鋰電池將被固態(tài)電池取代？要走的路還很長
時(shí)間:2018-10-24 09:51來源:第一電動(dòng)網(wǎng) 作者:綜合報(bào)道
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近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所宣布，由其牽頭承擔(dān)的納米先導(dǎo)專項(xiàng)“全固態(tài)電池”課題已通過驗(yàn)收，這一技術(shù)進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)國內(nèi)全固態(tài)鋰電池的規(guī)模應(yīng)用。
此消息一出，立即在電池行業(yè)中引起巨大反響。
業(yè)內(nèi)人士告訴第一電動(dòng)網(wǎng)：“以目前的三元鋰電池的技術(shù)路線，動(dòng)力電池能量密度單體要做到350Wh／kg的目標(biāo)，在五年內(nèi)基本不可能實(shí)現(xiàn)。而且，即便實(shí)現(xiàn)了，安全性也無法得到保障。因此，固態(tài)電池商業(yè)化能否突破，對(duì)汽車電動(dòng)化的前景影響重大。”
作為電動(dòng)汽車的核心，電池領(lǐng)域的突破無疑將對(duì)電池乃至汽車領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，那么，固態(tài)電池能否馬上取代三元鋰電池？距離市場(chǎng)化還有多遠(yuǎn)？
三元鋰電池的天然缺陷：能量密度和穩(wěn)定性相互矛盾
“某一家企業(yè)單去年一年就有60起電動(dòng)汽車燃燒爆炸事故。”在剛剛舉辦的中日韓鋰電論壇上，北京大學(xué)新能源材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任其魯教授透漏。
其教授認(rèn)為，三元鋰電池存在很多缺陷，安全問題十分令人擔(dān)憂。“無論從化學(xué)結(jié)構(gòu)來講，還是從電池結(jié)構(gòu)來講，三元材料都非常容易發(fā)熱。如果不能把熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，電池就有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。然而現(xiàn)階段，在電池的安全性、可靠性上，還沒有完善的解決辦法。“
除安全問題外，就增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航角度而言，三元鋰電池的單體能量密度也已接近極限，難以被突破。電池包供應(yīng)商正力蔚來常務(wù)副總裁周楠告訴第一電動(dòng)：“現(xiàn)在，無論是行業(yè)政策，還是市場(chǎng)需求，新能源汽車對(duì)動(dòng)力電池能量密度的要求都很高。在現(xiàn)有技術(shù)路線的體系下，要提高能量密度，只能提高鎳材料或者添加CA，但高鎳的熱穩(wěn)定性很差。所以，傳統(tǒng)的電池一旦能量密度提高，也意味著穩(wěn)定性的下降，電池內(nèi)部熱反應(yīng)會(huì)非常劇烈，安全就成了很大的問題。”
正因?yàn)檫@樣的原因，國家“863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組專家肖成偉曾公開表示，三元鋰離子動(dòng)力電池目前已經(jīng)看到能量密度的“天花板”了，高鎳材料、碳硅負(fù)極的鋰電池單體能量密度最高應(yīng)該在300Wh／kg左右，正負(fù)不超過20Wh／kg。
按照國家動(dòng)力電池技術(shù)路線圖的規(guī)劃，2020年鋰離子電池的單體能量密度目標(biāo)為350Wh／kg。從目前來看，這一目標(biāo)已然不能實(shí)現(xiàn)。
而為了保證動(dòng)力電池的高能量密度和安全性，固態(tài)電池研發(fā)的進(jìn)展，給這個(gè)行業(yè)帶來了光和亮。
國內(nèi)外企業(yè)爭(zhēng)相布局，固態(tài)電池成趨勢(shì)
固態(tài)電池，顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。由于固態(tài)電池電極和電解質(zhì)都由固態(tài)物質(zhì)制成，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，即使被加熱到非常高的溫度，也不會(huì)著火，因而安全性更高。搭載全固態(tài)鋰電池的汽車，自燃概率會(huì)大大降低。可以說，是下一代新能源汽車動(dòng)力電池的理想對(duì)象。
目前，越來越多的國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)將重心集中到了全固態(tài)鋰電池上，也有不少汽車廠商都透露過基于固態(tài)電池打造電動(dòng)汽車的計(jì)劃。比如，大眾曾宣布計(jì)劃研發(fā)續(xù)航1000km固態(tài)電池；豐田汽車預(yù)計(jì)2022年完成固態(tài)電池的研發(fā)工作，并計(jì)劃于2030年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；日本經(jīng)濟(jì)省更是在2017年宣布出資16億日元，聯(lián)合豐田、本田、日產(chǎn)、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學(xué)、三菱化學(xué)等國內(nèi)頂級(jí)產(chǎn)業(yè)鏈力量，共同研發(fā)固態(tài)電池，希望2030年實(shí)現(xiàn)800公里續(xù)航目標(biāo)。
國家新能源汽車重點(diǎn)科技專項(xiàng)首席專家歐陽明高院士也曾指出，國內(nèi)不少科研院所、企業(yè)布局固態(tài)電池領(lǐng)域，中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作，正在推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，計(jì)劃2019年量產(chǎn)固態(tài)電池。
作為新能源汽車的“心臟”，動(dòng)力電池?zé)o疑會(huì)決定新能源汽車的未來。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，動(dòng)力電池未來發(fā)展路徑是電解質(zhì)從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最終必將實(shí)現(xiàn)全固態(tài)的過程。這促使初創(chuàng)公司，大學(xué)和特斯拉等知名巨頭對(duì)電池技術(shù)的新一輪投資和研究。
豐田的時(shí)間表相對(duì)靠譜，固態(tài)電池量產(chǎn)可能要等到2030年
然而，固態(tài)電池想要進(jìn)一步發(fā)展，尚需解決多重難題。
周楠告訴第一電動(dòng)：“固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵，固態(tài)電池沒有液體的浸潤，同時(shí)也不需要隔膜，只用把固態(tài)電解質(zhì)當(dāng)成隔膜，放在正極極片和負(fù)極極片當(dāng)中，那么金屬物質(zhì)的材料就變得尤為關(guān)鍵。”
電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應(yīng)用案例；氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)；硫化物電導(dǎo)率最高，是未來主要方向。
不過，目前還有幾個(gè)具體難題需要克服：
一是界面的導(dǎo)電率，固態(tài)電池導(dǎo)電率要維持在在適當(dāng)?shù)乃剑荒苓^高，也不能過低，這樣的材料非常難開發(fā)。
二是沒有找到即兼顧高倍率又能快充的復(fù)合性材料，現(xiàn)在用的固態(tài)電解質(zhì)材料只能容納其中某一方面特性。
一位不愿具名的業(yè)內(nèi)人士也表達(dá)了相同的看法。他認(rèn)為：“固態(tài)電解質(zhì)具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負(fù)極材料上著手。電導(dǎo)率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰(zhàn)，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場(chǎng)新的電池革命。”
既然困難重重，固態(tài)電池在新能源汽車上的全面應(yīng)用，還有多長的路要走？
歐陽明高曾表示，預(yù)計(jì)全固態(tài)鋰電池會(huì)在2025－2030年之間取得突破。今年5月，豐田動(dòng)力總成部門的總經(jīng)理Shinzuo Abe透露：“豐田期望在2020年以后能制造出固態(tài)電池，但若要實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的量產(chǎn)，還需要等到2030年以后。”
已在電池行業(yè)深耕十幾年的周楠向第一電動(dòng)坦言：“從跟以往的經(jīng)驗(yàn)來看，豐田計(jì)劃和實(shí)際情況基本上是能達(dá)到一致的。也許在最近這幾年里，他們就能夠推出固態(tài)電池，但具體產(chǎn)能是怎么樣，成本能不能適應(yīng)市場(chǎng)，還要打一個(gè)大大的問號(hào)。”
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