中國儲能網(wǎng)訊：4月28日上午，在于重慶舉辦的第十六屆國際電池技術(shù)交流會中，全球新能源電池龍頭寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱在《車用全固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》演講中表示，全固態(tài)電池的成熟度指標(biāo)，若用1-9數(shù)字表示，寧德時(shí)代目前的成熟度在4的水平，目標(biāo)到2027年到7-8的水平。
“2027年，寧德時(shí)代全固態(tài)電池小批量生產(chǎn)機(jī)會很大，但受成本等因素制約，大規(guī)模生產(chǎn)尚不能實(shí)現(xiàn)?！眳莿P表示。
今年以來，全固態(tài)電池不斷掀起熱議，而此次重慶國際電池技術(shù)交流會，也專門開設(shè)了全固態(tài)電池技術(shù)討論專場，會場中座無虛席，不少人席地而坐，足以顯示市場和公眾對這一嶄新電池技術(shù)的關(guān)注。
“十余年來，我國動力電池行業(yè)已在核心技術(shù)、市場規(guī)模、成本價(jià)格方面取得先發(fā)優(yōu)勢。但是我們也注意到消費(fèi)者對動力電池還有更高的要求和期待，尋找高能量密度和高安全兼得的動力電池是我們的主要研發(fā)方向，也是一項(xiàng)長期的工作。在各條技術(shù)路線上，全固態(tài)電池具有巨大的潛力，是下一代動力電池重要發(fā)展方向。”在演講中，吳凱表示。
從國家層面上來看，中國、美國、日本、韓國、歐盟均出臺相關(guān)發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略，各國重兵投入，其本質(zhì)是希望能夠在全固態(tài)電池技術(shù)上率先取得突破，來改變目前動力電池的市場格局。
從產(chǎn)業(yè)鏈布局來看，上游基礎(chǔ)材料及設(shè)備，中游全固態(tài)電池研發(fā)和制造，下游應(yīng)用，我國企業(yè)參與的最多，產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)都很有熱情，但是我們也要清醒地看到，海外企業(yè)在全固態(tài)電池專利布局上具有一定優(yōu)勢，需要盡快迎頭趕上。
在吳凱看來，全固態(tài)電池之所以吸引了全世界的投入，其核心價(jià)值在于其能夠在安全底座保證的前提下較大幅度的提升能量密度，幫助動力電池在應(yīng)用中有明顯改善，而其他體系要達(dá)到這樣的效果比較困難。
據(jù)介紹，世界范圍內(nèi)的研究，對固態(tài)電池按照電解質(zhì)區(qū)分，主要是3個(gè)路線，聚合物、氧化物和硫化物。理想的電解質(zhì)需要擁有較好的離子電導(dǎo)率，對高電壓正極、鋰金屬負(fù)極有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性，并且制造安全和便捷，當(dāng)然也要兼顧成本的可負(fù)擔(dān)性。
吳凱認(rèn)為，目前來看，解決方案進(jìn)展比較快的硫化物路線，率先量產(chǎn)的可行性較大。但他也承認(rèn)，目前我們所研究的路線中，沒有一種電解質(zhì)十全十美，比如聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和氧化穩(wěn)定性都較差，氧化物電解質(zhì)太堅(jiān)硬，會導(dǎo)致剛性界面接觸問題。硫化物電解質(zhì)容易與空氣中的水產(chǎn)生有毒氣體，制備工藝復(fù)雜且成本較高。當(dāng)然在各國科學(xué)家的努力下，各個(gè)路線都有一些針對性的技術(shù)出來。
全固態(tài)電池需要解決四大層面問題
今年1月，歐陽明高院士表示，全固態(tài)電池市占份額替代1%，就已具有突破性意義。
“我們也一直在向著這個(gè)方向努力。我們認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，要率先解決四大問題。”吳凱說。
第一是固-固界面的問題。正極材料與電解質(zhì)之間固固界面接觸不充分，阻礙離子傳輸；負(fù)極在充放電過程體積膨脹大，導(dǎo)致固-固界面的動態(tài)損傷，難以修復(fù)，持續(xù)惡化固-固界面。這些都嚴(yán)重影響全固態(tài)電池的循環(huán)壽命和倍率性能。
第二是鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用問題，使用鋰金屬負(fù)極可以使全固態(tài)電池能量密度高的優(yōu)勢充分發(fā)揮。但是鋰金屬的高活性和其表面鈍化層的鋰離子擴(kuò)散能壘較高，會促進(jìn)鋰枝晶的形成，枝晶會引發(fā)短路并造成電池失效，我們需要充分了解固態(tài)枝晶形成與生長的機(jī)理，并加以克服。
第三是針對最有希望的硫化物電解質(zhì)路線，硫化物電解質(zhì)在空氣中不穩(wěn)定的主要原因是容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 電解質(zhì)在空氣中水分子的作用下會發(fā)生水解生成有毒的H2S氣體,在水解的過程中電解質(zhì)結(jié)構(gòu)還會發(fā)生坍塌, 離子電導(dǎo)率急劇下降。另外硫化物電解質(zhì)的合成成本問題，其原材料硫化鋰價(jià)格高，而制備這些原材料的特殊工藝也增加了成本負(fù)擔(dān)。這些都將是全固態(tài)電池推廣中的障礙。
第四是全固態(tài)電池的生產(chǎn)難題，極片制造工藝不成熟，濕法工藝的核心是粘接劑與溶劑選取，如果溶劑與電解質(zhì)化學(xué)不兼容，可能降低電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。干法工藝存在膜片分散性、均勻性挑戰(zhàn)。在電芯致密化成型過程中，電芯內(nèi)部存在孔隙缺陷，致密度低會降低固態(tài)電池性能發(fā)揮，極片邊緣受壓導(dǎo)致搭接短路等問題也需要解決。
寧德時(shí)代已經(jīng)建立10Ah級全固態(tài)電池驗(yàn)證平臺，3年后真正量產(chǎn)
據(jù)吳凱介紹，寧德時(shí)代針對固態(tài)電池已經(jīng)有十余年的研發(fā)積累，目前我們組建了一支近千人的全固態(tài)電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)，也取得了一些進(jìn)展和經(jīng)驗(yàn)。
針對正極的界面問題，寧德時(shí)代研發(fā)了單晶正極多層級全包覆技術(shù)，第一層無機(jī)氧化物包覆層可以抑制界面副反應(yīng)，第二層固體電解質(zhì)包覆層，提升界面離子擴(kuò)散。多層設(shè)計(jì)可以大幅提升界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，目前高面容三元正極克容量可達(dá)230mAh/g。我們還研發(fā)了多功能復(fù)合粘結(jié)劑，幫助穩(wěn)定極片導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。復(fù)合正極可以實(shí)現(xiàn)6000次循環(huán)。
針對鋰金屬負(fù)極使用時(shí)候的鋰枝晶問題，寧德時(shí)代認(rèn)為相變自填充技術(shù)是可行方案，相變介質(zhì)可通過改變其固/液物理狀態(tài)靈活修復(fù)固態(tài)電解質(zhì)缺陷，達(dá)到增強(qiáng)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，抑制鋰枝晶的效果，鋰金屬臨界電流密度有效提升至20mA/cm2。我們通過引入合金金屬改變界面層的親鋰性，可以誘導(dǎo)鋰金屬均勻沉積到表面。同時(shí)優(yōu)化鋰金屬負(fù)極的多相導(dǎo)鋰界面，構(gòu)筑界面離子傳輸“高速公路”，使鋰金屬負(fù)極循環(huán)平均庫倫效率>99.9%。
針對硫化物電解質(zhì)的環(huán)境穩(wěn)定性問題，寧德時(shí)代開發(fā)表面疏水層可逆包覆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高空氣穩(wěn)定性電解質(zhì)的制備，包覆后電解質(zhì)可在-40℃露點(diǎn)環(huán)境穩(wěn)定，包覆層還可以在電池制備過程中除掉，并且?guī)缀醪挥绊戨娊赓|(zhì)材料的性能。同時(shí)我們也在開發(fā)新型合成路線和低含鋰量材料，目前電解質(zhì)的價(jià)格，1公斤都在5萬以上，新的合成方案可以降低量產(chǎn)成本。
針對制造工藝的難點(diǎn)，寧德時(shí)代打通了干/濕法極片制備和電芯一體化成型工藝方案，創(chuàng)新了高柔性核殼結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑、纖維化過程量化控制技術(shù)、超薄電解質(zhì)轉(zhuǎn)印技術(shù)、等靜壓一體成型技術(shù)等，已經(jīng)建立10Ah級全固態(tài)電池驗(yàn)證平臺。
“全固態(tài)電池的研發(fā)和量產(chǎn)是一項(xiàng)非常艱巨的工作，我們?yōu)榇艘彩羌哿烁鞣搅α?，廣泛的與產(chǎn)業(yè)鏈上的各方、高校等開展聯(lián)合攻關(guān)。從全固態(tài)電池的技術(shù)成熟度和制造成熟度來看，有望在未來3年逐步進(jìn)入成熟期，真正開啟量產(chǎn)化進(jìn)程?！眳莿P說。
0到1的原創(chuàng)性創(chuàng)新
最后談到對全固態(tài)電池的思考時(shí)，吳凱表示，全固態(tài)電池是新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表。首先，具有革命性突破的技術(shù)創(chuàng)新是新質(zhì)生產(chǎn)力的內(nèi)在動力，全固態(tài)電池的研發(fā)不是1到2、2到3的漸進(jìn)性創(chuàng)新，而是0到1的原創(chuàng)性創(chuàng)新，原創(chuàng)性創(chuàng)新往往擁有很高的勢能，能夠開辟出新的賽道，并對產(chǎn)業(yè)全局產(chǎn)生關(guān)鍵影響。
其次，生產(chǎn)要素創(chuàng)新性配置是催生新質(zhì)生產(chǎn)力的重要保障，全固態(tài)電池的研發(fā)和制造用傳統(tǒng)的研發(fā)試錯方法或者企業(yè)的封閉式的單打獨(dú)斗是行不通的，我們需要大量運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等手段，更廣泛地開展多種資源的協(xié)調(diào)、多條線路的協(xié)同和眾多團(tuán)隊(duì)的合作，將各類優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)要素能夠以更高的效率流向關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域，這樣才能夠進(jìn)一步加快科技創(chuàng)新效率。
最后，現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系是新質(zhì)生產(chǎn)力要素的產(chǎn)業(yè)載體。全固態(tài)電池為代表的新能源產(chǎn)業(yè)鏈，我們認(rèn)為應(yīng)該具備低碳、高效、高質(zhì)量、高附加值、強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)、自主可控、可持續(xù)等特征，將牢牢占據(jù)市場領(lǐng)先地位，成為汽車強(qiáng)國、制造強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國的重要支撐。
