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固態電池: 從“萬里挑一”到“萬無一失”

2019-11-20 17:28:50 來源:能源評論

鋰電池行業已從前沿技術深入大眾生活,今年諾貝爾化學獎就授予了發明鋰離子電池的3位先驅。隨著新能源汽車大發展,動力電池應用規模快速擴大,從而帶動了市場走強,同時也引發公眾對安全的關注。基于現有材料體系和技術框架下,鋰電池如何保證能量密度和安全性同步提升?未來鋰電池產業會有哪些挑戰?有業界人士提出,固態電池產業化步入2.0時代。

本刊日前采訪了中國科學院院士、清華大學教授南策文,他認為,固態電池產品已經進入公眾視野,固態鋰電池產業化是鋰電池逐漸走向市場的自然選擇,學界和產業界應聯手推動這一進程,未來中國一定會走在這一領域的前列。

為什么是固態鋰電池

《能源評論》:在日前披露的《新能源汽車產業發展規劃(2021~2025年)》(征求意見稿中),明確提出要“加快全固態動力電池技術研發及產業化”。您對此怎么評價?

南策文:固態電池正在得到社會各界的關注。現在不僅是研究電池的高校、機構、企業投身其中,還包括很多原來看似不相關的人士,比如金融投資機構也開始感興趣,并慢慢進入。這意味著固態電池產業面臨變革的機遇,表明固態電池技術和產業化值得期待。

《能源評論》:鋰電池產業的大發展,從根本上看還是因為市場需求日益增大,您認為主要的驅動力來自哪里?

南策文:從市場來看,近年來鋰電池的需求量非常大,有些以前我們都不太熟悉的領域,都開始需要應用鋰電池。根據中國電子信息產業發展研究院發布的《鋰離子電池產業發展白皮書(2019)》,2018年全球鋰離子電池產業(不包括電池相關材料)規模達412億美元,同比增長18%;按容量計算,全球規模達到200吉瓦時,同比增長25%。當然,最大的市場驅動力還是來自于電動汽車領域,這方面,中國毫無疑問是世界上增長最快、規模最大的。

《能源評論》:隨著市場規模快速增長,電動汽車用戶對續航里程提出了較高要求,鋰電池也出現了不少安全問題,您認為該如何解決?

南策文:鋰電池是一個復雜的復合系統、多層次復合材料或者復合體系。在技術上,需要突破的目標是多方面,包括長續航、長壽命、高安全、低成本以及快充等。

目前關注更多是長續航和高安全。長續航需要較高的電池能量密度,我們國家的發展目標是很明確的,目前學術界和產業界的進展也非常快,現在的鋰電池單體能量密度可以做到240~260瓦時/公斤;按照目前的材料體系和工藝,勉強可以做到300瓦時/公斤,但這已到了極限。如果按照原有的技術發展路線圖,目前的材料體系可能就會受限制,這就需要有新的思路來解決。

同時,安全是大家最關心的問題,但安全隱患是液態鋰電池固有的問題。韓國今年已經發生很多起鋰電池(儲能站)起火、爆炸事故,假如鋰電池總出現安全問題,就會打擊消費者信心,鋰電池產業也可能會受到打擊。比如三星手機電池爆炸問題,就曾嚴重影響三星手機市場。高安全與高能量密度又是一對矛盾。

如何在現有條件下去突破能量、安全瓶頸,很自然的選擇就是固態化。

《能源評論》:解決上述問題的辦法有很多,為什么一定會是固態?

南策文:因為用固態電解質替代鋰離子電池中的電解液,可解決原來由于低閃點電解液本身引起的安全隱患,做到本質安全。另外,固態電池還有其它優點,比如:不忘初心、使用鋰金屬做負極,正極可以觸及到高電壓材料,從而提高電池能量密度;不用再擔心高溫儲存問題,不會再有爆炸危險。總之,固態電池不僅可以顯著提高能量密度和安全性,而且電池封裝也會簡單一些,同時可以實現電池的柔性化、異形化,可以根據不同的應用場景來設計不同的形狀。

可從聚合物基復合體系先行先試

《能源評論》:您如何看待固態電池的研究與產業化進程?

南策文:固態電池一定要走向實用化、規模化。如果一直在紙上談,肯定不行。一個新技術出來,在熱了一段時間后,一定要慢慢往產業應用方向走,哪怕邁出一小步也可以,但不邁出去不行。目前有不少大型公司,特別是國際知名車企,都宣布要量產固態電池,并制定了各自的發展路線計劃。

《能源評論》:推動固態鋰電池發展,有哪些關鍵問題和技術?

南策文:在固態電池產業化過程當中,關鍵問題和技術是較多的。其中一個核心材料是固態電解質,因為鋰電池需要固態電解質像電解液一樣快速去傳導鋰離子,同時可以去阻斷鋰枝晶生成。

《能源評論》:您認為,應該如何具體推進固態電池技術進展?

南策文:現在的技術路線有幾種:聚合物、氧化物和硫化物。從產業化的角度來講,無論是氧化物還是硫化物,在這兩個體系下做規模化的技術可行途徑,目前還是很難、有許多挑戰。現在比較容易的一條途徑是無機-聚合物的復合體系,因為它集合了兩者的優勢,可以使離子電導率保持較高水平,而且可以做到柔性,保證高分子的加工性、柔性,特別是它可較大程度上利用現有鋰離子電池制造平臺,可基于現有平臺,根據固態電解質引入以后所發生的變化特征,來調整相應的制造設備。要快速轉向大規模產業化,可能最容易的一條路線還是無機-聚合物復合體系先試先行。

需要注意的是,因為在復合材料體系內,優化組合的種類有很多,研究者可以選不同的材料和不同的組合,所以會有很多空間可以去做,有很多排列組合和優化組合去進行比較,但挑戰也比較大。

《能源評論》:固態電池雖好,但起步階段價格往往很高,您認為,未來市場應如何開拓?

南策文:現在主要還是要從典型的應用場景入手,因為固態電池要馬上大規模應用,比如成為動力電池還有一段距離,因此最開始還是做特種電池,比如像軍用電源、數碼領域、石油、電力等行業,已經開始有應用。動力電池領域更多是在試驗檢測階段,目前要解決的首要問題是安全,好消息是對現有固態電池的所有安全測試,包括針刺、沖擊、擠壓,甚至是槍擊,都沒有問題。

《能源評論》:對于產業化進程中出現的問題,您認為該如何看待?

南策文:目前國內有幾家企業,比如清陶、鋒鋰、衛藍,都在聚焦固態鋰電池,全力往產業方向推進,這是非常好的現象。在推進的過程中,有問題很正常,因為只有發現問題,才能有針對性地去解決問題。實際上,產業化規模應用與實驗室研究是完全兩回事,我們做研究講究的是“萬里挑一”,要在一萬個里面找出可能性、挑出做好的,但是產業界最需要的是“萬無一失”,對產品一致性有著極高的要求,二者要求完全不一樣。

《能源評論》:對于創新性產品的成本問題您怎么評價,未來趨勢如何?

南策文:工業界對成本問題非常關注,經常來和我們溝通。在我看來,成本與規模一般是密切相關的,以清陶公司目前0.1吉瓦時的規模來計算,固態電池成本比液態電池要高2倍多。但是隨著規模的增加,成本應該能降下來。大概到2022年,有了8吉瓦時量級的時候,成本可能會接近液態電池的成本。當然,即使到那時,二者的成本還是有差距,但是差距會縮小。

《能源評論》:您如何看待固態電池產業的未來前景?

南策文:盡管固態電池還有很多問題,但它有著扎實可行的技術方案,固態電池產品已經進入人們視野,是大勢所趨。

固態電池前景值得期待,在未來的產業化發展過程中,固態電池不會和液態電池去競爭、去替代,它有自身的應用場景和更新迭代的路線、產業化方向,在做研究和產業化方面,我相信我們國家還會走在前列。

 

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