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以下內容根據(jù)現(xiàn)場演講精簡
【全固態(tài)電池產業(yè)化及共性問題——國軒高科股份有限公司固態(tài)電池項目總工程師潘瑞軍】
國軒高科在一年前，2024年5月份發(fā)布了全固態(tài)電池，今年5月份科技大會再次介紹了一些進展，國軒目前實現(xiàn)了中試線落地還有全固態(tài)電池裝車測試，這一年跟大家交流機會比較少，今天也算是第一次，首先感謝中國汽車動力電池產業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟邀請，還有董會長，各位領導對國軒高科關心。
我今天匯報的主題是固態(tài)電池產業(yè)化的共性問題和策略。產業(yè)化的探索本質就是解決固態(tài)電池存在的問題。我直接進入主題，在座都是資深專家。這張圖大家都很清楚，全球各地區(qū)和國家都在大力研究固態(tài)電池，相關公司大家也很熟悉。我主要講三點：
1.技術路線聚焦：從早期多樣化的固態(tài)電解質和工藝路線，到現(xiàn)在比較聚焦于聚合物+氧化物復合、硫化物等技術路線。2.量產預期聚焦：普遍聚焦在2027年至2030年實現(xiàn)小規(guī)模量產到規(guī)模量產。3.各個國家、地區(qū)高度重視全固態(tài)電池開發(fā)：各國都將全固態(tài)電池視為關鍵技術，集結最強力量攻堅。例如，中國的電池企業(yè)、車企，日韓的電池企業(yè)、車企，美國依托科研優(yōu)勢，有眾多初創(chuàng)公司推進，歐洲有很多車企投資美國初創(chuàng)公司。
各個領域對全固態(tài)電池的關注讓我們在固態(tài)電池領域奮斗的人感到自豪。
技術路線這塊，國軒高科在固態(tài)電池領域有兩條技術路線，聚合物+氧化物復合逐步過渡到全固態(tài)技術路線，加上我今天講的硫化物的技術路線，選擇硫化物主要因其離子電導率高和材質較軟，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到底要做哪一個體系，而是選擇一個體系就堅持做下去。
共性問題我們一直都是以三個角度考慮，一個是材料體系，二是制造技術，三是產品應用。一代材料、一代工藝、一代制造技術、一代新的產品。我大致總結了一下一些共性問題：
一是材料層面：如何提高電解質材料的空氣穩(wěn)定性？如何通過電解質選擇與使用優(yōu)化，降低電芯所需壓力？如何通過電解質改善提升電芯倍率性能？如何解決正極界面穩(wěn)定性、負極體積變化、長循環(huán)壽命等問題？
二是制造層面：需要對現(xiàn)有產線進行全面改造。我們思考的是：如何盡可能利用現(xiàn)有鋰電池產線，降低產能淘汰速度和企業(yè)投資體量？如何在現(xiàn)有鋰電產線基礎上，打通全固態(tài)電池制造路線，并實現(xiàn)較高的制造良率和效率？
三是產品應用層面：固態(tài)電池需要施加很大的預緊力，如何實現(xiàn)并提供足夠且穩(wěn)定的預緊力？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)改變及策略調整？如何將固態(tài)電池單體固有的高能量密度優(yōu)勢傳遞到系統(tǒng)層面，提高質量和體積成組效率？這也是共性挑戰(zhàn)。
首先，材料層面：我們是站在前輩基礎上開展工作，主要涉及理論計算和實驗科學。在理論方面，我們通過計算設計篩選空氣穩(wěn)定性高的硫化物體系，并結合實驗驗證。常用方法包括：比如元素摻雜，摻入一些物理吸附劑，制造核殼結構，讓表面更加的穩(wěn)定，內部有高的離子電導。然后另外一個是比如說用超疏水的材料去把電解質包覆起來，讓它在生產完之后的運輸、使用的過程中不跟空氣直接接觸，從而不產生有害的硫化氫，保持高度穩(wěn)定性等。
我這里介紹一個我們自己的工作，這個是通過一個路易斯酸包覆的方式來提高空氣的穩(wěn)定性。這塊我們當然現(xiàn)在還在進一步的研究。材料端的改善還是比較可觀的。之后我們考慮更多是這個產品往后端，在生產制造過程中能不能真正用起來，包在上面這個材料會不會影響后面的電池的性能這一塊。
第二個是用電解質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，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，來替代結晶態(tài)的硫化物電質，在加壓的狀態(tài)下，減少結構的孔隙。第二個是電解質結構的一個優(yōu)化，比如通過三維的連續(xù)骨架把電解質連起來，減少它對外界的壓力依賴。第三個是復合電解質的一個設計，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。另外一個重要的就是電解質的顆粒細化，這會讓它在極片里面分布更加的均勻，連通會更加好，給極片帶來更好的一個離子傳導。干法電極也是一個從工藝上去改善壓力的一個方式，因為干法電解質它對顆粒的包裹性會比濕法的小，所以它的電解質和電解質顆粒的接觸會相對較好一點，所以在工作中壓力也會相對小一些。
我也分享我們的一項工作，就是開發(fā)一個軟質的電解質。但也是通過這個高通量的篩選，然后后面進行了一些像AFM一些表征，確實能把這個楊氏模量非常高的結晶態(tài)硫化物電解質的楊氏模量降得低一點，例如從近20 GPa降至約4 GPa，這個我們在電池中測試了確實也能夠有效地降低循環(huán)壓力。
正極材料部分，講一個顆粒級配問題，我們也在做，核心就是降低孔隙，得到比較好的電子傳導通道和離子傳道通道。并且在制造過程中也有一個非常好優(yōu)勢，能夠把極片的壓實做高，對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跟一定尺寸的三元正極復配，看它跟大的電解質比會有什么樣性能差異，結果還是比較不錯，這個三元需要的是跟電解質合適尺寸配比，然后當它達到比較良好狀態(tài)的時候，從測試結果可以看到它兩項分布會比較均勻一些，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，主要是通過一個化學屏障提供電子絕緣、離子傳導的界面層，也相當于提供一個在循環(huán)過程中顆粒膨脹的支撐這樣一個作用，來提高這個正極材料穩(wěn)定性。我們在三元單晶和多晶都做了很多包覆工作，不僅限于現(xiàn)在這個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，總體來說包覆當達到比較合適的厚度的時候，它的倍率性、穩(wěn)定性都會有一些提高，我這展示只是一個概念性的，不是真實最終達到的性能。
負極這塊其實現(xiàn)在普遍從石墨往硅碳方向轉，從之前石墨跟硅復合，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，我們內部針對全固態(tài)電池做一些開發(fā)，比如說對孔徑，還有孔容等設計，因為它不僅是會影響電化學性能，對極片層面結構穩(wěn)定性也會有一些影響，然后再比如說硅負極倍率性能差，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，從有機無機包覆去給更好地構建導電子網絡，限制它的一些體積膨脹等。還有孔道結構有序化的設計，結合后面一些參數(shù)優(yōu)化做出更好的硅碳負極，這里展示的是其中一個例子，最開始我們也是從供應商拿到顆粒比較大的，像多邊形的硅碳負極，它在平面上看相對堆積比較松散的，后面我們進行了改進，采用了小顆粒的相對球形度好一些硅碳，這樣在壓實狀態(tài)下，它的致密度，不管是截面還是平面，壓實都有比較高提升。
我記得像前一款大顆粒的應該壓實在1.3左右，后面可以達到1.7這樣子，所以對后面的電化學性能提升還是有比較大的效果。
材料大概講這些，當然也不全面，也不是我們全部的工作。制造這部分簡單講一下，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備和工藝，其實在使用過程中它還是存在很多問題的。像硫化物固態(tài)電池這個體系，我想主要是三個大問題：
一個是電解質材料穩(wěn)定性比較差，不管是對空氣還是對溶劑，黏結劑的選擇，溶劑的選擇，在涂布過程中漿料粘結劑上浮等問題，所以還需要在設備上要做很多特性的優(yōu)化。
二是電解質膜脆，不是像隔膜一樣柔韌性非常好而且連續(xù)的，導致結構上會有缺陷，Overhang區(qū)域在等靜壓過程中會斷掉，造成短路，導致電芯良率非常低，這個工藝就需要特性化設備解決這個問題。
三是要壓實，需要在生產過程中形成好的固固界面，像等靜壓，絕緣邊框制造一些設備還是要開發(fā)，也從供應商和做全固態(tài)電池的同仁們了解到有很多路線，比如絲網印刷，研磨涂布等應該都有一些效果，但是最終這些路線哪一條能真正走向量產，我覺得還是要做一些工藝和設備上的改進。絕緣邊框這個事情，特別是在電解質膜做薄了之后對它的一致性、平整度都有非常高要求。
我就舉個等靜壓的例子，我們0.2GWh產線的打通吃了很多苦也總結了很多經驗，有一個等靜壓工藝可以分享一下。大家都覺得等靜壓，壓的過程當中電芯會三個尺寸收縮，其實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行調控的，如果我們電芯尺寸需要固定在某一個大小的時候，可以通過等靜壓參數(shù)調控，只有在厚度方向收縮，這樣子對后面像模組，PACK這些設計就會更加友好一些。
接下來直接講產品了，因為這次也是展示了裝車測試的案例，這塊也做一點交流，最主要是一個全固態(tài)電池預緊力問題，液態(tài)電池已經不存在這個問題，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)電池在預緊力要求很低，不僅結構簡化有非常好作用，對它循環(huán)壽命，質量成組效率都已經能做的非常好，全固態(tài)電池這邊至少需要兆帕級別預緊力，怎么實現(xiàn)這樣的預緊力其實是一個比較難的事情。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?？蝮w一個是強度，另一個循環(huán)過程中還會有體積膨脹收縮，到底全生命周期能不能扛住，第二個成組率是不是會大幅度下降，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，這個應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，認為目前全固態(tài)電池做成產品，還是先做成模組形式，到后面如果能把體系預緊力降下來再做成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，還有復合的非金屬端板能承受非常大預緊力要求。通過計算可以看到，它可以為電芯在整個生命周期提供15兆帕左右的預緊力，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，其實還是比較激動人心的，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，其實它的性能還是比較不錯，基本上能達到單體電池這樣的性能，如果以0.33C作為基準的話，1C的性能能做到80%以上放電，我們也測了功率map這個參數(shù)，像3C的脈沖還有持續(xù)放電，在某些SOC下也是沒問題的，這個方式至少對初代的全固態(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)電池在車里面做測試。
我的報告基本上是這樣子，先通過一個短視頻再回顧一下開發(fā)過程，第二個把我沒講的補充一下。
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，國家、學術界和工業(yè)界近兩年進步很快。我們此次展示，希望能給大家?guī)砀嘈判模≈x謝各位！
