中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池企業(yè)不僅要擴(kuò)張產(chǎn)能規(guī)模確保產(chǎn)量供應(yīng)，還面臨著持續(xù)提升產(chǎn)品能量密度等關(guān)鍵指標(biāo)的“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。
近期，中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高對(duì)上述行業(yè)關(guān)心的重點(diǎn)話題從技術(shù)角度進(jìn)行回應(yīng)，對(duì)業(yè)內(nèi)外人士全面了解當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)水平概況提供了重要參考。
300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)取得重大突破
記者：目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池技術(shù)在安全、續(xù)駛里程長(zhǎng)、壽命長(zhǎng)等方面進(jìn)展如何?達(dá)到哪些指標(biāo)?
歐陽(yáng)明高：按照規(guī)劃，2020年要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量密度300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)。目前承擔(dān)新能源汽車專項(xiàng)項(xiàng)目的有三個(gè)團(tuán)隊(duì)：寧德時(shí)代新能源、天津力神和合肥國(guó)軒。這三個(gè)團(tuán)隊(duì)目前采用的技術(shù)路線大同小異，即正極采用高鎳三元，負(fù)極是硅碳，這種電池目前技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)接近應(yīng)用要求，到2020年，比能量300瓦時(shí)/公斤的電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性突破，現(xiàn)在從比能量角度看都已經(jīng)達(dá)到，例如寧德時(shí)代新能源的電池研究成果的循環(huán)壽命基本在1000次左右，能量密度達(dá)到304瓦時(shí)/公斤，其他兩家也差不多。當(dāng)然還有部分企業(yè)安全性標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有完全滿足。用300瓦時(shí)/公斤的單體電池大概能做出200-210瓦時(shí)/公斤的電池系統(tǒng)，因?yàn)榛臼擒洶姵?，而非方形電池。?guó)內(nèi)在去年年底、今年年初，動(dòng)力電池的能量密度單體達(dá)到230瓦時(shí)/公斤左右，系統(tǒng)大約150瓦時(shí)/公斤左右。到2018、2019年還需要再提高50-70瓦時(shí)/公斤，我認(rèn)為是可以做到的。至于單體350瓦時(shí)/公斤、系統(tǒng)260瓦時(shí)/公斤是我們力爭(zhēng)的目標(biāo)。
如何落實(shí)2025年400瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)?
記者：您認(rèn)為到2025年動(dòng)力電池將力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)哪些目標(biāo)?將采用何種技術(shù)路線?您認(rèn)為哪種前瞻技術(shù)最值得關(guān)注，國(guó)內(nèi)的進(jìn)展如何?
歐陽(yáng)明高：面向2025年產(chǎn)業(yè)化，我們希望沖擊單體電池能量密度達(dá)到400瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)。300瓦時(shí)/公斤的實(shí)現(xiàn)改變的是負(fù)極，從碳變成硅碳，到400瓦時(shí)/公斤要變的是正極，目前可選的正極材料有好幾種，現(xiàn)在新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料，有兩個(gè)單位承擔(dān)了前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目，一個(gè)是物理所，改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，達(dá)到的指標(biāo)是正極循環(huán)100周之后電壓衰減降到了2%以內(nèi)，這是一個(gè)重大的進(jìn)展。另外一個(gè)是北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，首次研制出了比容量400毫安時(shí)/克的富鋰錳基正極，實(shí)現(xiàn)400瓦時(shí)/公斤應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的，甚至可能更高。這更為開發(fā)比能量大于500瓦時(shí)/公斤的新型鋰離子電池提供了可能，但循環(huán)尚存在一定不確定性。
更加前沿的技術(shù)是固態(tài)電池。目前國(guó)內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在做，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所等，也包括寧德時(shí)代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所與贛鋒鋰業(yè)合作，投資5億元人民幣，致力于推進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，計(jì)劃2019年量產(chǎn)，2020年產(chǎn)品進(jìn)入電動(dòng)汽車市場(chǎng)。固態(tài)電池?zé)o疑是2017年全球電池領(lǐng)域最熱的一個(gè)技術(shù)名詞。
全固態(tài)鋰電池技術(shù)何以在全球大熱?
記者：固態(tài)電池與我們聽(tīng)到的全固態(tài)鋰電池是否是一回事?什么才是全固態(tài)鋰電池?如何理解這些概念上的區(qū)別?
歐陽(yáng)明高：全固態(tài)鋰電池，這幾個(gè)詞每一個(gè)字都不能少、不能變，“全固態(tài)”與“固態(tài)”不同，“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個(gè)概念。所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組分的鋰電池，所以我們?nèi)Q是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。根據(jù)其是否可以反復(fù)充放，可進(jìn)一步分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，一次電池其實(shí)已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池，這兩個(gè)概念又要區(qū)別，所謂全固態(tài)金屬鋰電池的負(fù)極用的是鋰金屬，目前在用的動(dòng)力電池的負(fù)極多為碳、硅碳或者鈦酸鋰。
全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)得更早，鋰離子電池只有25年左右的歷史，是日本人發(fā)明的，真正用于車上也就10多年，很年輕但是進(jìn)步很快。早期所指的全固態(tài)鋰電池，都是以金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池。這就是以前的概念。
記者：固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池的具體區(qū)別是什么?
歐陽(yáng)明高：固態(tài)電池，不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì)，還有一點(diǎn)液態(tài)，是液態(tài)與固態(tài)混合的，差別在于混合的比例是多少。真正的固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì);所謂半固態(tài)，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說(shuō)電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的，所以還有準(zhǔn)固態(tài)鋰電池，即主要為固態(tài)，少量是液態(tài)。
記者：全固態(tài)鋰電池有哪些特點(diǎn)特別是優(yōu)勢(shì)?為什么能引起全球動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的關(guān)注和投入研發(fā)?
歐陽(yáng)明高：主要因素是它能解決目前困擾動(dòng)力電池發(fā)展的兩大關(guān)鍵問(wèn)題，即安全性差和能量密度低。全固態(tài)鋰電池有幾個(gè)潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首先，它安全性高，由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，代替了易燃的常規(guī)有機(jī)溶劑電解液，電池燃燒問(wèn)題可以得到有效解決。第二，能量密度高，由于金屬鋰的容量超高，基于相同正極時(shí)，固態(tài)金屬鋰電池與常規(guī)液態(tài)鋰離子電池相比，其能量密度可以得到大幅提升。需要說(shuō)明的是，由于固體電解質(zhì)密度和使用量高于液態(tài)電解質(zhì)，在正負(fù)極材料相同時(shí)，全固態(tài)鋰電池優(yōu)勢(shì)不明顯。第三，正極材料選擇的范圍寬，因?yàn)槿虘B(tài)鋰電池可以直接采用金屬鋰為負(fù)極，不要求正極結(jié)構(gòu)中必須含鋰，一些高容量的貧鋰態(tài)材料也可以作為正極;此外，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)寬的電壓窗口也為高電壓正極材料的應(yīng)用提供了可能。第四，系統(tǒng)比能量高，由于電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可以方便地通過(guò)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。
真正的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)尚未成熟
記者：從您介紹的優(yōu)勢(shì)來(lái)看，全固態(tài)鋰電池能解決當(dāng)前動(dòng)力電池產(chǎn)品的不少不足之處。但它為何還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用于市場(chǎng)?主要存在哪些問(wèn)題?您如何評(píng)價(jià)這類技術(shù)的整體發(fā)展水平?
歐陽(yáng)明高：它的第一個(gè)問(wèn)題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低?，F(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，一種是聚合物，一種是氧化物，一種是硫化物?，F(xiàn)在有用聚合物電解質(zhì)的電池，搭載于法國(guó)的一些車輛上，它的問(wèn)題就是需要加熱到60度，離子電導(dǎo)率才上來(lái)，電池才能正常工作。目前氧化物電解質(zhì)一般比液態(tài)的還要低很多。只有硫化物固體電解質(zhì)的一些指標(biāo)接近液態(tài)電解質(zhì)，比如豐田就是用硫化物的固體電解質(zhì)，所以固體電解質(zhì)主要的突破是在硫化物的固體電解質(zhì)。
第二個(gè)問(wèn)題就是固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。液體跟固體結(jié)合是很容易的，滲透進(jìn)去即可。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就是它的很大的一個(gè)問(wèn)題。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導(dǎo)電率已經(jīng)提高，但是仍然有界面接觸性和穩(wěn)定性問(wèn)題。
第三個(gè)問(wèn)題是金屬鋰的可充性問(wèn)題。在固態(tài)電解質(zhì)中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。其循環(huán)性甚至安全性等還需要研究。當(dāng)然還有一個(gè)問(wèn)題，就是制造成本偏高。
基于上述問(wèn)題，特別是固態(tài)界面接觸性、穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問(wèn)題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然還是不成熟的，還存在技術(shù)不確定性。目前展現(xiàn)出或者有突破的、有性能優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化前景的主要是固態(tài)鋰離子電池和固態(tài)聚合物鋰電池。
記者：目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于固態(tài)鋰電池的研究進(jìn)展如何?有哪些值得關(guān)注的企業(yè)或技術(shù)突破?
歐陽(yáng)明高：現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)都在投入。各個(gè)國(guó)家心態(tài)不太一樣。例如美國(guó)，以小公司、創(chuàng)業(yè)型公司為主。美國(guó)有兩家公司值得關(guān)注，都是初創(chuàng)公司，一個(gè)是S-akit3，其最新研發(fā)的電池有望使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程達(dá)到500公里，現(xiàn)在還處于初級(jí)階段。還有一個(gè)Solid—State。美國(guó)主要立足于顛覆性技術(shù)。日本則專注于無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的大容量的固態(tài)鋰電池，最著名的是豐田公司，其產(chǎn)品將在2022年實(shí)現(xiàn)其商品化。豐田做的不是全固態(tài)鋰金屬電池，而是固態(tài)鋰離子電池，其負(fù)極是石墨類，用硫化物電解質(zhì)，高電壓正極，單體電池容量15安時(shí)，電壓是十幾伏，我認(rèn)為這是靠譜的。所以在日本，并沒(méi)有顛覆，還是基于鋰離子電池，正負(fù)極還可以用以前的一些材料或技術(shù)。韓國(guó)專注于無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池的研發(fā)工作，也采用石墨類負(fù)極而不是金屬鋰負(fù)極，與日本相似。中、日、韓三國(guó)的情況類似，因?yàn)槲覀円延辛撕荦嫶蟮匿囯x子電池產(chǎn)業(yè)鏈，不希望推倒重來(lái)。
如何評(píng)價(jià)動(dòng)力電池各技術(shù)路線的前景?
記者：針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，請(qǐng)您綜合評(píng)估一下各種技術(shù)路線或研究方向的前景。
歐陽(yáng)明高：第一，鋰離子動(dòng)力電池有望于2020年前實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強(qiáng)。這種電池的核心是安全性。
第二，作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期目標(biāo)的兩類新體系，鋰硫、鋰空氣電池方面，目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)展相對(duì)緩慢，2017年沒(méi)有看到突破性的進(jìn)展。從原理來(lái)看，鋰硫電池的重量比能量跟體積比能量基本相當(dāng)，所以它的體積比能量要提上來(lái)是有相當(dāng)難度的。新能源乘用車特別是轎車對(duì)體積比能量的要求可能比重量比能量還要重要，雖然有400瓦時(shí)/公斤的電池，體積比能量也只有400瓦時(shí)/升，這對(duì)于轎車而言不太好用。一般情況下，鋰離子電池的重量比能量能達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，體積比能量就可以達(dá)到600瓦時(shí)/升。鋰空氣電池集合了鋅空氣電池、氫燃料電池、鋰二次電池的所有難點(diǎn)。相比而言氫燃料電池更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
第三，固態(tài)電池的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受到固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問(wèn)題的制約，真正的全固態(tài)鋰電池技術(shù)還沒(méi)有成熟，但是以無(wú)機(jī)硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池出現(xiàn)突破。總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，會(huì)從石墨負(fù)極到硅碳負(fù)極再到合金化負(fù)極，我們現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能采用金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。
第四，中國(guó)在高容量富鋰正極材料方面于2017年取得了一些突破，基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負(fù)極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰空氣電池更具可行性。
記者：根據(jù)各種技術(shù)進(jìn)展的分析，您如何判斷未來(lái)動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?預(yù)計(jì)將按照怎樣的節(jié)奏推進(jìn)?
歐陽(yáng)明高：我們專家組對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做了一次優(yōu)化迭代，(但這不是國(guó)家電池技術(shù)路線圖的依據(jù)，僅供參考)，具體如下：
2020年，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池比能量300瓦時(shí)/公斤、比功率1000瓦時(shí)/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時(shí)以內(nèi)的目標(biāo)是確定的，相對(duì)應(yīng)的材料是高鎳三元，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池用的鎳、鈷、錳的比例由3：3：3轉(zhuǎn)向6：2：2，再轉(zhuǎn)變?yōu)?：1：1，即鎳變成8，鈷的比例進(jìn)一步降到1甚至是0.5。負(fù)極要從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。這是我們當(dāng)前的技術(shù)變革。
到2025年，正極材料性能進(jìn)一步提升，富鋰錳基材料目前取得重要突破，當(dāng)然還會(huì)有其他材料。2020-2025年，我們要努力實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池比能量從300瓦時(shí)/公斤上升至400瓦時(shí)/公斤，每瓦時(shí)成本從0.8元以內(nèi)降到0.6元以內(nèi)。此時(shí)一般性價(jià)比的純電動(dòng)轎車合理的續(xù)駛里程是300—400公里。
到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，也就是2025-2030年最大的突破可能在電解質(zhì)，固態(tài)電池會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時(shí)/公斤。2030年，常規(guī)的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程應(yīng)該可以達(dá)到500公里以上。當(dāng)然需要其它技術(shù)的配合。如果電耗極大，例如冬天百公里電耗高達(dá)三四十度，電池再好也實(shí)現(xiàn)不了。現(xiàn)在電動(dòng)車越做越大，例如大型SUV，車身重、風(fēng)阻系數(shù)大，是一個(gè)值得改進(jìn)的問(wèn)題。
來(lái)源：汽車縱橫
