了現有鋰電池的短板，但目前還有幾個不足之處有待完善。
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)電解質傳導離子，液態(tài)電解質都是有機化合物，一旦發(fā)生穿刺或者形成內部的鋰枝晶造成短路等會引發(fā)起火燃燒。固態(tài)電池沒有液態(tài)電解質，而是無機電解質，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。現有鋰電池的電化學窗口比較窄，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，高鎳材料可以實現更高的電壓，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。“固態(tài)電池的化學窗口比較寬，可以有效匹配鋰金屬和高電壓正極。”崔光磊指出，電壓越高儲存的能量越多，固態(tài)電池的能量密度約為現有鋰電池的2～3倍，甚至更高。
第三，循環(huán)壽命更長。現有鋰電池的循環(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，正極材料會消耗一部分鋰離子，導致電池的容量縮減，進而導致續(xù)駛里程下降。充電時從正極脫嵌的鋰離子，并不會在放電時100％回到正極，這也導致鋰離子越來越少。為了解決這個問題，電池企業(yè)研發(fā)了摻硅補鋰技術，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間內保持穩(wěn)定。
固態(tài)電池的優(yōu)點雖然突出，但短板也很明顯。一般來說，固體物質的離子傳導率不及液體，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，這會降低電能的利用效率；現有的鋰電池通過一系列的串并聯方式把幾千顆小電芯組合成電池包，這對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**中心總經理原誠寅提到，固態(tài)電池在高溫下性能表現出色，低溫環(huán)境的使用卻是一個挑戰(zhàn)。崔光磊也告訴記者，該所研發(fā)的固態(tài)電池在充電時需要給電池加熱，這個短板如不彌補將限制固態(tài)電池的推廣使用。
?國內摸索多條技術路線
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、江蘇清陶、贛鋒鋰業(yè)、寧德時代、無錫海特以及中國臺灣輝能等企業(yè)都在從不同的技術路線上進行研發(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)鋰電池基礎研究和工程開發(fā)隊伍，在國際上**提出“剛柔并濟”聚合物復合固態(tài)電解質設計理念，他們用這套設計理念創(chuàng)建了離子傳輸滲流通道，進而構筑多元協(xié)同體系，開發(fā)出具有自主知識產權的“剛柔并濟”的聚合物復合固態(tài)電解質，并研制出大陰離子聚合物型硼酸酯鋰鹽，進一步提升了電化學穩(wěn)定窗口、室溫離子電導率和離子遷移數。
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)電池已經用于深潛器，但這畢竟是小眾領域，行業(yè)更希望能運用于新能源汽車領域。“2011年起，中國科學院青島生物能源與過程研究所先后建立了兩條固態(tài)鋰電池中試生產線，目前正在高標準建設一條裝備智能化大規(guī)模生產線。”崔光磊說，該所先后研制出了單體能量密度200Wh/kg～300Wh/kg、單體容量可調且**性能優(yōu)良的系列化固態(tài)鋰離子電池產品。此外，還研制出比能量達350Wh/kg、循環(huán)性能優(yōu)異的固態(tài)鋰離子電池產品，目前正在新能源汽車上進行示范應用。2020年，又開發(fā)出能量密度526Wh/kg的固態(tài)鋰金屬電池，在無人機領域成功實現了示范應用。
中科院的研究成果是我國固態(tài)電池研究的一個縮影。另外，行業(yè)雖然在多條技術路線上摸索，但并不是簡單的多點開花，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，在國內相關組織召開的固態(tài)電池技術產業(yè)化專家電話會議上，一位行業(yè)專家介紹，國內企業(yè)研發(fā)氧化物固態(tài)電池的比較多，技術水平屬于全球優(yōu)越。“日本企業(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)電解液離子電導率水平的材料，但硫化物化學活性很強，與空氣、有機溶劑、正負極活性材料反應強烈，尤其是與水接觸后直接產生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，硫化物技術路線并不一定會更**，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
在固態(tài)電池時代，我們能不能成為強國？這也是行業(yè)關心的話題。崔光磊說：“固態(tài)電池將是一個非常好的契機，可以助力我國從鋰電大國邁向鋰電強國。”
崔光磊認為，目前我國的固態(tài)電池研究相對分散、各自為戰(zhàn)，水平參差不齊，難以形成合力。“建議設立***固態(tài)電池研發(fā)平臺和**中心，充分發(fā)揮平臺化、建制化優(yōu)勢，產出一批重大原創(chuàng)性成果和關鍵技術，幫助我國突破一批‘卡脖子’的固態(tài)電池關鍵核心技術，培養(yǎng)和造就一批專業(yè)性技術人才，建立完整固態(tài)電池產業(yè)鏈閉環(huán)，助推國家能源強國戰(zhàn)略，進而搶占全球固態(tài)電池發(fā)展制高點，提升國際話語權。”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。
在固態(tài)電池發(fā)展過程中，原誠寅認為，基礎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，要鼓勵多角度、多方位探索。與此同時，也應鼓勵裝備企業(yè)加入進來，盡早介入，可以加快固態(tài)電池推進速度。盡管固態(tài)電池還沒有定型，標準、認證體系也需要及早考慮，避免不符合要求的產品流入市場，破壞得來不易的良好發(fā)展局面。“基礎科研不是一蹴而就的事情，應該堅持小步快跑。”原誠寅說。
原誠寅進一步指出：“基礎科研都要為應用服務，固態(tài)電池*終將應用于新能源汽車，前期可能成本會比較高，需要政府給予一定的支持，但是不能用傳統(tǒng)的補貼辦法，而應該用商業(yè)化保險的方式，用市場化方法比單純的財政補貼更有效。”
