中國儲能網(wǎng)訊：目前固態(tài)電池處于前期，前期從全壽命周期進(jìn)行充分地考慮，應(yīng)該借鑒液態(tài)電池相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，在前期推動相關(guān)的固態(tài)電池標(biāo)準(zhǔn)制定，需要各位同行群策群力，共同推動相關(guān)的工作。
演講人：衛(wèi)藍(lán)新能源固態(tài)電芯部負(fù)責(zé)人 李久銘
演講主題：固態(tài)鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用思考
尊敬的各位專家、領(lǐng)導(dǎo)、同仁下午好，非常高興能代表北京衛(wèi)藍(lán)新能源參加這次會議。我是李久銘，在北京衛(wèi)藍(lán)新能源負(fù)責(zé)固態(tài)鋰電池的開發(fā)。
這次報(bào)告主要想分享一下我們對固態(tài)鋰電池的一些思考。我的報(bào)告從三方面展開，首先是分析對比一下固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池的區(qū)別，第二固態(tài)鋰電池應(yīng)用情況，第三固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)布局，以及衛(wèi)藍(lán)在固態(tài)鋰電池的相關(guān)研發(fā)情況。
首先是固態(tài)鋰電池的定義，從我們的理解來看，目前除了法國博洛雷公司基于磷酸鐵鋰全固態(tài)電池有量產(chǎn)之外，剩下的幾乎沒有純的全固態(tài)電池產(chǎn)品。目前來看大家還需要對相關(guān)的定義進(jìn)行明確以下。首先是液態(tài)鋰電池，只含有液體電解質(zhì)的電池。第二是混合固液電解質(zhì)鋰蓄電池，第三是半固態(tài)鋰電池，電池中任一側(cè)電極不含液體電解質(zhì)，另一側(cè)電極含有液態(tài)電解質(zhì)，或者單體中固體電解質(zhì)質(zhì)量或體積占單體中電解質(zhì)縱質(zhì)量或總體積之比的一半。還有全固態(tài)電池，不詳細(xì)贅述。
我們對電池進(jìn)行了簡要分類，分別對液態(tài)鋰電池、混合固液鋰電池、和全固態(tài)鋰電池進(jìn)行了細(xì)分。目前大家普遍認(rèn)為，固態(tài)鋰電池不容易燃燒、爆炸，無泄露和腐蝕問題，主要是因?yàn)楣虘B(tài)電池里面電解液的含量少或者沒有，因此不會在熱失控條件下發(fā)生體積膨脹，進(jìn)而發(fā)生爆炸情況。但其實(shí)目前固態(tài)電池的安全問題還是需要很多的實(shí)際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐的。第二是高溫下的腐蝕界面問題，從固態(tài)電解質(zhì)本身特點(diǎn)考慮，固態(tài)電池的高溫性能應(yīng)該會更好。第三是原材料純度的問題，目前都是單離子導(dǎo)體，充放電過程里面只有鋰離子進(jìn)行傳輸和運(yùn)動。第四是制造成本和工藝復(fù)雜性問題，目前很難說，這和所使用的固態(tài)電解質(zhì)材料體系有很大的關(guān)系。目前大家的思路是，盡可能和現(xiàn)有的鋰電設(shè)備和鋰電工藝所兼容，把成本盡可能地降下去。最后是大家最關(guān)心的能量密度問題，傳統(tǒng)的液態(tài)電池的能量密度天花板大概在350Wh/kg左右，固態(tài)電池能做得更高？
液態(tài)電池基于單體封裝，外部串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，固態(tài)電池由于不流動性，可以設(shè)計(jì)成內(nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣可以在封裝工藝上有效地降低電池體積，從而可以提高電池的體積能量密度。對于質(zhì)量能量密度，常用的固態(tài)電解質(zhì)的密度比如氧化物的LLZO5.07、LATP2.93，如果單純把液態(tài)電解液換成固態(tài)電解質(zhì)，使用LATP能量密度會降到232.9Wh/kg，單純的直接使用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電芯的能量密度肯定更低，由于固態(tài)電解質(zhì)不流動性，在電池中的體積占比一般高于液態(tài)，因此導(dǎo)致固態(tài)電池能量密度進(jìn)一步降低，固態(tài)電池到底在質(zhì)量能量密度上有沒有優(yōu)勢？
肯定有，首先固態(tài)電池可以使用金屬鋰負(fù)極，相比于傳統(tǒng)液態(tài)電池，使用金屬鋰電池的能量密度比有明顯的提升。因此，結(jié)合金屬鋰之后，可以輕松突破350Wh/kg的門檻。由于固態(tài)電池在熱安全性和熱失控性表現(xiàn)更好，因此可以簡化散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。雖然散熱系統(tǒng)的占比不是特別大，但是這個可以從某種層面上提高系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度。
對于功率密度這塊，大家印象中固態(tài)電池的倍率性能不是特別好，這方面日本人做了相關(guān)的極限測試，他們借助于一百度高溫，可以實(shí)現(xiàn)超高倍率的放電，上午日本專家也說了，這點(diǎn)并沒有提到充電的問題。這個問題是這樣理解的，對于傳統(tǒng)無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料都是單離子導(dǎo)體，如果能夠有效地解決固態(tài)電池的工藝問題，固態(tài)電池的充放電倍率在理論上是有可能優(yōu)于傳統(tǒng)液態(tài)電解液。此外對于傳統(tǒng)的液態(tài)電池，其能量密度與功率密度之間通常存在著反比的關(guān)系，但是在這項(xiàng)研究工作中可以發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池因?yàn)槭茕囯x子擴(kuò)散極化影響比較小，有可能同時實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度的問題。當(dāng)然如何把扣電上得到的固態(tài)電池?cái)?shù)據(jù)擴(kuò)大到軟包電池上，還需要進(jìn)一步研究。
基于以上特點(diǎn)，我們希望固態(tài)電池能夠解決的問題主要有以下這些方面，比如防止SEI膜持續(xù)生長，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)問題，這就是傳統(tǒng)的液態(tài)電池現(xiàn)在難以解決的痛點(diǎn)問題。概括起來是，我們希望固態(tài)電池能夠同時實(shí)現(xiàn)高能量和高安全的電池。
對于固態(tài)電池，它的核心是固態(tài)電解質(zhì)材料，這里列舉了常見的六大類固態(tài)電解質(zhì)材料體系。從性能雷達(dá)圖上可以看，目前還沒有十全十美的材料，有的是離子電導(dǎo)率比較高，有的空氣穩(wěn)定性比較好，但是每種電解質(zhì)材料體系都存在著各自難以克服的問題。
根據(jù)電解質(zhì)材料，目前的固態(tài)電池體系主要分為四種。首先是聚合物電解質(zhì)體系，有量產(chǎn)也有運(yùn)營數(shù)據(jù)，但是主要問題在于能量密度不高，需要進(jìn)行加熱使用。第二固態(tài)電池體系，這種電池循環(huán)非常好，可以達(dá)到上萬次，但是主要問題在于容量做不到，通常都是毫安時級別的電池，主要用在穿戴式的電子設(shè)備里面。第三種是硫化物固態(tài)電池，這種電池的突出優(yōu)點(diǎn)在于，離子導(dǎo)電率非常高，但是對空氣穩(wěn)定性非常差，露點(diǎn)需要負(fù)60度以下，對工藝條件非?？量?。最后是氧化物固態(tài)電池，它有很多優(yōu)點(diǎn)，耐高電壓，對空氣比較穩(wěn)定，但是由于氧化物固態(tài)電池的界面電阻比較大，因此它的工業(yè)化難度也是非常大的。
從電池材料技術(shù)路線角度考慮，如果負(fù)極不含鋰，正極一定是含鋰材料，如果負(fù)極含鋰，正極選擇的余地就大多了。因此，全固態(tài)電池如果和金屬鋰負(fù)極搭配起來，可以有效地拓展正極材料的選擇范圍。從整個產(chǎn)業(yè)鏈來看，目前我們的考慮是針對不同應(yīng)用的固態(tài)鋰電池的材料體系應(yīng)用體系應(yīng)該是不同的，目前固態(tài)電池材料體系和技術(shù)工藝路線不確定，因此后端相關(guān)的模組、智能制造技術(shù)尚未確定，產(chǎn)業(yè)鏈目前不是特別完善。
最后是技術(shù)挑戰(zhàn)分析。首先是固液混合電池，一定要搞清楚里面的電解液含量多少，20%、10%還是5%，差別非常大。目前還沒有一個很好的方法對電解液含量進(jìn)行標(biāo)定，我們也一直想把電解液含量標(biāo)定把它作為一個標(biāo)準(zhǔn)提出來。對于全固態(tài)電池，由于固態(tài)電解質(zhì)不具有流動性，難點(diǎn)主要在于界面接觸都是點(diǎn)與點(diǎn)接觸，界面接觸是全固態(tài)電池的關(guān)鍵問題，里面有很多科學(xué)和技術(shù)的難點(diǎn)，需要一個綜合解決方案進(jìn)行解決。
總結(jié)一下，目前固態(tài)電池在固固界面接觸、全壽命周期的特性上存在很多問題，這些問題希望在近幾年能夠得到有效解決，從而加速固態(tài)電池規(guī)?；膽?yīng)用。
下面講固態(tài)電池的應(yīng)用情況，首先由于固態(tài)電池具有高能量密度和高安全性，因此固態(tài)電池可能在一些特殊領(lǐng)域率先得到一些應(yīng)用。第二在儲能領(lǐng)域，國家對儲能領(lǐng)域的要求是高儲能和高安全。
從整車設(shè)計(jì)的考慮，這是與傳統(tǒng)的液態(tài)電池包進(jìn)行對比，如果換成固態(tài)電池，能量密度不變的情況下，可以把電池包的厚度進(jìn)行明顯降低，電池包厚度的降低可以使整車設(shè)計(jì)的余量更加寬裕。所以我們的設(shè)想在整車底盤下部做一個固定電池包，同時基于體積和質(zhì)量能量密度的提升，做成可換電的標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)電池包。
目前固態(tài)電池處于前期，前期從全壽命周期進(jìn)行充分地考慮，應(yīng)該借鑒液態(tài)電池相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，在前期推動相關(guān)的固態(tài)電池標(biāo)準(zhǔn)制定，需要各位同行群策群力，共同推動相關(guān)的工作。
其次是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局，這里列舉了世界范圍內(nèi)正在開發(fā)固態(tài)電池的企業(yè)，粗略來看，歐洲主要是聚合物體系，美國是固液混合，在亞洲中日韓主要是氧化物、硫化物體系。這里主要列舉了固態(tài)電池的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和簡要的技術(shù)指標(biāo)，這是中國參與的固態(tài)電池的研究團(tuán)隊(duì)，列得不是特別全，從側(cè)面可以看到，參與機(jī)構(gòu)非常多，說明固態(tài)電池在我國的重視程度非常高。接下來介紹一下中科院體系對固態(tài)電池相關(guān)的研究工作。
首先是中科院寧波材料所許老師團(tuán)隊(duì)，他們基于硫化物和氧化物電解質(zhì)材料體系。其次是青島能源所崔老師的團(tuán)隊(duì)，固態(tài)電池完成了在深海的應(yīng)用示范。這是物理所的陳立泉院士團(tuán)隊(duì)， 2016年陳院士作為技術(shù)帶頭人，成立了我們北京衛(wèi)藍(lán)新能源公司，專注于下一代固態(tài)鋰電池的開發(fā)。這是陳老師這幾十年來參與的關(guān)于國家863等一系列項(xiàng)目，關(guān)于固態(tài)鋰電池研究情況。
重點(diǎn)提一下物理所利用離子運(yùn)輸數(shù)據(jù)庫，可以對上千種含鋰材料進(jìn)行篩選，從而尋找新的固態(tài)電解質(zhì)材料。舉兩個例子，首先是高通量計(jì)算進(jìn)行硫化物電解質(zhì)，探索如何同時提高穩(wěn)定性和高離子電導(dǎo)率，這是高通量計(jì)算設(shè)計(jì)并預(yù)設(shè)出了一種氧硫化物，一種新型電解質(zhì)材料。
最后簡要介紹一下北京衛(wèi)藍(lán)新能源公司，我們的原始技術(shù)來源于中科院物理所，我們現(xiàn)在目前員工大概在150人左右。這是我們的技術(shù)路線和技術(shù)思路。我們主要從兩個角度進(jìn)行考慮，首先從固液混合角度出發(fā)，目前固態(tài)電池含量在25~15%之間，我們把電解液含量降低，最終變成全固態(tài)，從全固態(tài)角度出發(fā)，通過原位固態(tài)化最終做成固態(tài)。整體上來看，隨著電池中電解液含量的降低，電池能量密度不斷地推進(jìn)，最終期望可以做到500Wh/kg左右。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，我們主要圍繞著五大技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，分別是離子導(dǎo)電膜技術(shù)、固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)、復(fù)合金屬鋰技術(shù)等技術(shù)。首先是固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)，比如LATP對正極材料的包覆改性，我們可以把這項(xiàng)技術(shù)，用在PEO全固態(tài)的電池，成功使用了PEO體系在4.2伏下的穩(wěn)定長循環(huán)，也可以應(yīng)用在硫化物電解質(zhì)體系，可以有效消除傳統(tǒng)的正極材料和硫化物電解質(zhì)的空間電荷層效應(yīng)。這種膜在高溫下比較穩(wěn)定，并且機(jī)械性能比較好，離子導(dǎo)電率比較好，結(jié)合原位固化技術(shù)，有效解決固態(tài)電池電解質(zhì)與正負(fù)極之間正面接觸問題。這是結(jié)合離子導(dǎo)電膜之制備的混合固液電池，循環(huán)在700次以上。我們所采用的混合固液相關(guān)技術(shù)相比液體能夠很好提高電池的安全性能。隨后我們結(jié)合了離子膜技術(shù)，我們進(jìn)行了初步探索，質(zhì)量能量密度到500Wh/kg以上。最后是利用原位固化做的探索，時間關(guān)系，不一一贅述。
最后是產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，我們把300Wh/kg混合固液電池進(jìn)行裝車示范，目前電池系統(tǒng)能量密度在208Wh/kg，續(xù)航里程在五百公里以上，這個項(xiàng)目通過了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目，并榮獲中科院北京分院科技成果轉(zhuǎn)化特等獎。我的報(bào)告主要這些，歡迎大家多多交流！
