中國儲能網訊：經緯科創(chuàng)匯動力電池專場又與大家見面了，我們和DeepTech戰(zhàn)略合作，邀請到了學界與業(yè)界的資深專家，以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來進行交流。
本篇是我們動力電池系列的第2篇文章，訪談對象是浙江大學材料科學與工程學院研究員范修林，范博士2019年入選國家級青年人才計劃，同年8月加入浙江大學材料科學與工程學院擔任“百人計劃”研究員。主要從事二次電池（包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池等）等能源存儲器件的界面工程及相關電解液/電解質的設計研究，在Science, Nature Nanotech., Nature Mater., Nature Energy等期刊發(fā)表SCI論文150余篇。
我們與范博士探討了動力電池正負極材料的創(chuàng)新、固態(tài)電池的難點與可能性、電池研發(fā)中的折中思路、最近1-3年有哪些值得關注的技術突破……如果你想更系統(tǒng)地了解動力電池，請參考我們上一篇文章（《動力電池全面爆發(fā)時刻，誰將引領下一次產業(yè)革新？》），還可關注我們的欄目，未來我們還會分享一系列分析研究。以下，Enjoy：
經緯：您曾經在國內外對鋰金屬電池、鋰離子電池等能源存儲器件的界面工程，及相關電解液領域做過很多科研工作，可否介紹一下您在浙大課題組的研究方向？
范修林：現在我們課題組主要研究的是電解質，包括液態(tài)電解液和固態(tài)電解質。液態(tài)電解液現在已經非常成熟，如果能有一點小小的突破，就能快速轉化成生產力，它是短期可行的。而對于固態(tài)電解質，中短期固液混合可能可以走到商用，但對于中長期的全固態(tài)，它跟液態(tài)的技術方案、工藝是完全不同的，目前誰也說不準什么時候才能真正地大規(guī)模應用。
任何一項新技術都會有風險，有時候雖然看上去就差臨門一腳，但往往在產業(yè)界，最終被臨門一腳卡住的，也完全有可能出現。所以我們實驗室布局了三方面：純液態(tài)、液固混合、全固態(tài)，也是基于短期、中期、長期的思考，對于未來的最終高安全的全固態(tài)我們充滿希望。
課題組成員在組裝電池及實驗室測試用的幾種電池——扣式電池，固態(tài)電池，軟包電池
經緯：從正極材料的演進史來看，直到現在形成了磷酸鐵鋰與三元并駕齊驅，您覺得有沒有哪些規(guī)律是可以總結回顧的？
范修林：我覺得關鍵是兩點，一個是能量密度，一個是安全性。為什么會形成磷酸鐵鋰和三元兩條路線？一個很重要的原因是我們可選的正極材料沒有很多，主要就是鈷酸鋰、三元、磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰等，其中鈷過于昂貴，很難大規(guī)模應用，所以就退而求其次選擇三元，用鎳和錳取代一部分鈷，讓成本降下來。
為什么最終磷酸鐵鋰能起來？主要是三元雖然能量密度高，但安全性不夠好，尤其在溫度高的情況下，容易跟電解液發(fā)生副反應，可能會產生自燃。磷酸鐵鋰雖然比三元能量密度低，但安全性高了很多，成本也更低。于是就形成了磷酸鐵鋰和三元兩條技術路線，看你需要什么。
我們在選擇一款材料的時候，一定是去綜合考慮。比如不少人嘗試的負極材料鈦酸鋰，它若取代石墨，好處是能實現快充，并且鈦酸鋰的倍率性能本身比石墨好。但問題是，也正是因為鈦酸鋰的電位高，負極的電位越高，會導致配成的全電池的電壓越低，我們知道電池的能量密度是電壓×容量，所以電壓越低意味著能量密度越低。這就導致鈦酸鋰電池的能量密度至少要低30%。所以雖然說鈦酸鋰安全，但對能量密度的損失太大了，在商業(yè)化上就會遭遇阻力。
經緯：近期負極的趨勢是，大家都在往硅基嘗試，您怎么看硅基的潛力？為什么會選擇硅基？
范修林：我們研究硅基負極，更準確說是硅碳復合材料，是為了進一步提升能量密度。決定電池能量密度的就是正負極，正極的磷酸鐵鋰和三元已經逐漸優(yōu)化到極致，提升空間比較小了，而負極的潛力還挺大的。
當下我們常用的石墨，理論容量只有372mAh/g，而我們的動力電池產品已經接近了這個理論容量。而硅的理論容量是石墨的10倍左右，如果用哪怕10%的硅來取代石墨，都可以令負極的容量有非常大的提升。
無論是石墨還是硅，它們都有體積膨脹的問題，石墨的體積膨脹率在10%-13%左右，是可以接受的。然而硅雖然有這么高的理論容量，但是它在脫嵌鋰的過程中，如果是純硅體積膨脹率會高達300%，這會引起負極表面SEI界面層的持續(xù)生成，造成電解液的極大消耗，進而引起電池循環(huán)壽命的急劇衰退。
目前的解決辦法是選擇折中路線，我們用5%-20%的硅來取代石墨，形成石墨和硅的復合材料作為負極，在體積膨脹率可以接受的情況下，進一步去提升容量。
所以我們在設計電池的時候，其實是一種性能上的平衡，當你想提升某個指標的同時，盡量不要引起其他指標太大的衰退，有時候就需要取一個折中。
經緯：您剛才提到的這種折中思路，其實廣泛應用在動力電池的各個方面。對于正極的金屬元素，怎么配置比例實際是一種排列組合，要依據使用場景來有所取舍。所以很多觀點認為，電池領域比較難有顛覆式創(chuàng)新，也不會有摩爾定律這樣的東西，更多是漸進式創(chuàng)新，您怎么看這個問題？
范修林：電池領域的確不會有類似摩爾定律出來，回顧歷史，從1991年開始，這一年是鋰離子電池被索尼公司開發(fā)出來并首次商用，第一代鋰離子電池的能量密度，就能夠達到80瓦時每公斤，經過30多年的優(yōu)化，現在鋰離子電池的能量密度也就提升了3倍多，達到240-280之間。但即便是這3倍的增幅，大部分也是工程的角度。
索尼公司推出的第一代鋰電池，它的正極材料就是鈷酸鋰，跟目前手機上用的3C電池是沒有任何改變的。當然負極有改變，索尼當年用的是石油焦炭，我們現在換成了石墨，帶來了一定的容量提升，但大部分能量密度的提升，主要還是從工程的角度。
這些工程包括了，正負極的集流體，負極的銅箔和正極的鋁箔厚度進一步降低，讓活性物質的載量進一步提升，隔膜的厚度進一步降低，電解液的注液量進一步降低，這些改進導致能量密度提升。
換句話說，由于鋰離子電池工作的機制是鋰離子的運動，它跟摩爾定律的電子完全不能同日而語。
經緯：我記得您的研究室對鉀離子電池有所研究，鉀離子電池還比較小眾，您怎么看它的前景？
范修林：對，這是我們稍微的探索。比如說鈉離子電池，因為鈉金屬的電位比鋰金屬的電位高了0.3伏，這0.3伏就會使鈉離子電池的能量密度，比鋰離子電池低，而鉀比鋰只高了0.1伏，從理論上來說電壓就跟鋰更近一些，所以我們想看看鉀離子電池，有沒有可能在一些細分領域有應用的可能，當然我們現在僅僅是實驗室的探索。
經緯：鈉離子電池最近也有所升溫，您覺得它未來的應用場景是哪些？
范修林：關于鈉離子電池，我們實驗室也有一定的探索。鈉離子最近的升溫，可以說是受鋰離子電池的帶動。鋰離子電池發(fā)展越迅猛，鈉離子電池發(fā)展也越好。鈉離子電池從能量密度的角度來說，是不如鋰離子電池的，但鋰離子電池發(fā)展太猛了之后，尤其是鋰資源比較稀缺，分布也不均勻，導致跟鋰離子電池相關的原材料價格暴漲，碳酸鋰去年漲了好幾倍，鋰鹽六氟磷酸鋰去年也漲了六、七倍，這樣的成本飆升讓市場受不了。
此時鈉離子電池的機遇就出現了，在需要高能量密度的場合用鋰離子電池，而在對能量密度要求沒有那么高的領域，就可以用鈉離子電池進行一些補充。
目前我們國家提倡碳中和目標，這就會帶來一個非常大的儲能市場，鈉離子電池有可能會在儲能領域有很好的機遇。
經緯：當我們提到最具想象力的新技術，非固態(tài)電池莫屬。但固態(tài)電池目前實現的難度還很大，“固固接觸”問題就是橫亙在所有人面前的一道坎。您目前有看到，在全球范圍內，有哪些能解決這個問題的可能性嗎？
范修林：大家對固態(tài)電池為什么充滿信心？我覺得是因為有一個很好的示范性先例，上世紀80年代，在美國橡樹嶺國家實驗室，科學家首次將全固態(tài)電解質LiPON應用在了薄膜電池里面，因為是正極通過濺射沉積上去的，這樣使得固態(tài)電解質LiPON與正極界面接觸非常好，使得這個電池應用起來非常好，可以用十幾年都沒問題。
正是因為有這個成功的先例在，所以大家都在拼命研究。橡樹嶺國家實驗室這個是薄膜電池，其中的LiPON固態(tài)電解質離子電導率比較低，正負極載量比較小，所以它的能量密度比較低，大家千方百計想把固態(tài)電解質的離子電導率提升，同時正極和負極的容量增大，這樣就可以轉接到動力電池上。
但問題是，薄膜電池從工程的角度來說，一旦把極片載量增大，就會出現非常嚴重的問題。薄膜電池的體積膨脹率很小，正負極是沉積到固態(tài)電解質上去的，接觸面就不會存在問題。
但到動力電池上就不能這么操作，因為動力電池這么大的能量密度，會有很大的體積膨脹，然后就會出現固態(tài)電解質跟正負極脫離接觸，這個問題本質上是一個工程問題。雖然大家都在拼命思考和想去解決這個難點，但目前為止，很遺憾似乎還沒有一個十全十美的解決方案。
經緯：全固態(tài)因為固固接觸問題很難解決，所以有些人轉去做半固態(tài)，您覺得半固態(tài)會是一個非常重要的過渡方式嗎？也有觀點認為，半固態(tài)改進幅度有限，可能只是一個很短暫的過渡，您怎么看？
范修林：我覺得半固態(tài)不是一個過渡，它可以算是固態(tài)電池的一種，甚至如果全固態(tài)電池走不通的話，也有可能成為一個最終的解決方案，這些現在都還很難準確預測。
對于半固態(tài)，其實在3C電池領域，膠狀電解液已經實際應用了，這也可以看成是一種半固態(tài)電池。半固態(tài)吸取了部分液態(tài)電池的優(yōu)點，比如固液混合電解質與正負極的接觸，很好的繼承了液態(tài)的優(yōu)點，所以半固態(tài)發(fā)展起來也更容易一些。
當然，半固態(tài)現在面臨的巨大問題是，它的倍率性，或者說是傳輸鋰離子的行為，跟液態(tài)電池相比還是差一些。如果未來能把用在3C電池上的技術方案，進一步提升離子電導率，轉接到動力電池上也是很有潛力的，很多人也在往這個方向研發(fā)。
總之，畢竟全固態(tài)需要解決的困難太大了，也許未來會誕生折中路線。
經緯：您覺得在產業(yè)層面，如果要迭代成固態(tài)電池，那么整個生產線需要重新搭建嗎？目前液態(tài)電池生產線有復用性嗎？
范修林：我認為產業(yè)層面要更新迭代的，甚至是要完全換掉的。對于液態(tài)來說，正負極涂極片、烘干、組裝，然后再注液，這個生產路線非常成熟。正是因為這種固體正負極+液態(tài)電解液的耦合方式，使其能夠大規(guī)模且快捷地生產。
但如果是固-固-固的全固態(tài)電池，不能用這種方式進行組裝，很有可能是固態(tài)再沉積一層固態(tài)，然后再沉積一層固態(tài)，這個路線改革起來會非常困難，目前還沒有人能夠用這種方法低成本、大規(guī)模生產高能量密度的固態(tài)電池。至于未來固態(tài)電池在產業(yè)層面怎么發(fā)展，目前還很難預測。
經緯：那么除了固固接觸的問題，您覺得還有哪些方面是固態(tài)電池急需攻克的問題？
范修林：再就是成本。固態(tài)電池有幾種技術方案，比如豐田走的是硫化物方案。液態(tài)電池之所以大規(guī)模生產很容易，是因為很多原材料在化工上已經很成熟，也很便宜。比如現在生產碳酸酯的成本是非常低的；另一個重要材料六氟硫酸鋰雖然對水比較敏感，但現在的工藝也已經非常成熟了，非常容易能生產出水含量滿足要求的產品。但固態(tài)電解質的生產，像硫化物的生產成本還比液態(tài)電解液要高很多。但預期在后續(xù)的持續(xù)發(fā)展中，像硫化物電解質這樣的固態(tài)電解質成本會有較大幅度降低。
另一方面原料的成本也很高，固態(tài)電解質的鋰磷硫，有些人會用鋰磷硫氯、鋰鍺磷硫等等幾種元素，尤其是如果要用到鍺這種元素的話，成本就要高很多，這是以硫化物電解質為舉例。
目前還有氯化物電解質的路線，這里面要用到鋰銦氯這三種元素，有一些還會用到鋰釔氯，而銦和釔的原材料成本也很貴。
總結起來兩個因素，一個是生產成本，一個是原材料成本，剛剛提到的銦、釔、鍺都比鈷要貴，這些也是限制固態(tài)電解質發(fā)展的兩個難點。
經緯：主流觀點認為，全固態(tài)電池比液態(tài)電池有很多性能上的優(yōu)勢，比如安全性、能量密度都會大幅提升，您覺得從性能上來說，固態(tài)電池有什么缺點嗎？
范修林：你剛才所說的全固態(tài)電池這幾個優(yōu)點，目前還只是理論上的優(yōu)點，畢竟還沒有大規(guī)模應用，實際情況如何還有待驗證。
比如說固態(tài)電池的安全性，很多人都說是一個優(yōu)點，但如果走硫化物路線的話，電解質如果暴露在空氣中有可能會產生硫化氫氣體，萬一電池破損或是產生泄露問題，也會有毒性問題。
我們所說的安全，確實是全固態(tài)電池著火的概率低了，這方面的安全性的確提升了，但是又新產生了防止氣體泄漏的問題，這也是固態(tài)電池需要克服的地方。
另一方面，全固態(tài)電池的能量密度更高，但也有一個前提，就是固態(tài)電解質的厚度要比液態(tài)的隔膜厚度還要薄才行。液態(tài)電池中的隔膜現在可以做到10-20微米，那么固態(tài)電解質的厚度一定要降到這個以下，才有意義，但目前來說并不容易實現。
此外，全固態(tài)電池的電化學體系，也需要做出相應的調整。目前商用的液態(tài)電池正極是鈷酸鋰、三元或磷酸鐵鋰，負極用的是石墨，整體安全性是不錯的。全固態(tài)電池如果負極從石墨換成鋰金屬，理論上能量密度會有非常大的提升，但出現短路的概率比液態(tài)更高。
所以無論是安全性問題，還是能量密度更高引起一些新問題，都是大家亟待攻克的難點。固態(tài)電池有很多優(yōu)點，但其中也隱藏著不少難以分辨的缺點，有些缺點只有我們在大規(guī)模應用之后，才能進一步地判斷它是不是適合大規(guī)模生產。
就好像在上世紀80年代末，那時鋰金屬電池也登上過歷史的舞臺，加拿大Moli Energy公司把鋰金屬電池商用了。剛開始推出市場的時候，由于鋰電池的能量密度比當時的鎳氫、鎳鉻電池都提升了一倍以上，立刻引起了市場轟動。
但也僅僅過了三個月到半年的時間，就發(fā)生了大量自燃、爆炸事件，然后Moli Energy公司就不得不把電池全部召回，這家公司也僅僅存活了一年不到的時間就破產了。所以很多時候，只有實際大規(guī)模應用之后，才能對這個體系有更客觀的評價。
經緯：嗯是，所以全固態(tài)電池如果想量產，其實不是僅靠某一家電池廠就能做到的，而是整個產業(yè)鏈都得有配套，就像芯片行業(yè)龍頭阿斯麥（ASML），很多核心零部件都是外購。固態(tài)電池產業(yè)鏈未來也需要有足夠多細分環(huán)節(jié)的公司出現，共同推動整個行業(yè)往前走。
范修林：對，可以這么說。但是當下，急需出現一家領頭的公司，能夠向市場展示這是一條可行的道路。就好像現在電動汽車被大家認可，大家最應該感激的應該是特斯拉，因為是特斯拉首先實現了最大規(guī)模的量產，向人們展示這條路是可以走通的。
最開始特斯拉的電動車，就是采購18650電池，密密麻麻地排在底盤上。一節(jié)電池可以供一個小的電動玩具車的電量，而將7000節(jié)組裝在一起的時候，這就是一個工程學問題，它足以支撐電動汽車的里程續(xù)航。這條路走通了，才激勵了后面這么多的電動車企業(yè)。
所以我覺得固態(tài)電池也一樣，急需一家能夠振奮人心的領頭公司出現，有了帶動之后，各方面參與者才會鋪天蓋地地投入到這個領域中來。對于全固態(tài)鋰電池可以用一句話來概括：道阻且長，行則將至；行而不輟，未來可期。
