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以下內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)演講精簡(jiǎn)
【全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化及共性問題——國(guó)軒高科股份有限公司固態(tài)電池項(xiàng)目總工程師潘瑞軍】
國(guó)軒高科在一年前，2024年5月份發(fā)布了全固態(tài)電池，今年5月份科技大會(huì)再次介紹了一些進(jìn)展，國(guó)軒目前實(shí)現(xiàn)了中試線落地還有全固態(tài)電池裝車測(cè)試，這一年跟大家交流機(jī)會(huì)比較少，今天也算是第一次，首先感謝中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟邀請(qǐng)，還有董會(huì)長(zhǎng)，各位領(lǐng)導(dǎo)對(duì)國(guó)軒高科關(guān)心。
我今天匯報(bào)的主題是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的共性問題和策略。產(chǎn)業(yè)化的探索本質(zhì)就是解決固態(tài)電池存在的問題。我直接進(jìn)入主題，在座都是資深專家。這張圖大家都很清楚，全球各地區(qū)和國(guó)家都在大力研究固態(tài)電池，相關(guān)公司大家也很熟悉。我主要講三點(diǎn)：
1.技術(shù)路線聚焦：從早期多樣化的固態(tài)電解質(zhì)和工藝路線，到現(xiàn)在比較聚焦于聚合物+氧化物復(fù)合、硫化物等技術(shù)路線。2.量產(chǎn)預(yù)期聚焦：普遍聚焦在2027年至2030年實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)到規(guī)模量產(chǎn)。3.各個(gè)國(guó)家、地區(qū)高度重視全固態(tài)電池開發(fā)：各國(guó)都將全固態(tài)電池視為關(guān)鍵技術(shù)，集結(jié)最強(qiáng)力量攻堅(jiān)。例如，中國(guó)的電池企業(yè)、車企，日韓的電池企業(yè)、車企，美國(guó)依托科研優(yōu)勢(shì)，有眾多初創(chuàng)公司推進(jìn)，歐洲有很多車企投資美國(guó)初創(chuàng)公司。
各個(gè)領(lǐng)域?qū)θ虘B(tài)電池的關(guān)注讓我們?cè)诠虘B(tài)電池領(lǐng)域奮斗的人感到自豪。
技術(shù)路線這塊，國(guó)軒高科在固態(tài)電池領(lǐng)域有兩條技術(shù)路線，聚合物+氧化物復(fù)合逐步過渡到全固態(tài)技術(shù)路線，加上我今天講的硫化物的技術(shù)路線，選擇硫化物主要因其離子電導(dǎo)率高和材質(zhì)較軟，更利于后續(xù)成形加壓等工藝。還有另外原因是今天要講的主題，其實(shí)全固態(tài)電池開發(fā)面臨很多共性問題，不管是聚合物、氧化物還是硫化物，還是將來的鹵化物體系，用起來都需要解決這些問題，我們也沒有特別地去糾結(jié)到底要做哪一個(gè)體系，而是選擇一個(gè)體系就堅(jiān)持做下去。
共性問題我們一直都是以三個(gè)角度考慮，一個(gè)是材料體系，二是制造技術(shù)，三是產(chǎn)品應(yīng)用。一代材料、一代工藝、一代制造技術(shù)、一代新的產(chǎn)品。我大致總結(jié)了一下一些共性問題：
一是材料層面：如何提高電解質(zhì)材料的空氣穩(wěn)定性？如何通過電解質(zhì)選擇與使用優(yōu)化，降低電芯所需壓力？如何通過電解質(zhì)改善提升電芯倍率性能？如何解決正極界面穩(wěn)定性、負(fù)極體積變化、長(zhǎng)循環(huán)壽命等問題？
二是制造層面：需要對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)線進(jìn)行全面改造。我們思考的是：如何盡可能利用現(xiàn)有鋰電池產(chǎn)線，降低產(chǎn)能淘汰速度和企業(yè)投資體量？如何在現(xiàn)有鋰電產(chǎn)線基礎(chǔ)上，打通全固態(tài)電池制造路線，并實(shí)現(xiàn)較高的制造良率和效率？
三是產(chǎn)品應(yīng)用層面：固態(tài)電池需要施加很大的預(yù)緊力，如何實(shí)現(xiàn)并提供足夠且穩(wěn)定的預(yù)緊力？如何解決固態(tài)電池需在高溫下充放電所帶來的熱管理系統(tǒng)改變及策略調(diào)整？如何將固態(tài)電池單體固有的高能量密度優(yōu)勢(shì)傳遞到系統(tǒng)層面，提高質(zhì)量和體積成組效率？這也是共性挑戰(zhàn)。
首先，材料層面：我們是站在前輩基礎(chǔ)上開展工作，主要涉及理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)科學(xué)。在理論方面，我們通過計(jì)算設(shè)計(jì)篩選空氣穩(wěn)定性高的硫化物體系，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。常用方法包括：比如元素?fù)诫s，摻入一些物理吸附劑，制造核殼結(jié)構(gòu)，讓表面更加的穩(wěn)定，內(nèi)部有高的離子電導(dǎo)。然后另外一個(gè)是比如說用超疏水的材料去把電解質(zhì)包覆起來，讓它在生產(chǎn)完之后的運(yùn)輸、使用的過程中不跟空氣直接接觸，從而不產(chǎn)生有害的硫化氫，保持高度穩(wěn)定性等。
我這里介紹一個(gè)我們自己的工作，這個(gè)是通過一個(gè)路易斯酸包覆的方式來提高空氣的穩(wěn)定性。這塊我們當(dāng)然現(xiàn)在還在進(jìn)一步的研究。材料端的改善還是比較可觀的。之后我們考慮更多是這個(gè)產(chǎn)品往后端，在生產(chǎn)制造過程中能不能真正用起來，包在上面這個(gè)材料會(huì)不會(huì)影響后面的電池的性能這一塊。
第二個(gè)是用電解質(zhì)材料去降低電芯的堆疊壓力。剛才幾位專家也提到了，利用低楊氏模量的電解質(zhì)，比如說像文章中說到的采用玻璃相或者玻璃陶瓷的電解質(zhì)，來替代結(jié)晶態(tài)的硫化物電質(zhì)，在加壓的狀態(tài)下，減少結(jié)構(gòu)的孔隙。第二個(gè)是電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)化，比如通過三維的連續(xù)骨架把電解質(zhì)連起來，減少它對(duì)外界的壓力依賴。第三個(gè)是復(fù)合電解質(zhì)的一個(gè)設(shè)計(jì)，加硫化物與一些聚合物去給它混合起來，讓它在低壓力下也能保持好的接觸和離子傳導(dǎo)。另外一個(gè)重要的就是電解質(zhì)的顆粒細(xì)化，這會(huì)讓它在極片里面分布更加的均勻，連通會(huì)更加好，給極片帶來更好的一個(gè)離子傳導(dǎo)。干法電極也是一個(gè)從工藝上去改善壓力的一個(gè)方式，因?yàn)楦煞娊赓|(zhì)它對(duì)顆粒的包裹性會(huì)比濕法的小，所以它的電解質(zhì)和電解質(zhì)顆粒的接觸會(huì)相對(duì)較好一點(diǎn)，所以在工作中壓力也會(huì)相對(duì)小一些。
我也分享我們的一項(xiàng)工作，就是開發(fā)一個(gè)軟質(zhì)的電解質(zhì)。但也是通過這個(gè)高通量的篩選，然后后面進(jìn)行了一些像AFM一些表征，確實(shí)能把這個(gè)楊氏模量非常高的結(jié)晶態(tài)硫化物電解質(zhì)的楊氏模量降得低一點(diǎn)，例如從近20 GPa降至約4 GPa，這個(gè)我們?cè)陔姵刂袦y(cè)試了確實(shí)也能夠有效地降低循環(huán)壓力。
正極材料部分，講一個(gè)顆粒級(jí)配問題，我們也在做，核心就是降低孔隙，得到比較好的電子傳導(dǎo)通道和離子傳道通道。并且在制造過程中也有一個(gè)非常好優(yōu)勢(shì)，能夠把極片的壓實(shí)做高，對(duì)提高能量密度非常重要，我們也在這塊做了一些工作。比如采用小粒徑電解質(zhì)跟一定尺寸的三元正極復(fù)配，看它跟大的電解質(zhì)比會(huì)有什么樣性能差異，結(jié)果還是比較不錯(cuò)，這個(gè)三元需要的是跟電解質(zhì)合適尺寸配比，然后當(dāng)它達(dá)到比較良好狀態(tài)的時(shí)候，從測(cè)試結(jié)果可以看到它兩項(xiàng)分布會(huì)比較均勻一些，后期像循環(huán)、倍率也有大幅度提升。
界面穩(wěn)定性這塊也是老生常談的問題，硫化物電解質(zhì)穩(wěn)定性也是比較差，包覆的工作也有很多，主要是通過一個(gè)化學(xué)屏障提供電子絕緣、離子傳導(dǎo)的界面層，也相當(dāng)于提供一個(gè)在循環(huán)過程中顆粒膨脹的支撐這樣一個(gè)作用，來提高這個(gè)正極材料穩(wěn)定性。我們?cè)谌獑尉Ш投嗑Ф甲隽撕芏喟补ぷ?，不僅限于現(xiàn)在這個(gè)PPT展示的鈮酸鋰的工作，鈮酸鋰本身的包覆也有很多方法，我們做了很多探索，比如從原材料選擇上面像乙醇鈮是一個(gè)比較貴的材料，我們找一些替代的，干法怎么包，濕法怎么包，包多厚，總體來說包覆當(dāng)達(dá)到比較合適的厚度的時(shí)候，它的倍率性、穩(wěn)定性都會(huì)有一些提高，我這展示只是一個(gè)概念性的，不是真實(shí)最終達(dá)到的性能。
負(fù)極這塊其實(shí)現(xiàn)在普遍從石墨往硅碳方向轉(zhuǎn)，從之前石墨跟硅復(fù)合，到后面硅氧，到現(xiàn)在比較熱門的硅碳材料，我們也是在做一些硅碳材料研究，我們內(nèi)部針對(duì)全固態(tài)電池做一些開發(fā)，比如說對(duì)孔徑，還有孔容等設(shè)計(jì)，因?yàn)樗粌H是會(huì)影響電化學(xué)性能，對(duì)極片層面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會(huì)有一些影響，然后再比如說硅負(fù)極倍率性能差，我們也想是不是可以通過小粒徑硅碳選擇提升倍率性還有循環(huán)穩(wěn)定性等。包覆這塊也是做了很多工作，從有機(jī)無機(jī)包覆去給更好地構(gòu)建導(dǎo)電子網(wǎng)絡(luò)，限制它的一些體積膨脹等。還有孔道結(jié)構(gòu)有序化的設(shè)計(jì)，結(jié)合后面一些參數(shù)優(yōu)化做出更好的硅碳負(fù)極，這里展示的是其中一個(gè)例子，最開始我們也是從供應(yīng)商拿到顆粒比較大的，像多邊形的硅碳負(fù)極，它在平面上看相對(duì)堆積比較松散的，后面我們進(jìn)行了改進(jìn)，采用了小顆粒的相對(duì)球形度好一些硅碳，這樣在壓實(shí)狀態(tài)下，它的致密度，不管是截面還是平面，壓實(shí)都有比較高提升。
我記得像前一款大顆粒的應(yīng)該壓實(shí)在1.3左右，后面可以達(dá)到1.7這樣子，所以對(duì)后面的電化學(xué)性能提升還是有比較大的效果。
材料大概講這些，當(dāng)然也不全面，也不是我們?nèi)康墓ぷ?。制造這部分簡(jiǎn)單講一下，我們采用的是濕法路線，也是盡量沿用現(xiàn)在鋰離子電池一些設(shè)備和工藝，其實(shí)在使用過程中它還是存在很多問題的。像硫化物固態(tài)電池這個(gè)體系，我想主要是三個(gè)大問題：
一個(gè)是電解質(zhì)材料穩(wěn)定性比較差，不管是對(duì)空氣還是對(duì)溶劑，黏結(jié)劑的選擇，溶劑的選擇，在涂布過程中漿料粘結(jié)劑上浮等問題，所以還需要在設(shè)備上要做很多特性的優(yōu)化。
二是電解質(zhì)膜脆，不是像隔膜一樣柔韌性非常好而且連續(xù)的，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上會(huì)有缺陷，Overhang區(qū)域在等靜壓過程中會(huì)斷掉，造成短路，導(dǎo)致電芯良率非常低，這個(gè)工藝就需要特性化設(shè)備解決這個(gè)問題。
三是要壓實(shí)，需要在生產(chǎn)過程中形成好的固固界面，像等靜壓，絕緣邊框制造一些設(shè)備還是要開發(fā)，也從供應(yīng)商和做全固態(tài)電池的同仁們了解到有很多路線，比如絲網(wǎng)印刷，研磨涂布等應(yīng)該都有一些效果，但是最終這些路線哪一條能真正走向量產(chǎn)，我覺得還是要做一些工藝和設(shè)備上的改進(jìn)。絕緣邊框這個(gè)事情，特別是在電解質(zhì)膜做薄了之后對(duì)它的一致性、平整度都有非常高要求。
我就舉個(gè)等靜壓的例子，我們0.2GWh產(chǎn)線的打通吃了很多苦也總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，有一個(gè)等靜壓工藝可以分享一下。大家都覺得等靜壓，壓的過程當(dāng)中電芯會(huì)三個(gè)尺寸收縮，其實(shí)改變加壓方式之后可以發(fā)現(xiàn)它的橫向和縱向收縮可以是進(jìn)行調(diào)控的，如果我們電芯尺寸需要固定在某一個(gè)大小的時(shí)候，可以通過等靜壓參數(shù)調(diào)控，只有在厚度方向收縮，這樣子對(duì)后面像模組，PACK這些設(shè)計(jì)就會(huì)更加友好一些。
接下來直接講產(chǎn)品了，因?yàn)檫@次也是展示了裝車測(cè)試的案例，這塊也做一點(diǎn)交流，最主要是一個(gè)全固態(tài)電池預(yù)緊力問題，液態(tài)電池已經(jīng)不存在這個(gè)問題，幾十到上百公斤的壓力基本上能滿足全生命周期的預(yù)緊力要求，做模組的就少了，CTP、CTB，CTC都非常常見，本身電芯膨脹又比較小，所以液態(tài)電池在預(yù)緊力要求很低，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化有非常好作用，對(duì)它循環(huán)壽命，質(zhì)量成組效率都已經(jīng)能做的非常好，全固態(tài)電池這邊至少需要兆帕級(jí)別預(yù)緊力，怎么實(shí)現(xiàn)這樣的預(yù)緊力其實(shí)是一個(gè)比較難的事情。我也查了一下，像用金屬模組框架約束、一體式鋁材基礎(chǔ)框架、模組形式的金屬/非金屬綁帶約束、甚至金屬箱體整體約束。框體一個(gè)是強(qiáng)度，另一個(gè)循環(huán)過程中還會(huì)有體積膨脹收縮，到底全生命周期能不能扛住，第二個(gè)成組率是不是會(huì)大幅度下降，以后全固態(tài)電池單體電芯很高，但是系統(tǒng)層面能量密度很低，這個(gè)應(yīng)該也不是大家愿意看到的。
所以我們這邊也是做了一些分析，認(rèn)為目前全固態(tài)電池做成產(chǎn)品，還是先做成模組形式，到后面如果能把體系預(yù)緊力降下來再做成CTC，CTB這些方式比較好一些，我們開發(fā)了非金屬綁帶，能承受幾百上千兆帕拉力，還有復(fù)合的非金屬端板能承受非常大預(yù)緊力要求。通過計(jì)算可以看到，它可以為電芯在整個(gè)生命周期提供15兆帕左右的預(yù)緊力，基本上能滿足現(xiàn)在固態(tài)電池的需求，并且非金屬材料也是有輕量化的效果，所以我們也能夠在采用這兩款材料之后，把重量減到之前的20%，然后提高軟包的成組率。還要看一下效果，其實(shí)還是比較激動(dòng)人心的，單體電池是355Wh/kg的，做成兩并18串的模組，采用這樣的加壓方式，其實(shí)它的性能還是比較不錯(cuò)，基本上能達(dá)到單體電池這樣的性能，如果以0.33C作為基準(zhǔn)的話，1C的性能能做到80%以上放電，我們也測(cè)了功率map這個(gè)參數(shù)，像3C的脈沖還有持續(xù)放電，在某些SOC下也是沒問題的，這個(gè)方式至少對(duì)初代的全固態(tài)電池來說還是比較可行，我們也正式采用這樣的模組方式，做成整包，造出全固態(tài)電池在車?yán)锩孀鰷y(cè)試。
我的報(bào)告基本上是這樣子，先通過一個(gè)短視頻再回顧一下開發(fā)過程，第二個(gè)把我沒講的補(bǔ)充一下。
全固態(tài)電池仍面臨諸多挑戰(zhàn)，我們及業(yè)界專家雖已解決了很多問題，但仍有大量工作。另一方面，國(guó)家、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界近兩年進(jìn)步很快。我們此次展示，希望能給大家?guī)砀嘈判?！謝謝各位！
