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首页 >新能源

固态电池的理想与现实

2021

/ 02/10
来源:

中国汽车报网

作者:

万仁美

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  固态电池时代即将来临?最近一段时间,关于固态电池的消息一再出现,引得行业和资本市场广泛关注。先是1月9日蔚来发布固态电池包,称电池包总电量可达150kWh,装配在ET7上,续驶里程将超过1000km。并透露,搭载这种技术的蔚来电动车预计将于2022年四季度交付,这是首款明确确定了量产商业化固态电池的车型。随后小康股份在1月25日其旗下新能源车品牌赛力斯召开的电动车上市发布会上,推出续驶超千公里量产增程电动汽车,还表示今年固态电池将量产装车。除此外,近日,国家知识产权局公布了比亚迪最新的283项专利,其中固态电池方面公布了两项专利。1月19日宁德时代也公开了两项固态电池专利:一种是固态电解质的制备方法,一种是硫化物固态电解质片及其制备方法。不仅如此,资本也开始跟进。数据显示,在资本市场,1月22日当天主力资金流入257.2亿元,流出234.9亿元,净流入22.32亿元。不仅主力看好固态电池板块,不少中小投资者也看好固态电池未来的前景。

  仅看这些消息,很容易让人误以为固态电池时代马上就要到来了。但最近动力电池领域频繁的夸张宣传也引起行业担忧,新华网更是撰文直指新能源汽车行业“浮夸”、“吹牛”风气渐浓……

  那么,现在固态电池研发到了哪一步?真正量产商用还需要多长时间?国联汽车动力电池研究院董事长熊柏青认为,全固态电池现在距商业化还很远,现在甚至做个演示都还很困难。10年内完全攻克全固态难度很大。中科院物理所研究员李泓预测2022~2023年,搭载混合固液电解质电池的产品将会出现,即行业所说的半固态电池。《中国汽车报》记者日前采访了中科院青岛生物能源与过程研究所研究员崔光磊,他告诉记者,从国内外的研发进展来看,固态电池在汽车领域的商业化还需要几年时间,短期难应用于汽车领域。

   固态电池仍有短板待补齐

  俗话说:不怕不识货,就怕货比货。固态电池一旦商业化将对现有的锂电池体系带来颠覆性影响。天津斯科兰德能源科技公司总经理李积刚告诉记者,固态电池的强项弥补了现有锂电池的短板,但目前还有几个不足之处有待完善。

  先看固态电池的优势。在李积刚看来,优势首先体现在安全性上。目前,无论是磷酸铁锂还是三元锂电池都使用液态电解质传导离子,液态电解质都是有机化合物,一旦发生穿刺或者形成内部的锂枝晶造成短路等会引发起火燃烧。固态电池没有液态电解质,而是无机电解质,从原材料而言几乎不存在起火燃烧的安全隐患。

  其次,能量密度更高。现有锂电池的电化学窗口比较窄,磷酸铁锂约为3.2伏,三元锂电池也仅约为3.6伏。李积刚告诉记者,高镍材料可以实现更高的电压,但受限于六氟磷酸锂电解液体系的限制,与高电压又不匹配。“固态电池的化学窗口比较宽,可以有效匹配锂金属和高电压正极。”崔光磊指出,电压越高储存的能量越多,固态电池的能量密度约为现有锂电池的2~3倍,甚至更高。

  第三,循环寿命更长。现有锂电池的循环寿命普遍不长。李积刚告诉记者,锂电池在充放电的过程中,正极材料会消耗一部分锂离子,导致电池的容量缩减,进而导致续驶里程下降。充电时从正极脱嵌的锂离子,并不会在放电时100%回到正极,这也导致锂离子越来越少。为了解决这个问题,电池企业研发了掺硅补锂技术,但不能从根本上解决锂离子被消耗的问题。而固态电池在充放电的过程中几乎没有锂离子的消耗,使得固态电池的容量在很长一段时间内保持稳定。

  固态电池的优点虽然突出,但短板也很明显。一般来说,固体物质的离子传导率不及液体,固态电池需要在固体与固体之间传输能量,离子传导率较低是短板之一;固态电池还存在界面问题,界面之间的阻抗比较大,意味着电能在传输过程中发热损耗较大,这会降低电能的利用效率;现有的锂电池通过一系列的串并联方式把几千颗小电芯组合成电池包,这对电芯的一致性有较高的要求。目前,磷酸铁锂、三元锂电池等电池的一致性都能满足汽车动力电池的要求。固态电池的电芯不能做得太大,也需要通过串并联方式组合成电池包,同样有一致性的要求。但目前固态电池的批次稳定性较差,这给成组和BMS(电池管理系统)开发提出了较高要求。

  短板不止这些,国家新能源汽车技术创新中心总经理原诚寅提到,固态电池在高温下性能表现出色,低温环境的使用却是一个挑战。崔光磊也告诉记者,该所研发的固态电池在充电时需要给电池加热,这个短板如不弥补将限制固态电池的推广使用。

   国内摸索多条技术路线

  目前,我国已有一批科研院所及企业投入到固态电池的研发之中,除了中科院之外,北京卫蓝、江苏清陶、赣锋锂业、宁德时代、无锡海特以及中国台湾辉能等企业都在从不同的技术路线上进行研发。且国际上普遍流行的聚合物、氧化物、硫化物固态电池技术路线都有涉足,并且取得了一定的成果。此外,上汽、国轩高科等企业也在进行固态电池的研发。

  记者也了解到,2009年至今,中科院青岛生物能源与过程研究所组建了100余人的固态锂电池基础研究和工程开发队伍,在国际上首次提出“刚柔并济”聚合物复合固态电解质设计理念,他们用这套设计理念创建了离子传输渗流通道,进而构筑多元协同体系,开发出具有自主知识产权的“刚柔并济”的聚合物复合固态电解质,并研制出大阴离子聚合物型硼酸酯锂盐,进一步提升了电化学稳定窗口、室温离子电导率和离子迁移数。

  正如上文所说,固态电池的界面问题困扰着全行业。崔光磊告诉记者,在这一问题上,他们提出并发展了原位固态化界面融合工艺,这项研究大幅度提升了固态锂电池高电压下固/固界面高稳定性、载流子传输和体积形变等难题。

  目前,固态电池已经用于深潜器,但这毕竟是小众领域,行业更希望能运用于新能源汽车领域。“2011年起,中国科学院青岛生物能源与过程研究所先后建立了两条固态锂电池中试生产线,目前正在高标准建设一条装备智能化大规模生产线。”崔光磊说,该所先后研制出了单体能量密度200Wh/kg~300Wh/kg、单体容量可调且安全性能优良的系列化固态锂离子电池产品。此外,还研制出比能量达350Wh/kg、循环性能优异的固态锂离子电池产品,目前正在新能源汽车上进行示范应用。2020年,又开发出能量密度526Wh/kg的固态锂金属电池,在无人机领域成功实现了示范应用。

  中科院的研究成果是我国固态电池研究的一个缩影。另外,行业虽然在多条技术路线上摸索,但并不是简单的多点开花,其中大部分企业选择了统一的研发路线,给我国固态电池开发积累了优势。去年12月,在国内相关组织召开的固态电池技术产业化专家电话会议上,一位行业专家介绍,国内企业研发氧化物固态电池的比较多,技术水平属于全球领先。“日本企业主要研发硫化物固态电池,硫化物是固态电池材料中惟一能超过液态电解液离子电导率水平的材料,但硫化物化学活性很强,与空气、有机溶剂、正负极活性材料反应强烈,尤其是与水接触后直接产生H2S,而H2S是有毒有臭味的气体。”该专家指出,解决安全性问题是研发固态电池的初衷之一,硫化物技术路线并不一定会更安全,从成本考虑,硫化物体系的成本也更高。

   还需小步快跑多方协同攻难关

  在固态电池时代,我们能不能成为强国?这也是行业关心的话题。崔光磊说:“固态电池将是一个非常好的契机,可以助力我国从锂电大国迈向锂电强国。”

  崔光磊认为,目前我国的固态电池研究相对分散、各自为战,水平参差不齐,难以形成合力。“建议设立国家级固态电池研发平台和创新中心,充分发挥平台化、建制化优势,产出一批重大原创性成果和关键技术,帮助我国突破一批‘卡脖子’的固态电池关键核心技术,培养和造就一批专业性技术人才,建立完整固态电池产业链闭环,助推国家能源强国战略,进而抢占全球固态电池发展制高点,提升国际话语权。”崔光磊说。原诚寅也告诉记者,在固态电池的研发过程中,需要聚合多方力量协同攻克难关。

  在固态电池发展过程中,原诚寅认为,基础科研有很多不确定性,固态电池研发不要固定一种路线,要鼓励多角度、多方位探索。与此同时,也应鼓励装备企业加入进来,尽早介入,可以加快固态电池推进速度。尽管固态电池还没有定型,标准、认证体系也需要及早考虑,避免不符合要求的产品流入市场,破坏得来不易的良好发展局面。“基础科研不是一蹴而就的事情,应该坚持小步快跑。”原诚寅说。

  原诚寅进一步指出:“基础科研都要为应用服务,固态电池最终将应用于新能源汽车,前期可能成本会比较高,需要政府给予一定的支持,但是不能用传统的补贴办法,而应该用商业化保险的方式,用市场化方法比单纯的财政补贴更有效。”

  编辑:孙焕玉

初审编辑:

责任编辑:张芳

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