固態(tài)電池?fù)屛徊季旨铀?產(chǎn)業(yè)化為時尚早
時間:2018-11-26 16:49來源:動力電池網(wǎng) 作者:余雪松
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今年尤其是9月以來，國內(nèi)外發(fā)生了多起電動汽車起火事件，進(jìn)一步引發(fā)了社會各界對動力電池安全性的擔(dān)憂。而進(jìn)入10月后，固態(tài)電池各類消息甚囂塵上，來勢洶洶，似乎產(chǎn)業(yè)化即將實現(xiàn)，大有從根本上解決動力電池安全性問題的態(tài)勢。在筆者看來，固態(tài)電池現(xiàn)在仍處于搶位布局階段，產(chǎn)業(yè)化還要克服諸多難題，短時間內(nèi)還難以大規(guī)模應(yīng)用，尤其是在動力電池領(lǐng)域。
液態(tài)鋰離子電池安全問題難以根治
當(dāng)前，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的鋰離子電池包括全球動力電池基本上都是液態(tài)鋰離子電池，其結(jié)構(gòu)主要包括了正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液。電解液主要成分為兩種：一種是有機(jī)溶劑和電解質(zhì)（鋰鹽），其中現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的有機(jī)溶劑為碳酸酯系列（包括環(huán)狀碳酸酯如EC、PC，和鏈狀碳酸酯如DMC、EMC）；另一種是聚合物+有機(jī)溶劑+電解質(zhì)（鋰鹽），聚合物大多是小分子聚合物。
不管是哪種電解液，都是有機(jī)成分，再加上隔膜，液態(tài)鋰離子電池中易燃物比重較大。在大電流下工作液態(tài)鋰離子電池有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞；電解液為有機(jī)液體，在高溫下會加劇發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向。
當(dāng)液態(tài)鋰離子電池受到劇烈沖擊或者電池溫度過高的話，電解液極易燃燒，造成電池起火以及更為嚴(yán)重的安全事故。這是液態(tài)鋰離子電池安全性存在的先天不足，盡管通過電池管理系統(tǒng)（對于動力電池組來說就是電源管理系統(tǒng)）可以管理、監(jiān)控電池情況，降低事故發(fā)生率，但不能從根本上避免。
經(jīng)過幾十年發(fā)展，鋰離子單體電池（即一顆電芯+電池管理系統(tǒng)組成）以及幾個單體電池組（如筆記本電池，一般包括4-6個單體電芯+電源管理系統(tǒng)）安全性基本可以保障，事故率大概在千萬分之一甚至更低。但也不能保障不出問題，偶爾可見的手機(jī)電池鼓包、爆燃以及筆記本電池召回等報道充分說明了這一點(diǎn)。
而對于動力電池而言，由于使用了大量單體電池，除了單體電芯的安全性之外，單體電芯的一致性成為影響動力電池安全的重大難題。在鋰離子電池生產(chǎn)過程中，盡管自動化程度較高，但人工處理環(huán)節(jié)仍然不少，這一點(diǎn)在我國鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)更為顯著。
這些人工環(huán)節(jié)不一定會給單體鋰離子電池帶來安全隱患，但在一定程度上會造成單體鋰離子電池出現(xiàn)不一致，從而給動力電池組的電池管理帶來不確定性，增加電池管理難度，成為動力鋰電的安全埋患。
全固態(tài)鋰離子電池被視為理想電源
全固態(tài)鋰離子電池，顧名思義是使用固體電極和固體電解質(zhì)的鋰離子電池。由于全固態(tài)鋰離子電池的電極和電解質(zhì)都由固態(tài)物質(zhì)制成，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，即使被加熱到非常高的溫度，也不會著火，因而安全性更高。
全固態(tài)電池未來市場潛力巨大
搭載全固態(tài)鋰離子電池的汽車，自燃概率會大大降低。可以說，是下一代新能源汽車動力電池的理想對象。“固態(tài)電解質(zhì)電池將是下一個風(fēng)口，是新能源電池未來主要趨勢。相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化，理論上存在一定的優(yōu)勢。”北京理工大學(xué)電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專業(yè)委員會委員孫立清表示。
當(dāng)前，用于固態(tài)鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)材料種類主要有聚合物、氧化物和硫化物三大類。相較液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)鋰離子電池優(yōu)勢明顯：
一是能量密度更高。全固態(tài)鋰離子電池可以解決許多新型高性能電極材料與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性問題，使用金屬鋰來做負(fù)極取代石墨負(fù)極，可明顯減輕負(fù)極材料重量，顯著提高電池單體能量密度。在相同能量下，用固態(tài)電解質(zhì)取代電解液和薄膜，全固態(tài)鋰離子電池更薄且體積更小，這也有助于提高電池單體能量密度。
二是安全性顯著提高。全固態(tài)鋰離子電池以無機(jī)固體電解質(zhì)替代有機(jī)電解液，不再需要隔膜，就不存在電池溫度升高造成有機(jī)物分解燃燒問題，也不會有枝晶刺破隔膜造成短路的現(xiàn)象，從根本上解決了液態(tài)鋰離子電池的安全問題。
三是大大方便了電動汽車使用。由于全固態(tài)鋰離子電池中沒有電解液，運(yùn)輸、保存將會變得更加容易，在電動汽車等大型設(shè)備上使用時，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等部件，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕電池系統(tǒng)自身重量。
國內(nèi)外企業(yè)爭相布局
日前，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所牽頭承擔(dān)的納米先導(dǎo)專項“全固態(tài)電池”課題日前通過驗收，主要開發(fā)了一系列高性能固態(tài)電解質(zhì)材料、基于原位固態(tài)化的混合固液電解質(zhì)電芯以及全固態(tài)鋰電池單體，突破了從材料研發(fā)到電池集成的相關(guān)技術(shù)。
贛鋒鋰業(yè)宣布進(jìn)入固態(tài)電池領(lǐng)域
在納米先導(dǎo)專項“全固態(tài)電池”課題基礎(chǔ)上，江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司在寧波投資5億元人民幣，籌建億瓦時固態(tài)動力鋰電池生產(chǎn)線，開展第一代產(chǎn)品在新能源汽車用戶的推廣和市場投放。
這只是近些年來全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的一個縮影。目前，全球多個國家都在布局全固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)，力爭在未來鋰電池市場競爭中搶得先機(jī)其中。越來越多的國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)將重心集中到了全固態(tài)鋰離子電池上，也有不少汽車廠商都透露過基于全固態(tài)鋰離子電池打造電動汽車的計劃。
比如，大眾曾宣布計劃研發(fā)續(xù)航1000km固態(tài)電池；豐田汽車預(yù)計2022年完成固態(tài)電池的研發(fā)工作，并計劃于2030年實現(xiàn)量產(chǎn)；日本經(jīng)濟(jì)省更是在2017年宣布出資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(xué)、三菱化學(xué)等國內(nèi)頂級產(chǎn)業(yè)鏈力量，共同研發(fā)固態(tài)電池，希望2030年實現(xiàn)800公里續(xù)航目標(biāo)。
豐田固態(tài)電池進(jìn)展迅速
三星、蘋果、戴森、奔馳等產(chǎn)業(yè)巨頭也紛紛布局涉足全固態(tài)鋰離子電池研發(fā)；寶馬電池合作伙伴同時也是主打全固態(tài)鋰離子電池的Solid Power近期獲得2000萬美金融資；今年早些時候Fisker發(fā)布了一項全新的固態(tài)電池技術(shù)，近期又宣稱與Caterpillar Ventures正式攜手合作，主要將合力研發(fā)固態(tài)電池。
國內(nèi)眾多科研院所以及骨干企業(yè)也在積極布局。中科院上海硅酸鹽研究所、中科院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)、中科院物理所、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位都在加快全固態(tài)電池研究，均取得了一定進(jìn)展。中科院物理所與北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司合作，在江蘇溧陽成立了江蘇衛(wèi)藍(lán)新能源電池有限公司，正在建設(shè)電池中試線。
眾多難題尚需克服
然而，全固態(tài)鋰離子電池想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，尚需解決多重難題：一是需要突破高性能固態(tài)電解質(zhì)。電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)的核心，其性能決定了電池性能。
目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應(yīng)用案例；氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)；硫化物電導(dǎo)率最高，是未來主要方向。
但聚合物耐溫性不夠，穩(wěn)定性較差、離子電導(dǎo)性偏低。氧化物抗阻能力比價強(qiáng)，但離子電導(dǎo)性也無法達(dá)到要求。硫化物雖然電導(dǎo)性不錯，又由于材料穩(wěn)定性不佳，導(dǎo)致離子傳輸性能欠缺。
整體來看，固態(tài)電解質(zhì)材料研發(fā)需要突破以下幾點(diǎn)：鋰離子導(dǎo)電率要維持在在適當(dāng)?shù)乃剑荒苓^高，也不能過低；電解質(zhì)內(nèi)阻要小；電解質(zhì)材料穩(wěn)定性要高；滿足高倍率、快充等要求。
二是需要突破全固態(tài)電池制造技術(shù)。鋰離子電池制造是個系統(tǒng)工作，雖然個頭不大，但需要解決多方面的問題，包括電池體系設(shè)計、正負(fù)極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面相容性、長期循環(huán)過程中的體積效應(yīng)、電池穩(wěn)定性和安全性等。尤其是在電池穩(wěn)定性和安全性，實驗室測試是一方面，真正考驗還需要在長期使用過程中，這需要較長周期。
另外，固態(tài)電池生產(chǎn)技術(shù)不能采用已經(jīng)十分成熟的液態(tài)電池制造技術(shù)，需要大家重新摸索，而且還需要實現(xiàn)電池制備效率、電池性能、一致性等要求，難度不小。盡管目前已經(jīng)固態(tài)鋰離子電池開始問世，但這些都還是實驗室或者中試產(chǎn)品，離產(chǎn)業(yè)化還有較大距離。
固態(tài)電池市場化尚需時日
三是需要突破規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)。液態(tài)鋰離子電池能夠占據(jù)消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動汽車等應(yīng)用市場的主導(dǎo)地位，除了性能優(yōu)越之外，成本優(yōu)勢不可或缺，其中規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)揮了巨大作用。
液體鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化到現(xiàn)在將近30年，其規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但成本仍需進(jìn)一步下降，以滿足電動汽車需求。全固態(tài)電池要想在市場上站穩(wěn)腳跟，需要盡快突破規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)，加快普及速度，顯著降低生產(chǎn)成本，下游市場才有可能接受。
綜合來看，安全性高、能力密度潛力大的固態(tài)電池必然是下一代電池的發(fā)展方向，但產(chǎn)業(yè)化還為時尚早。國家新能源汽車重點(diǎn)科技專項首席專家歐陽明高院士曾表示，預(yù)計全固態(tài)鋰離子電池會在2025－2030年之間取得突破。
今年5月，豐田動力總成部門的總經(jīng)理Shinzuo Abe透露：“豐田期望在2020年以后能制造出固態(tài)電池，但若要實現(xiàn)固態(tài)電池的量產(chǎn)，還需要等到2030年以后”。
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