“固態(tài)電池是目前學術界的研究熱點，也是產(chǎn)業(yè)界關注的焦點，它的安全性比起同電極體系的液態(tài)鋰離子電池的安全性有明顯提高，但在電動汽車上實際推廣應用還需要時間。”亞洲固態(tài)離子學會主席、亞太材料科學院院士、中國科學院能量轉(zhuǎn)換材料重點實驗室副主任溫兆銀表示。
新能源汽車動力存短板
4月21日晚，上海某小區(qū)地下停車庫內(nèi)的一輛特斯拉Model S電動汽車突然自燃，并引燃停在其旁邊的數(shù)輛汽車，錄像中的事故現(xiàn)場讓人觸目驚心。距此不到24小時，西安的一輛蔚來ES8電動汽車自燃。4月24日，武漢的一輛比亞迪E5電動汽車也發(fā)生自燃。一系列自燃的發(fā)生，使人們將引發(fā)事故原因大多指向了動力電池。
“現(xiàn)階段新能源乘用車電池的材料體系主要為三元正極-液態(tài)電解質(zhì)-石墨負極，采用磷酸鐵鋰正極的電池主要用在大巴、物流等專用車領域，從2018年車用電池數(shù)據(jù)來看，三元體系電池占比近60%。”復旦大學化學系教授、博士生導師傅正文介紹，固態(tài)電池材料中沒有可燃的液態(tài)有機溶液，安全系數(shù)相對提高了很多。
據(jù)介紹，目前應用最多的高能量密度電池主要是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在200℃左右就會分解，并釋放出氧分子，燃燒更加劇烈。盡管目前動力電池在電池模塊和系統(tǒng)設計方面，已經(jīng)采取了先進的電源管理技術、冷卻技術、密封技術、散熱技術等，基本滿足了電動汽車對安全性的要求，但依然存在著熱失控、過熱、起火燃燒等危險。導致其燃燒的根本原因，是鋰離子電池電解質(zhì)屬于可燃的有機溶液。
解決新能源汽車的動力電池續(xù)駛里程和安全問題，自然成為重中之重。
而全固態(tài)鋰電池，是一種使用固體電極材料和固體電解質(zhì)材料，不含有任何液體的鋰電池，主要包括全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)金屬鋰電池，差別在于前者負極不含金屬鋰，后者負極為金屬鋰。在目前各種新型電池體系中，固態(tài)電池采用全新固態(tài)電解質(zhì)取代當前有機電解液和隔膜，具有高安全性、高體積能量密度，同時與不同新型高比能電極體系(如鋰硫體系、金屬-空氣體系等)具有廣泛適配性，可進一步提升質(zhì)量能量密度，在提高安全性的同時增加續(xù)駛能力，從而有望成為下一代動力電池的解決方案，因此引起中外眾多研究機構(gòu)、初創(chuàng)公司和一些車企的青睞，天際汽車就是其中之一。
而且，動力電池是電動汽車最為核心的部件，其性能對于電動汽車的整體性能起著決定性的作用。在電動汽車飛速發(fā)展的時代，性能更為強大的電池無疑是各大車企和電池生產(chǎn)廠商永無止境的研發(fā)追求對象。前有國產(chǎn)電動汽車大戶比亞迪棄用磷酸鐵鋰電池，轉(zhuǎn)投三元鋰電池懷抱，后有沃特瑪技術路線錯誤，公司分崩離析，這正是由于磷酸鐵鋰電池在性能方面無法跟上電動汽車發(fā)展的步伐。在電動汽車高續(xù)駛里程剛需的推動下，能量密度潛力更高的三元鋰電池取代曾經(jīng)被廣泛采用的磷酸鐵鋰電池成為了電動汽車發(fā)展中的必經(jīng)歷程。然而，技術的發(fā)展不可能一成不變，隨著電動汽車領域持續(xù)性的擴張，以及日趨成熟，電動汽車對于電池能力密度的需求也在持續(xù)增加，固態(tài)電池逐漸成為眾車企追求的新目標。
固態(tài)電池有顯著優(yōu)勢
日前，一條“充電1分鐘，續(xù)駛800公里”的消息吸引了業(yè)界的眼球，把人們的視線聚焦到了固態(tài)電池上。雖然這條由菲斯克公司所披露的消息仍然有很多值得商榷之處，但至少說明固態(tài)電池優(yōu)勢顯著，有望成為新能源汽車動力電池發(fā)展新的方向。
“目前新能源汽車大多使用的都是傳統(tǒng)的鋰離子電池，都含有液態(tài)有機電解質(zhì)，不含液態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池優(yōu)勢很多。”中南大學化學化工學院教授劉洪濤介紹，相較于目前使用的液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池具有六大顯著優(yōu)勢。
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一是高安全性能，傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患。而很多無機固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。
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二是高能量密度，固態(tài)鋰電池負極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達到300～400Wh/kg甚至更高，其電化學穩(wěn)定窗口可達5V以上，可匹配高電壓電極材料，進一步提升質(zhì)量能量密度;沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度;安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡化，提高系統(tǒng)能量密度。
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三是循環(huán)壽命長，有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
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四是工作溫度范圍寬，固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達到300℃，從而避免正負極材料在高溫下與電解液反應可能導致的熱失控。
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五是生產(chǎn)效率提高，無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。
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六是具備柔性優(yōu)勢，全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設備等。
“理論上具有優(yōu)勢，就一定能吸引更多的研發(fā)力量和投入，不斷解決其中存在的問題，這對于固態(tài)電池向新能源汽車應用靠近是有利的;但是固態(tài)電池在技術上仍有一些有待解決的問題，這也是固態(tài)電池實現(xiàn)應用的瓶頸。”吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室教授、博士生導師袁宏明表示，解決固態(tài)電池的應用技術問題是當務之急。如固體電解質(zhì)材料離子電導率偏低;固體電解質(zhì)、電極間界面阻抗大，界面相容性較差;材料在充放電過程中體積膨脹和收縮，導致界面容易分離;質(zhì)量能量密度需進一步提升;體積能量密度需進一步提升、制備成本高等技術問題，都迫切需要研究突破。
據(jù)了解，目前全球各大車企和電池廠商們使用的聚合物、氧化物、硫化物等固態(tài)電解質(zhì)均存在這樣的問題。具體來說，聚合物耐溫性不夠，穩(wěn)定性較差、離子電導性偏低。氧化物抗阻能力比較強，但離子電導性也無法達到要求。硫化物雖然電導性不錯，又由于材料穩(wěn)定性不佳，導致離子傳輸性能欠缺。
事實上，往往一種全新研發(fā)的材料從實驗室走向市場應用層面，一般需要十年左右的時間。而液態(tài)鋰電池從上世紀70年代出現(xiàn)，直到20世紀末才投入應用。因此，固態(tài)電池技術要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化尚需時日。
“從固態(tài)電池的研發(fā)和量產(chǎn)現(xiàn)狀來看，聚合物基的固態(tài)電池已經(jīng)有小批量裝車示范，但屬于實驗階段，有待解決的技術問題還不少。樂觀估計，嚴格按照車廠車型的開發(fā)流程，半固態(tài)電池實現(xiàn)批量上車預計還需要一定時間，真正的全固態(tài)電池批量裝車時間則還可能延后。”傅正文表示。
國際競爭正日趨激烈
“如今，固態(tài)電池技術正在成為世界范圍內(nèi)的競爭熱點。”劉洪濤介紹，在世界范圍內(nèi)，全球多家車企和電池廠家也發(fā)布了固態(tài)電池相關的研發(fā)進展。目前，豐田、松下、三星、三菱、寶馬、大眾、現(xiàn)代、戴森等企業(yè)均在加緊布局固態(tài)電池技術的儲備。
據(jù)介紹，為使鋰電池具有更高的能量密度和更好的安全性，國外鋰離子電池廠商和研究機構(gòu)在固態(tài)鋰電方面開展了大量的研發(fā)工作。
日本更是將固態(tài)電池研發(fā)提升到國家戰(zhàn)略高度。2017年5月，日本經(jīng)濟省宣布出資16億日元，聯(lián)合豐田、本田、日產(chǎn)、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學、三菱化學等頂級產(chǎn)業(yè)鏈力量，共同研發(fā)固態(tài)電池，希望以成熟的固態(tài)電池技術在2030年實現(xiàn)800公里續(xù)駛目標。
法國Bollore公司的EV“Bluecar”配備其子公司Batscap生產(chǎn)的30kwh金屬鋰聚合物電池，采用Li-PEO-LFP材料體系，巴黎汽車共享服務“Autolib”使用了約2900輛Bluecar，這是世界上首次用于電動汽車的商業(yè)化全固態(tài)電池。豐田開發(fā)出全固態(tài)鋰離子電池，能量密度為400Wh/kg，計劃在2020年實現(xiàn)商業(yè)化;松下的最新固態(tài)電池能量密度相對提高了3～4倍;德國KOLIBRI電池應用于奧迪A1純電動汽車，目前尚未商業(yè)化應用。
韓國也不甘落后，目前，三星SDI、LG化學等都投入到固態(tài)電池的研發(fā)之中。據(jù)外媒報道，三星Note 7手機電池起火嚴重影響了品牌形象，這促使三星加大了固態(tài)電池的研發(fā)力度。據(jù)了解，三星的固態(tài)電池可能最初應用于手機上，下一步將開發(fā)車用動力固態(tài)電池。此外，LG化學也在研究固態(tài)電池，據(jù)稱技術水平與三星不相上下。
此外，三菱、寶馬、現(xiàn)代、戴森等數(shù)家企業(yè)也都通過獨自研發(fā)或組合并購等方式加緊布局固態(tài)電池的儲備研發(fā)。豐田宣布與松下合作研發(fā)固態(tài)電池;寶馬宣布與SolidPower公司合作研發(fā)固態(tài)鋰電池;博世與日本著名的GSYUASA(湯淺)電池公司及三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽極鋰離子電池;本田與日立造船建立的機構(gòu)已研發(fā)出Ah級電池，預計三年后量產(chǎn)。
我國對固態(tài)鋰電的基礎研究起步較早。在“六五”和“七五”期間，中科院就將固態(tài)鋰電和快離子導體列為重點課題，目前5支研發(fā)團隊分別取得了不同進展。此外，北京大學、中國電子科技集團天津18所等院所也立項進行了固態(tài)鋰電電解質(zhì)的研究。
2017年3月，工信部等四部委印發(fā)的《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》提出，積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池等新體系電池的研究和工程化開發(fā)，2020年單體電池比能量達到400Wh/kg以上、2025年達到500Wh/kg。
目前，國內(nèi)固態(tài)電池技術的研究已經(jīng)取得不小進步。中科院化學所郭玉國團隊的聚醚-丙烯酸酯新型雙功能聚合物電解質(zhì)，可用于室溫固態(tài)金屬鋰電池;中科院寧波材料所許曉雄團隊研發(fā)的無機陶瓷固態(tài)電池正與贛峰鋰業(yè)合作嘗試產(chǎn)業(yè)化;中科院青島生物能源所崔光磊團隊研發(fā)的固態(tài)電池已用于蛟龍?zhí)柹顫撈?，完成了太平洋馬里亞納海溝的測試;中科院上海硅酸鹽研究所郭向欣團隊研發(fā)出了2Ah級固態(tài)鋰離子電池;中科院物理所李泓團隊推出了10Ah軟包電芯固態(tài)電池。
近日，中國科學研究院宣布，由該院牽頭承擔的納米先導專項“全固態(tài)電池”課題已經(jīng)通過驗收，這一技術進步將進一步推動國內(nèi)全固態(tài)鋰電池的規(guī)?；褂?。此消息一出，再一次將固態(tài)電池的關注熱度推上“高潮”。
國內(nèi)在進行固態(tài)鋰電開發(fā)的企業(yè)包括CATL、國珈星際(珈偉股份)、江蘇清陶能源、臺灣輝能、中航鋰電等。CATL以硫化物電解質(zhì)為主要研發(fā)方向，采用正極包覆解決正極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面反應問題，目前聚合物鋰金屬固態(tài)電池循環(huán)達到300次以上，容量保持率達82%。清陶能源研發(fā)高固含量的全陶瓷隔膜和無機固體電解質(zhì)，目前已與北汽開展合作進行中試。國珈星際采用材料基因組技術，通過高通量測試技術確定聚合物固態(tài)電解質(zhì)的最佳組成。此外，如贛鋒鋰業(yè)、比亞迪、萬向123等也都宣布布局固態(tài)電池領域，但大部分企業(yè)仍處于“理論研發(fā)”階段。
此次在上海車展上與天際汽車簽約的輝能科技，深耕固態(tài)氧化物路線多年，2012年，輝能科技推出了世界上第一款固態(tài)鋰陶瓷電池，解決了困擾業(yè)界已久的固態(tài)電池安全和性能兩大核心問題。2013年起陸續(xù)推出3款固態(tài)鋰電池產(chǎn)品FLCB、PLCB和BLCB，并依次實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。截至2018年11月底，輝能科技已經(jīng)在全球擁有129件相關專利及83件專利申請，范圍涵蓋中國、美國、歐盟、英國、日本和韓國等。
目前固態(tài)電池研發(fā)技術路線主要有兩個方向
一是鋰離子電池的固態(tài)化，這個方向其他行業(yè)有成熟的方案，但是嫁接到鋰電池還需要二次研發(fā)。固態(tài)電解質(zhì)國外量產(chǎn)的企業(yè)鳳毛麟角，國內(nèi)一家也沒有，一定程度上制約了固態(tài)電池的研發(fā)進度。日本實驗室成功研發(fā)出的凝膠態(tài)電池，成本很高無法量產(chǎn)。二是金屬固態(tài)電池，最常見的是鋰硫電池。當電解質(zhì)換成固體之后，鋰電池體系由電極材料-電解液的固液界面向電極材料-固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉(zhuǎn)化。但對生產(chǎn)的密封性要求很高，給設備企業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。
技術創(chuàng)新將決勝未來
“固態(tài)電池應該是目前看到的最有前途的電池之一，它的顯著優(yōu)勢表明了它應該是新能源汽車動力來源的一個有利的競爭者。”袁宏明認為，這將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)形成更有力的動力，甚至對整個造車生態(tài)產(chǎn)生影響。
隨著關注度的提升，國內(nèi)有關科研機構(gòu)、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)都對固態(tài)電池青睞有加。湖南寧鄉(xiāng)高新區(qū)發(fā)力打造儲能材料之都，預計到2025年，這里將建成總規(guī)模10萬噸三元前驅(qū)體、10萬噸正極材料、30GWh動力電池、10億平方米的電池隔膜材料，總產(chǎn)值1000億元以上的儲能材料產(chǎn)業(yè)，固態(tài)電池被列為發(fā)展重點。
根據(jù)我國《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展計劃》和《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》的相關指引，動力電池系統(tǒng)的能量密度需要在2025年至2030年達到350Wh/kg以滿足市面上乘用電動汽車的續(xù)駛里程要求。從目前來看，僅憑借鋰電池的技術研發(fā)，這一目標顯然無法實現(xiàn)。而由于保證了動力電池的高能量密度和安全性，固態(tài)電池給整個新能源汽車行業(yè)帶來了希望。
傅正文表示，固態(tài)電池現(xiàn)階段技術路徑不同，呈現(xiàn)百家爭鳴態(tài)勢，如日本業(yè)界的重心放在硫化物基固態(tài)電池，國內(nèi)衛(wèi)藍新能源現(xiàn)階段主推固液混合的半固態(tài)電池，復陽固態(tài)公司重心在薄膜固態(tài)電池，CATL重心為硫化物基固態(tài)電池，大部分科研團隊和企業(yè)都處于基礎研究到中試放大和小批量量產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，需要經(jīng)過這幾年的技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化摸索來驗證最合適規(guī)模化應用的技術路線?，F(xiàn)階段固態(tài)電池企業(yè)的應對策略應該是加大投入，增強技術積累，與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)緊密合作。寄希望于固態(tài)電池技術早日成熟，電動汽車的續(xù)駛里程再也不會成為通勤焦慮。
“當務之急，就是加大攻關力度，早日實現(xiàn)關鍵性技術的突破。”劉洪濤認為，中國的最大競爭對手是日本。日本在硫化物類固態(tài)電解質(zhì)方面的研究基礎雄厚，正全力應用于固態(tài)電池的研發(fā)。中國著眼于氧化物類固態(tài)電解質(zhì)，并且已投產(chǎn)固態(tài)電池生產(chǎn)線。研發(fā)方面日本仍處于領先，但產(chǎn)業(yè)化方面中國有望趕超。盡管中、日布局的固態(tài)電池采用不同的電解質(zhì)，但誰能率先解決穩(wěn)定性問題，誰就能迅速占領固態(tài)電池的市場。
近年來，新能源汽車在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，其中不乏傳統(tǒng)車企紛紛搶灘，當然也有大量造車新勢力入局。中國汽車工業(yè)協(xié)會最新的數(shù)據(jù)顯示：一季度我國新能源汽車產(chǎn)銷量翻倍，產(chǎn)銷分別完成30.4萬輛和29.89萬輛，比上年同期增長1倍和1.1倍。還有一個現(xiàn)象是，對比傳統(tǒng)燃油車2018年超過10%的負增長，眼下幾乎所有汽車生產(chǎn)企業(yè)均押寶新能源汽車，這同時也帶動了產(chǎn)業(yè)鏈上下游的創(chuàng)新動力，預計2019年我國新能源汽車產(chǎn)銷量將達到150萬輛。電池的安全、續(xù)駛能力備受關注。
至于新能源汽車是否能全面轉(zhuǎn)向固態(tài)電池，專家們?nèi)匀灰試乐敗⒖茖W的眼光看待。“新能源汽車轉(zhuǎn)向固態(tài)電池只是可能的一個方向，在突破瓶頸之前無從談起所謂全面轉(zhuǎn)向。”劉洪濤表示。
“目前新能源汽車電池的安全問題備受重視，也成為制約其市場推廣的核心問題之一，如果不能解決電池安全問題，新能源汽車就沒有未來。由此出發(fā)，固態(tài)電池被視為現(xiàn)有液態(tài)鋰電池最有可能的替代者。但是否能夠全面轉(zhuǎn)向固態(tài)電池，還取決于固態(tài)電池本身的技術進步和市場推廣。”傅正文認為。
固態(tài)電池正向我們走來
近來，由于上海車展的聚焦和部分電動汽車自燃等原因，固態(tài)電池正在成為業(yè)界關注的熱點。
任何事物都有客觀的發(fā)展規(guī)律和發(fā)展軌跡，新能源汽車領域也不例外。在新能源汽車發(fā)展方興未艾之際，電池的續(xù)駛能力、安全性能始終是被吐槽最多的問題。在以往的電池材質(zhì)上，多數(shù)新能源汽車都是采用三元鋰電池，而這一類電池的短板在于電池能量密度無法達到理想值，即使能夠達到也存在很大的不穩(wěn)定性。作為新能源汽車來說，電池的好壞就是決定一切的基礎，如果電池無法取得突破，對于新能源汽車的發(fā)展無疑是一個瓶頸。而固態(tài)電池的出現(xiàn)，為解決這一難題帶來了曙光。雖然目前還無法準確預測將來如何，但固態(tài)電池起碼是提供了實現(xiàn)重大突破的機遇。
正是在這樣的背景下，固態(tài)電池受到高度關注。固態(tài)電池不僅具有充電時間短、續(xù)駛里程長的優(yōu)點，同時由于其電解質(zhì)的不可燃、不揮發(fā)、不漏液等特征，讓固態(tài)電池的安全性比鋰電池要更強大。在制造結(jié)構(gòu)上，固態(tài)電池緊密、占用空間小、規(guī)模靈活性、設計彈性大等特點又可以讓電動汽車將更多的空間安置電子元件用于智能化和實現(xiàn)良好操控性。可以說，固態(tài)電池的出現(xiàn)為電動汽車未來的發(fā)展帶來了更多的可能性。
業(yè)界更多的輿論樂觀地認為，固態(tài)電池取代三元鋰電池可能將成為必然的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在看來只是一個時間問題。類似目前電腦領域機械硬盤和固態(tài)硬盤共存，將來新能源汽車的發(fā)展趨勢，也許會出現(xiàn)三元鋰電池、固態(tài)電池甚至還有可能出現(xiàn)更新型電池共存的局面。總之，發(fā)展是硬道理，技術進步永無止境，發(fā)展也沒有終點，這一點是毋庸置疑的。
當前，在新技術領域的全球競爭日益激烈，固態(tài)電池領域也是如此。發(fā)達經(jīng)濟體在新技術領域從來不甘落于人后，甚至會用大投入去贏得時間和領先地位。因此，我們也不能掉以輕心，主管部門、科研機構(gòu)、電池企業(yè)、汽車企業(yè)都應投入更多的力量去進行研發(fā)創(chuàng)新，加速技術突破的步伐，凝聚產(chǎn)學研用的智慧，力爭在這一新技術、新領域?qū)崿F(xiàn)領跑。
應該看到，任何事物都是在不斷克服缺點和弊端中不斷前行。固態(tài)電池也是一樣，盡管目前在具體技術細節(jié)等方面還存在種種不足，但既然是一個發(fā)展方向，就不妨去努力。的確，在發(fā)展過程中，目前三元鋰電池已經(jīng)成為新能源汽車發(fā)展的短板，觸到了發(fā)展的天花板，因此將目光轉(zhuǎn)向固態(tài)電池是目前看來的最佳選擇之一。因此，努力也是贏得出路的關鍵。
總而言之，即使在技術發(fā)展中，市場因素仍然起著很大的決定作用。當今新能源汽車市場上，尋找更新、更強、更多的新技術“武裝”，也許正是新能源汽車的生命力所在。按照目前的發(fā)展態(tài)勢，如果固態(tài)電池技術能實現(xiàn)新的突破，也許就能帶領新能源汽車走進新的春天。
