固態(tài)電池：技術(shù)漸進(jìn)式升級(jí)， 等待批量推廣應(yīng)用
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 09:18
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近期我們調(diào)研了固態(tài)電池行業(yè)公司，與專家交流行業(yè)現(xiàn)狀及國內(nèi)外公司進(jìn)展。行業(yè)內(nèi)主流企業(yè)預(yù)計(jì)，2020 年前將實(shí)現(xiàn)批量銷售，2025 年全固態(tài)電池技術(shù)成熟與成本可控實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
固態(tài)電池是廣泛認(rèn)可的下一代電池技術(shù)，目標(biāo)是解決新能源車對安全性與長續(xù)航的需求。全球新能源車市場高速發(fā)展對電池安全性、能量密度提出更高要求，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出2025 年發(fā)展全固態(tài)鋰電池技術(shù)、2025 和2030 年電池單體能量密度分別達(dá)到400 和500wh/kg 的目標(biāo)，比現(xiàn)有電解液鋰電池的能量密度提升66%，且固態(tài)電池不會(huì)發(fā)生熱失控，安全性能更好。
部分關(guān)鍵材料技術(shù)突破和降低成本是大規(guī)模推廣的核心難點(diǎn)。固態(tài)電池是現(xiàn)在鋰電池技術(shù)的升級(jí)，發(fā)展路徑為半固態(tài)→準(zhǔn)固態(tài)→全固態(tài)，主要區(qū)別在固態(tài)電解質(zhì)替代電解液、不用隔膜以及最終將金屬鋰負(fù)極替代石墨負(fù)極。根據(jù)調(diào)研了解，半固態(tài)與全固態(tài)電池的綜合成本是現(xiàn)有鋰電池的200%-300%，我們預(yù)計(jì)，至2025 年國內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)部分關(guān)鍵材料的突破與配套，批量化的成本降低。
全球主要車企與研發(fā)機(jī)構(gòu)布局固態(tài)電池技術(shù)。其中，日韓以公司主導(dǎo)技術(shù)研發(fā)相對領(lǐng)先，歐美以初創(chuàng)公司為主積極布局。根據(jù)法國Yole 統(tǒng)計(jì)，2018 年全球布局固態(tài)電池的大公司占比約50%，分類型按數(shù)量排序：大公司>科研機(jī)構(gòu)>初創(chuàng)公司。公司方面以豐田、寶馬、大眾、現(xiàn)代等車企為主，包括三星SDI、LG 化學(xué)、優(yōu)美科等傳統(tǒng)鋰電池及材料廠商。歐美國家主要科研機(jī)構(gòu)如麻省理工學(xué)院、科羅拉多大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后衍生出SolidEnergy System、SolidPower 等初創(chuàng)企業(yè)，并獲得車企等融資。
國內(nèi)以產(chǎn)業(yè)鏈公司與科研機(jī)構(gòu)為主導(dǎo)，部分企業(yè)具備小批量生產(chǎn)能力。臺(tái)灣輝能率先步入商業(yè)化，清陶能源建成0.1GWh 固態(tài)鋰電池產(chǎn)線，衛(wèi)藍(lán)新能源和中科院物理所合作并擁有固態(tài)鋰電池試制線，贛鋒鋰業(yè)和中科院寧波材料所合作并建設(shè)年產(chǎn)億瓦時(shí)級(jí)固態(tài)鋰電池中試生產(chǎn)線，國軒高科、寧德時(shí)代等電池龍頭積極研發(fā)。
全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動(dòng)汽車和規(guī)?；瘍?chǔ)能的理想化學(xué)電源。
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池，被科學(xué)家們喻為“搖椅式電池”，搖椅兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。其中的鋰離子如同優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員在正負(fù)兩極間來回奔跑，在運(yùn)動(dòng)過程中即完成電池的充放電過程。
然而，這種看似有趣的結(jié)構(gòu)卻存在隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，今年上半年電動(dòng)汽車發(fā)生過10起燃燒事故。某消防單位對此總結(jié)，新能源汽車發(fā)生燃燒最為常見的場景表現(xiàn)為充電過程中的燃燒，此外，電池在行駛或停駛過程中也會(huì)產(chǎn)生燃燒。
安全性更高，可繼承液態(tài)鋰電池“江湖地位”
液態(tài)鋰電池為何會(huì)頻發(fā)爆炸，有專家分析，原因在于傳統(tǒng)鋰電池在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞；電解液為有機(jī)液體，在高溫下會(huì)加劇發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向。
而近年來，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為采用固態(tài)電池在安全性上相對有所保障，視其可以繼承液態(tài)鋰電池的“江湖地位”。
“儲(chǔ)能的春天已經(jīng)到來，儲(chǔ)能行業(yè)開始萌芽開花，在各類儲(chǔ)能技術(shù)中，電池儲(chǔ)能最受關(guān)注，也是發(fā)展最快的儲(chǔ)能技術(shù)方向。全固態(tài)鋰離子電池是規(guī)?；瘍?chǔ)能理想的化學(xué)電源。”中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組陳永翀教授表示。
專家認(rèn)為，全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動(dòng)汽車和規(guī)?；瘍?chǔ)能的理想化學(xué)電源。
北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)委員孫立清曾表示，相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化，理論上存在一定的優(yōu)勢。
由于固態(tài)鋰電池采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升了鋰電池的能量密度。采用固態(tài)電解質(zhì)，可以阻止電池中的一些成分燃燒。
專家介紹，固態(tài)鋰電池的密度及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，在同樣的電量下，固態(tài)電池體積將變得更小。而且，由于固態(tài)電池中沒有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。
開發(fā)還在路上，一些關(guān)鍵問題有待突破
將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池，是為了突破目前有機(jī)電解液存在的種種限制，提升電池的能量密度、功率、溫度范圍和安全性。與會(huì)專家提出，真正實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的問題。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員靳俊介紹說，近幾年他們實(shí)驗(yàn)室主要開發(fā)采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰硫電池體系。用固態(tài)電解質(zhì)修飾金屬鋰后，可以提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。他們還提出一個(gè)雙電解質(zhì)體系鋰硫電池概念，采用具有鋰離子導(dǎo)電特性LAGP體系的固體電解質(zhì)，在正負(fù)極間采用少量液態(tài)電解液進(jìn)行界面潤濕，測試結(jié)果可以看到，首次放電比容量能夠達(dá)到理論容量80％以上，尤其在充放電效率方面，基本上接近100％，完全沒有液態(tài)鋰硫電池中存在的穿梭效應(yīng)問題。為了進(jìn)一步解決電池的安全問題，他們把這個(gè)界面凝膠化，以保證里面沒有流動(dòng)態(tài)的電解液，通過聚合物進(jìn)行修飾，還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)。
清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮團(tuán)隊(duì)，正在研制一種氧化物固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)鋰電池的原型，采用三元正極，固態(tài)電解質(zhì)膜和石墨負(fù)荷作負(fù)極，電池能量密度以及安全性非常好，上千次循環(huán)后容量保持81％。
合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司鄭明森博士指出，目前研發(fā)的疊片式大容量固態(tài)聚合物鋰離子電池，結(jié)構(gòu)相對簡單、節(jié)點(diǎn)少，不需要管理系統(tǒng)，在組裝電池組時(shí)只需串聯(lián)而非并聯(lián)。采用一些固態(tài)的電解液替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解液，可以解決電池的漏液和碰撞后燃燒問題，提高了電池的安全性。
當(dāng)然，固態(tài)電池開發(fā)還在路上，仍存在一些關(guān)鍵問題有待突破。專家表示，固體電池應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域需考慮到長壽命、安全性等因素。另外，還需解決長期循環(huán)過程中的體積效應(yīng)、穩(wěn)定性和界面相容性等問題。
