中國儲能網(wǎng)訊：李縝，2006年創(chuàng)辦合肥國軒高科動力能源有限公司，現(xiàn)任國軒控股集團(tuán)董事長，國軒高科股份有限公司董事長、總經(jīng)理。先后獲得合肥市第十三屆人民代表大會優(yōu)秀代表、合肥市科學(xué)技術(shù)獎一等獎，安徽科技進(jìn)步獎一等獎、三等獎，國家“萬人計劃”創(chuàng)業(yè)人才，科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計劃科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才、合肥市勞動模范、優(yōu)秀企業(yè)家、年度經(jīng)濟(jì)領(lǐng)軍人物、中國電池行業(yè)2019年度人物、鋰想2020時代人物、2021年度中國品牌十大人物等榮譽(yù)稱號。
《汽車專家述評》2021年12月刊以“新能源汽車動力電池回收助力‘碳中和’”為主題，邀請中汽咨詢委委員和行業(yè)著名專家以及有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀企業(yè)專家進(jìn)行撰稿，分為“頂層設(shè)計與政策導(dǎo)向”、“先進(jìn)技術(shù)工藝”、“創(chuàng)新商業(yè)模式”三大板塊，對動力電池回收利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行全方位、多層次的研究和探討。非常榮幸邀請到李縝董事長為“頂層設(shè)計與政策導(dǎo)向”板塊撰稿，探討下一代動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用場景，提出硅負(fù)極和預(yù)鋰等新材料和新技術(shù)將是磷酸鐵鋰和三元電池的“突圍之路”等重要觀點(diǎn)，以期對行業(yè)的發(fā)展提供指引和思考。以下為全文內(nèi)容：
李縝：下一代動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景
動力電池作為新能源汽車的核心部件，其安全性、能量密度、壽命、成本等直接影響著新能源汽車的發(fā)展。然而，尚無一種電池體系可完全滿足上述所有應(yīng)用需求，目前仍處于以三元和磷酸鐵鋰兩種體系引領(lǐng)共存的發(fā)展階段。三元動力電池有著能量密度高、大倍率充電和低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但在循環(huán)和安全方面，磷酸鐵鋰電池則明顯更勝一籌。隨著應(yīng)用端對電池安全性和能量密度的需求不斷提升，動力電池關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，特別是針對電池體系的革新，已成為衡量各大動力電池企業(yè)核心競爭力的核心指標(biāo)。
一、提升電池技術(shù)的兩種路徑
安全性是各種高性能技術(shù)應(yīng)用的前提，在此邏輯下，一種發(fā)展路線是，立足于材料安全系數(shù)更高的磷酸鐵鋰體系，利用引入硅碳負(fù)極甚至鋰負(fù)極，解決能量密度的短板，實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)在的190~200 Wh/kg（軟包體系）到230~260 Wh/kg的提升。另一種路線則是，瞄準(zhǔn)能量密度更具優(yōu)勢的三元體系，著重解決正極材料熱穩(wěn)定性變差帶來的安全風(fēng)險，通過引入固態(tài)電解質(zhì)相關(guān)的安全技術(shù)發(fā)展半固態(tài)電池，在保證安全應(yīng)用的前提下，可兼容比容量更高的高鎳正極和硅碳負(fù)極，將能量密度從當(dāng)前的260~280Wh/kg進(jìn)一步提升至350~360Wh/kg，為日益增長的能量密度和安全性矛盾提供及時有效的解決之道；而著眼于電池本征安全的下一代全固態(tài)電池技術(shù)，則有望將活性更高的正負(fù)極體系（包括富鋰錳基正極，金屬鋰負(fù)極和無鋰負(fù)極等）應(yīng)用成為可能，并催生電池體系的變革，將能量密度、安全性以及成本控制等關(guān)鍵指標(biāo)推升至一個新高度。
二、磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池的“突圍之路”
材料科學(xué)是電池技術(shù)革新的本源，而硅負(fù)極和預(yù)鋰等新材料和新技術(shù)將是磷酸鐵鋰和三元電池的“突圍之路”。
1.硅負(fù)極：產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前夕
硅負(fù)極具有較大的理論比容量(4200mAh/g)，比石墨類負(fù)極材料的比容量(372mAh/g)高一個數(shù)量級，對電池的能量密度有積極的提升作用，但存在膨脹較大、導(dǎo)電率較低和循環(huán)性能差等問題。
為解決硅材料存在的問題，一方面從硅材料本身入手，通過材料納米化及結(jié)構(gòu)設(shè)計，如核殼結(jié)構(gòu)、空心硅結(jié)果、納米線等，可減少材料本身的絕對體積膨脹，同時可將硅材料與碳材料復(fù)合改性，兼容兩者優(yōu)勢，大幅度提升循環(huán)性能，提高其在鋰電池中的實(shí)用性。另一方面，通過開發(fā)新型電解液，優(yōu)化鋰鹽與溶劑配方比例，在硅基負(fù)極表面形成高界面能、高彈性SEI膜，可減少硅材料膨脹帶來的不利影響。
為滿足近中期能量密度提升的迫切需求，負(fù)極方面針對硅材料的開發(fā)和應(yīng)用導(dǎo)入已成為行業(yè)共識，通過本體改性、粘結(jié)劑和電解液匹配以實(shí)現(xiàn)電芯的膨脹降低和循環(huán)提升，彈性、自適應(yīng)模組等新型結(jié)構(gòu)技術(shù)也將推動硅負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化。
2.預(yù)鋰：兵家必爭的技術(shù)高地
相比于石墨負(fù)極，硅負(fù)極的引入加劇了用于SEI成膜的正極脫嵌鋰離子消耗，導(dǎo)致首次庫倫效率降低，電池有效容量難以發(fā)揮，同時后續(xù)充放電過程中的鋰離子持續(xù)消耗,又進(jìn)一步導(dǎo)致循環(huán)性能惡化，因此，通過預(yù)鋰以階段性突破電池實(shí)際容量和長循環(huán)性能瓶頸，一直是研究的熱點(diǎn)。
近幾年，針對預(yù)鋰的開發(fā)儼然成為大型電池企業(yè)的技術(shù)必爭之地，預(yù)計明年一些主流電池企業(yè)將競相發(fā)布各自的預(yù)鋰“黑科技”，引領(lǐng)新一代動力電池產(chǎn)品升級。
三、安全鐵鋰的高比能演繹
磷酸鐵鋰LiFePO4材料在1997年被Goodenough教授發(fā)現(xiàn)并用作正極材料，憑借較好的熱穩(wěn)定性、低廉的原材料成本、較好的電壓平臺和理論克容量被業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。但能量密度問題仍然是鐵鋰電池的應(yīng)用短板，鐵鋰材料的理論克容量只有170mAh/g，目前商用成熟的石墨負(fù)極材料的理論克容量也只有372mAh/g，兩者限制了在不引入其他新技術(shù)的情況下，可商用的鐵鋰石墨體系電芯的能量密度大概處于180-210Wh/kg。在引入硅負(fù)極及預(yù)鋰化技術(shù)之后，鐵鋰電池有望將能量密度進(jìn)一步提升至230-260Wh/kg。國軒高科在2020年推出了210Wh/kg鐵鋰軟包電池，并于2021年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2021年進(jìn)一步解決了鐵鋰高硅體系的循環(huán)問題，小試鐵鋰電芯單體能量密度達(dá)到230Wh/kg，可以在近兩年實(shí)現(xiàn)自研補(bǔ)鋰工藝的產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)電芯量產(chǎn)。同時布局的鐵鋰配鋰金屬半固態(tài)鐵鋰，可以進(jìn)一步將單體能量密度突破到260Wh/kg以上。隨著鐵鋰電池的能量密度不斷提升，與三元電池差距將進(jìn)一步縮小，依靠高安全和低成本的優(yōu)勢，高能量密度鐵鋰電芯在乘用車和儲能領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛應(yīng)用。
四、半固態(tài)電池：能量密度和安全性的高效平衡
三元層狀氧化物正極材料(LiNi1-x-yCoxMnyO2，NCM)具有比容量高、倍率性能好等特點(diǎn)，可以滿足目前動力電池長續(xù)航的需求。三元正極的熱穩(wěn)定性差，且隨著克容量要求提升，Ni含量進(jìn)一步增加，其自身穩(wěn)定性大幅度下降，正極材料分解、與電解液副反應(yīng)等因素疊加，會加快電池內(nèi)部熱量不斷積累，液態(tài)有機(jī)電解液組分在高溫下被點(diǎn)燃，最終導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控。因此，若在液態(tài)電池中引入不可燃的固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)，促進(jìn)高鎳正極、凝膠電解質(zhì)等一系列半固態(tài)相關(guān)共性技術(shù)發(fā)展，成為可兼顧“性能”和“安全”的普遍共識。
目前，一些主流電池企業(yè)正在加緊半固態(tài)電池的應(yīng)用開發(fā)，為電動汽車突破800~1000km的續(xù)航提供真正的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)支撐。國軒高科密集布局半固態(tài)電池核心技術(shù)，已于近日正式獲得國內(nèi)中高端整車企業(yè)的商務(wù)定點(diǎn)，在高安全三元的實(shí)用化之路上邁出堅實(shí)一步。
五、向固態(tài)電池進(jìn)發(fā)：鋰金屬負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化之路
在已知的負(fù)極材料中，金屬鋰（Li）具有最高的理論比容量（3860mAh/g）、低的密度（0.59g/cm3）和最負(fù)的電極電位（-3.045Vvs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極SHE），是最有前景的鋰二次電池負(fù)極材料。然而，鋰金屬負(fù)極面臨安全和循環(huán)兩個巨大挑戰(zhàn)，根本原因在于其高化學(xué)反應(yīng)性和高體積變化。固態(tài)電解質(zhì)(SSE) 可以從根本上改變鋰沉積的行為，有望成為鋰金屬負(fù)極問題的最終解決方案。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，關(guān)鍵在于解決SSE/電極之間的界面問題，目前主要通過構(gòu)建人工SEI膜和固態(tài)電解質(zhì)成分優(yōu)化。通過對固態(tài)電解質(zhì)成分優(yōu)化，可以穩(wěn)定鋰/電解質(zhì)界面，而不會影響電解質(zhì)的電導(dǎo)率。
目前以一批初創(chuàng)企業(yè)為代表的電池廠商在全固態(tài)電池方面率先邁出了第一步。如美國的初創(chuàng)企業(yè)QuantumScape，目前可制作10層疊加的全固態(tài)鋰電池，但測試過程中需要增加額外的強(qiáng)壓力保證界面接觸。另一個初創(chuàng)企業(yè)Solid Power開發(fā)出2Ah硫化物全固態(tài)金屬鋰電池，并計劃2025年達(dá)到產(chǎn)業(yè)化；其全固態(tài)硅負(fù)極路線則計劃在2022年生產(chǎn)100Ah電池，并向?qū)汃R和福特提供送測。Solid Energy System (SES)最近報道了迄今為止容量最大的107Ah鋰金屬電池，但并未公布詳細(xì)循環(huán)性能。盡管實(shí)用化之路道阻且長，然而在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力下，具備本征安全和高能量密度特性的全固態(tài)電池將有望在2025~2030年迎來真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
結(jié)語
在現(xiàn)階段，仍無法用一種電池體系滿足人們對動力電池在安全、能量密度、循環(huán)和成本等關(guān)鍵指標(biāo)的所有需求。然而，從安全鐵鋰的高比能演繹，到半固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)安全與能量密度的高效平衡，催生出處于應(yīng)用前夕的硅負(fù)極和“兵家必爭”的預(yù)鋰黑科技，直至全固態(tài)電池引領(lǐng)下一代電池的革新，不同路線大顯身手、各顯神通，未嘗不是行業(yè)之幸，時代之榮！
可以預(yù)見，電池體系的迭代升級乃至更新?lián)Q代，將始終為整個新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定穩(wěn)定的基石，通過技術(shù)的無盡想象引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。
張宏立、朱冠楠、李洋、申永寬對本文亦有貢獻(xiàn)。
