中國儲能網(wǎng)訊：前段時(shí)間，國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上有多篇文章提及，中國固態(tài)電池技術(shù)落后國外，這個(gè)說法流傳很廣。固態(tài)電池分為多種技術(shù)路線，日本、韓國企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)主要走硫化物路線，歐洲偏重聚合物固態(tài)電池，中國主要聚焦氧化物路線，美國則以創(chuàng)業(yè)公司為主，同時(shí)推進(jìn)多條路線。
固態(tài)電池的硫化物與氧化物路線是兩個(gè)不同的發(fā)展方向，路線不同可比性不強(qiáng)。中國主要走氧化物路線，惟有美國的初創(chuàng)公司同時(shí)推進(jìn)多條路線，對其也有所涉及。那么，中國的固態(tài)電池研發(fā)真的落后嗎？《中國汽車報(bào)》記者通過采訪了解到，近年來，中國在固態(tài)電池研發(fā)上進(jìn)步顯著，從一些指標(biāo)來看已處于全球領(lǐng)先水平。
01
行業(yè)摸索出多種技術(shù)路線
20年前，索尼量產(chǎn)第一款鋰電池后，全球各大企業(yè)和機(jī)構(gòu)掀起探索鋰電池發(fā)展的浪潮，分別從不同的技術(shù)角度進(jìn)行研發(fā)，磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰、三元鋰材料等多種技術(shù)路線先后問世。電芯的種類也不統(tǒng)一，方型、圓柱、軟包等多種形式的動(dòng)力電池紛紛配套裝車。經(jīng)過多年的實(shí)踐，磷酸鐵鋰、三元鋰材料電池成為市場上的主流產(chǎn)品，軟包電池的市場份額有限，方型、圓柱電池被廣泛接受?！肮虘B(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)狀與當(dāng)年的鋰電池有點(diǎn)相似，各種技術(shù)路線的固態(tài)電池均有企業(yè)和機(jī)構(gòu)涉足，大家都在摸索著前進(jìn)?！敝锌圃呵鄭u生物能源與過程研究所崔光磊研究員說。
據(jù)介紹，固態(tài)電池主要有三種，它們分別有不同的特點(diǎn)。聚合物固態(tài)電池出現(xiàn)的比較早，這與其容易加工有一定的關(guān)系。聚合物固態(tài)電池的工藝與現(xiàn)有的鋰電池比較接近，各項(xiàng)性能指標(biāo)也和目前鋰電池使用的電解液有類似之處。不同的是，聚合物固態(tài)電池可以制備大容量電芯，機(jī)械特性較軟。
聚合物固態(tài)電池的缺點(diǎn)也非常明顯，離子電導(dǎo)率較低，必須加熱才能上升，聚合物較柔軟，鋰枝晶容易穿透電解質(zhì)，造成短路；聚合物是有機(jī)物，與磷酸鐵鋰兼容性好，跟三元鋰材料兼容性不好，導(dǎo)致能量密度無法提升。
氧化物固態(tài)電池的導(dǎo)電率比聚合物高，但機(jī)械性能堅(jiān)硬，如果用其制作電解質(zhì)片，較易脆裂，與正極活性材料的固-固接觸也不太好，導(dǎo)致從面接觸變成點(diǎn)接觸，界面損耗過大。
硫化物固態(tài)電池的接觸性好，整體的離子電導(dǎo)率性能非常好，是現(xiàn)今人類所發(fā)明的所有固態(tài)電池材料中惟一能超過液態(tài)電解液離子電導(dǎo)率水平的材料。但硫化物固態(tài)電池在空氣中穩(wěn)定性較差，與空氣、有機(jī)溶劑、正負(fù)極活性材料反應(yīng)都很強(qiáng)，這導(dǎo)致其界面穩(wěn)定性較差。
三種固態(tài)電池都有難以克服的缺點(diǎn)，在此背景下，有些企業(yè)從半固態(tài)電池出發(fā)，尋找商業(yè)化解決之路。最近，國軒高科推出了一款半固態(tài)電池引起廣泛關(guān)注。據(jù)悉，其正極材料顆粒表面包覆固態(tài)電解質(zhì)，負(fù)極采用硅材料，中間使用了新型高安全功能隔膜，以及高安全的液態(tài)電解液，能量密度達(dá)到360Wh/kg。
中南大學(xué)冶金學(xué)院教授張永柱說：“目前氧化物體系進(jìn)展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進(jìn)展。”
02
全球竟備賽“戰(zhàn)火”燃起
“集中力量辦大事”是我國科研攻關(guān)的重要法寶之一。如今，日本也學(xué)習(xí)了中國的做法，在固態(tài)電池研發(fā)上以舉國之力尋求突破，希望獲取優(yōu)勢地位。據(jù)日本媒體報(bào)道，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)，組織豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)共同參與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。
豐田公司于2010年率先推出硫化物固態(tài)電池。崔光磊曾去日本考察固態(tài)電池研發(fā)情況，他告訴記者：“豐田還沒有實(shí)用性的固態(tài)電池面世或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！?
今年4月，日產(chǎn)在線上召開了全固態(tài)電池技術(shù)說明會(huì)，表示將于2024年在日本橫濱建立首家全固態(tài)電池試點(diǎn)工廠，首款配裝固態(tài)電池的量產(chǎn)車有望2028年正式推向市場。日產(chǎn)的固態(tài)電池采用什么體系，這次發(fā)布會(huì)上并沒有公開說明。
韓國10大財(cái)團(tuán)的生產(chǎn)總值占該國GDP的70％，LG新能源、三星SDI、SK創(chuàng)新和現(xiàn)代汽車致力于固態(tài)電池研發(fā)，自然也形成了以舉國之力開展攻關(guān)局面。2018年11月，LG新能源、三星SDI和SK創(chuàng)新聯(lián)手成立了專門的研發(fā)基金，聚焦無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)電池，打造下一代電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)?，F(xiàn)代集團(tuán)還投資了材料技術(shù)公司Ionic Materials布局固態(tài)電池，并通過南陽研發(fā)中心旗下的電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行固態(tài)電池研發(fā)，目前已達(dá)到一定的技術(shù)水平，預(yù)計(jì)2025年可實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。
2020年3月，三星SDI在《Nature Energy》上發(fā)表相關(guān)文章稱，利用銀碳復(fù)合的無鋰負(fù)極材料，硫化物全固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)60℃下1000多次循環(huán)，這是目前公開數(shù)據(jù)中性能最好的硫化物全固態(tài)電池。
與日、韓不同，美國涌現(xiàn)出很多固態(tài)電池初創(chuàng)型科技公司，比較著名的有Cymbet、Quantum Scape、Solid Power、Polyplus、24M、Sakti3等。這與美國的科技創(chuàng)新模式有著密切關(guān)系，如今在市場占據(jù)一席之地的谷歌、特斯拉、臉書等都是從初創(chuàng)型公司發(fā)展而來。
張永柱告訴記者，歐洲也加快了研發(fā)固態(tài)電池的腳步。2021年5月，寶馬集團(tuán)和福特汽車宣布聯(lián)合向固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)Solid Power投資1.39億美元；2021年12月，戴姆勒和Stellantis表示將對固態(tài)電池制造商Factorial Energy進(jìn)行戰(zhàn)略投資，并與其展開業(yè)務(wù)合作。
03
我國相關(guān)基礎(chǔ)研究最活躍
歐、美、日、韓在固態(tài)電池上頻頻發(fā)力，國內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也在努力，并取得了一定的成績。中科院物理所研究員李泓告訴記者，2010～2019年，中國在固態(tài)電池領(lǐng)域取得了飛速進(jìn)步，WOS論文數(shù)量從2010～2014年的794篇上升至2015～2019年的3369篇，增長了約3倍，在兩個(gè)5年期均穩(wěn)居世界首位。
具體而言，從表征學(xué)術(shù)影響力的論文被引頻次來看，中國從上述前5年的世界第2位提升至后5年的第1位；從代表重要成果的高被引論文來看，中國從上述前5年的5篇增長到后5年的52篇，相應(yīng)的排名也從世界第3位提升到第1位。“過去10年，中國是固態(tài)電池領(lǐng)域發(fā)表SCI論文最多的國家；在各類電解質(zhì)材料、各類固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究方面是全球最活躍的國家；在一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)科學(xué)問題、材料設(shè)計(jì)、電池解決方案方面提出了原創(chuàng)想法，具有重要的價(jià)值?！崩钽f。
據(jù)悉，2015～2021年，中國科學(xué)院物理研究所提出了原位固態(tài)化、納米固態(tài)電解質(zhì)包覆正極材料、界面預(yù)鋰化方案、低膨脹納米硅碳負(fù)極材料、界面熱復(fù)合等綜合解決方案，目前已研制出能量密度達(dá)到360Wh/kg的固態(tài)鋰離子電池，循環(huán)性達(dá)到800次以上，并滿足其他各類指標(biāo)要求，預(yù)計(jì)2022年底可實(shí)現(xiàn)批量裝車。
李泓還向記者介紹了我國在固態(tài)電池研發(fā)上的一系列最新成果。中國科學(xué)院物理研究所深入研究了氧化物固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰和正極的熱失控行為，以及利用材料基因組算法預(yù)測新的固態(tài)電解質(zhì)LiAl-SO。上?？臻g電源研究所2021年開發(fā)了全新的Li<sub>3</sub>Zr<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>PO<sub>12</sub>氧化物電解質(zhì)，是目前氧化物離子電導(dǎo)率最高且電化學(xué)窗口最寬的材料，具有非常重要的應(yīng)用前景。中國科技大學(xué)馬騁團(tuán)隊(duì)開發(fā)了Li<sub>2</sub>ZrCl<sub>6</sub>電解質(zhì)，能夠適應(yīng)5V正極，離子電導(dǎo)率達(dá)到了0.8mS/cm。該電解質(zhì)還可以液相合成，未來也具有重要的應(yīng)用前景。中國科學(xué)院物理研究所吳凡團(tuán)隊(duì)開發(fā)了水穩(wěn)定的硫化物電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率達(dá)到了1mS/cm。吉林大學(xué)于吉紅團(tuán)隊(duì)開發(fā)了空氣穩(wěn)定的鋰離子交換沸石 X（LiX）膜電解質(zhì)，為固態(tài)鋰空氣電池研究打下了關(guān)鍵基礎(chǔ)。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊團(tuán)隊(duì)開發(fā)了安全增強(qiáng)聚碳酸丙酯基全固體聚合物電解質(zhì)，即使在120℃下也能充放電。中國科學(xué)院化學(xué)研究所郭玉國團(tuán)隊(duì)開發(fā)了光聚合制備的聚醚-丙烯酸酯互穿網(wǎng)絡(luò)（ipn-PEA）電解質(zhì)，具有高機(jī)械強(qiáng)度（約12GPa）和高室溫離子電導(dǎo)率0.22mS/cm。南開大學(xué)陳軍團(tuán)隊(duì)開發(fā)了復(fù)合聚合物電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率為0.26mS/cm。
除了這些科研機(jī)構(gòu)外，記者嘗試與部分知名固態(tài)電池研發(fā)企業(yè)聯(lián)系，或許出于保密等原因，對方都婉拒了本報(bào)的采訪要求。
李泓說：“過去5年來，我國固態(tài)鋰電池基礎(chǔ)科學(xué)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)保持著持續(xù)發(fā)展、高速增長的動(dòng)力。未來2～3年，混合固液動(dòng)力電池將率先進(jìn)入市場，未來6～8年，全固態(tài)電池將有望開發(fā)成功?！?
