鉅大LARGE | 點擊量：1211次 | 2021年05月14日
固態(tài)電池并非真的安全
對現(xiàn)有的動力鋰電池來說，問題還是比較多，尤其是能量密度提高的問題，重要的問題我們認為是兩點，一個是隨著能量密度的提高，尤其到三百瓦時每公斤、四百瓦時每公斤、五百瓦時每公斤，這些都是為解決續(xù)駛里程供應(yīng)了一個思路。這也就是這樣一個對應(yīng)關(guān)系，歷程程的焦慮，通過能量密度的提升能夠解決。但是另外又出現(xiàn)一個問題，隨著能量密度的提高，安全問題凸顯，安全的焦慮，這是第二個大的問題。17年、18年，我們認為純電動汽車推進比較成功的特斯拉是陸續(xù)發(fā)生了多起的比較嚴重的安全事故。這是安全的一個焦慮。
在解決能量密度問題上，現(xiàn)在傳統(tǒng)的鋰離子電池重要是通過材料的優(yōu)化，包括正極的高鎳，乃至剛才一些老師介紹的富鋰，硅碳的復(fù)合材料體系，通過隔膜上一些思路，包括材料的攙雜、電解液的改性，以及自身工藝的優(yōu)化，還有等等其他一些方面。通過這樣一些思路，現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)電芯單體三百瓦時每公斤的現(xiàn)狀，軟包電池，但是整個電池大家公開的數(shù)據(jù)來講，三百瓦時每公斤的電池安全性應(yīng)該是沒有得到完全解決。雖然能量密度解決了，安全問題又凸顯了。
怎么解決安全的問題？現(xiàn)在一些思路對傳統(tǒng)的鋰離子電池，重要通過電解液的添加，隔膜涂附的優(yōu)化、正極材料的一些思路。我們認為要真正解決安全問題的話，可能本身的思路還是通過實現(xiàn)全固態(tài)電化學儲能器件這樣一個思路。這是我們?yōu)楹我龉虘B(tài)電池這么一個動力，通過電池構(gòu)件的優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)高安全、高能量密度的固態(tài)電池技術(shù)有可能形成未來電池以及儲能電池一個重要的發(fā)展趨勢。但是我發(fā)現(xiàn)這兩年好像對固態(tài)電池又有點妖魔化，我們認為固態(tài)電池它其實不是一個技術(shù)上完全的革新，它也就是現(xiàn)有鋰離子傳統(tǒng)電池一個技術(shù)路徑的延伸。通過對現(xiàn)有的隔膜或者電解液，通過一個能夠傳導鋰離子固態(tài)電解質(zhì)材料的取代，以實現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)的變化。在正極或者負極材料上，跟現(xiàn)有的鋰離子電池還是有比較多的兼容性。同時他們工作原理幾乎是完全一致的，所以我們認為它只是在技術(shù)路線上說，為了解決現(xiàn)有高比能電池的一些問題，而延伸出來的一個路線。
現(xiàn)在我們梳理下來，在全世界范圍內(nèi)，我們認為尤其像美國一些初創(chuàng)公司，但是作為引領(lǐng)，像日本的豐田公司以及現(xiàn)有的韓國三星，他們已經(jīng)起到了一個引領(lǐng)的用途。前兩年大家比較火的像美國的公司，前些年做的還是不錯的。但是現(xiàn)在很可惜的，像博世收購了Sell（音）之后，現(xiàn)在要出售這樣一個公司，而且收購了S-akit3之后，也放棄了這樣一個路線。我們我國前期重要以科研院所，包括一些大學在推進這個技術(shù)的研發(fā)。在公司方面，現(xiàn)在重要包括像北京蔚來是跟物理所合作，贛鋒鋰業(yè)重要跟寧波材料所合作，像一些公司，臺灣（硅能、氫淘音）進行一些投入，引起廣泛的關(guān)注，這是我們了解到的一些信息，公開的一些信息。
大家都在講固態(tài)電池這么一個思路，說固態(tài)電池是安全的，實際上固態(tài)電池到底有多安全或者怎么一個安全法？現(xiàn)在沒有一個系統(tǒng)的報道。，我們收集了一些情況，做了一些工作。首先在日本他們做了固態(tài)電池的測試，通過一些極限的測試，比如在火上進行燒或者進行加熱的話，發(fā)現(xiàn)它相對是要比傳統(tǒng)的鋰離子電池安全一些。同時，我們原來在寧波材料所做了一些全固態(tài)電池的器件，對它進行一系列的測試，在早期，包括它的彎折，火上能夠加熱，都能體現(xiàn)出一定的安全特性。但是也不是所有的安全，我們也做過一些全固態(tài)電池，比如硫化物，它在某些工況條件下也是不安全的，燒起來也是比較厲害。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我們通過和贛鋒鋰業(yè)的合作，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化之后，我們做出半固態(tài)電池或者叫固液混合的電池，通過現(xiàn)有的鋰離子電池系統(tǒng)的測試，包括各種像針刺、擠壓、過充、過放、加熱、存儲等等，通過與天津的汽車技術(shù)研究中心的合作，一起做了一些測試。發(fā)現(xiàn)它的安全性相對現(xiàn)有的相同體系的傳統(tǒng)鋰離子電池，它的安全特性有一定的提升。但是也在一些極限條件下，也會發(fā)生一些失控狀態(tài)的。通過這些數(shù)據(jù)，我們能夠得到一個初步的結(jié)論，通過固態(tài)化這么一個技術(shù)路線，是能夠解決或者部分解決現(xiàn)有的高比能動力鋰電池安全問題。這是我個人的看法，供大家參考。
接下來，我講一下整個全固態(tài)電池或者固液混合的路線，發(fā)展的歷程。全固態(tài)電池很早就出現(xiàn)了，上世紀70年代，它是作為一個薄膜電池，應(yīng)用于特殊領(lǐng)域，包括微電子器械或者特種航天這些小型器件。作為薄膜器件，已經(jīng)實現(xiàn)商品化了，尤其一個成功的應(yīng)用案例在心臟起搏器上的應(yīng)用，而且美國、日本現(xiàn)在都在投入比較大的精力在進行發(fā)展。再一個就是我剛才講的S-akit3這么一個公司，是把面積擴大這樣一個思路，而且也實現(xiàn)了某些特性，尤其像體積能量密度的提升。但是后面要做到一個很大的單體容量，還是有些難度，所以用在電力上可能是有一些限制。
第二個，就是在豐田這一塊，我們現(xiàn)在了解下來，確實它確確實實投入了近20多年的研發(fā)，集聚了整個日本國內(nèi)的支持，在這塊確實在做。但是他們反映下來，尤其在規(guī)模的量化制備上還是遇到比較多的瓶頸，近兩年的進展稍微少一些。
我們國內(nèi)科技部老早就已經(jīng)有這樣的布局，其實在國家戰(zhàn)略設(shè)計上，我們和國外相比是不落后的。只是我們有些方面前期可能有些鋰離子電池的技術(shù)進展比較大，大家的投入比較多，不同階段，大家關(guān)注點不相同。
近兩年，我們認為可能在基于硫化物或者剛才跟豐田的技術(shù)路線比較接近的路線上，三星是投入比較大的，而且這兩年進展是比較突出的。今年三星所公布的最新數(shù)據(jù)反映，基于硫化物固體電池的全固態(tài)鋰離子電池，它們的體積能量密度能做到921瓦時每升，重量能量密度能夠做到427瓦時每公斤，這個在技術(shù)指標上還是體現(xiàn)出了基于金屬鋰為負極，硫化物為固體電解質(zhì)這么一個技術(shù)路線技術(shù)指標上的優(yōu)勢。而且三星是集聚整個公司比較大的財力，現(xiàn)在對世界范圍內(nèi)相關(guān)的全固態(tài)電池的標的都進行了投資、入股、技術(shù)跟蹤，這一塊我們相信他們的定位還是比較明確的，對這塊技術(shù)他是比較認可，而且進展確實比較快。
對歐洲來說，在全固態(tài)電池上有一個成功實現(xiàn)商業(yè)化的案例，法國的奧托利公司做的這個車現(xiàn)有保有量達到了將近四千輛，他用磷酸鐵鋰為正極，金屬鋰為負極，用有機的POG為電解質(zhì)。但這個電池有一個比較大的問題，未來的能量密度提升還是有一定瓶頸，因為它整個正極只能磷酸鐵鋰，假如不能導入新的正極，未來整個發(fā)展可能還是受限的。但是它至少驗證了，以金屬鋰為負極，整個全固態(tài)電池能夠超過兩千次的循環(huán)，這樣一個數(shù)據(jù)我們也是清楚看到了。
這是我介紹的整個全固態(tài)電池現(xiàn)在世界范圍內(nèi)整個的進展，我們所收集到的一些不太全面的數(shù)據(jù)，供大家參考。
接下來介紹，首先給大家介紹這個概念，全固態(tài)電池我們認為它是一個在概念上來說，是整個電池不光是構(gòu)件，在工況條件下，工作條件下，也是一個固態(tài)狀態(tài)的電池體系。我們結(jié)合這樣一個特點，我們認為現(xiàn)有的動力鋰電池或者鋰離子電池以電解質(zhì)的特點來區(qū)分，簡單來說分為三種。一個是傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池，第二是混合固液電解質(zhì)的鋰離子電池，包括像半固態(tài)、準固態(tài)，我不懂什么叫類固態(tài)，還有全固態(tài)，全固態(tài)里面負極可以用金屬鋰，可以用碳或者硅碳。就我個人來說，凝膠電解質(zhì)這么一個狀態(tài)和固態(tài)是沒有關(guān)系的，這個觀點供大家參考一下。
基于這樣一個劃分，我們接下來想跟大家分享的就是圍繞這兩個技術(shù)，包括固液混合，包括全固態(tài)的一些結(jié)果分享一下。整個歷程，固態(tài)電池或者全固態(tài)電池雖然是一個技術(shù)路線的拓展，但是就我們整個團隊來說，我們覺得還是比較難的。我們走了將近16年的歷程，包括我們開始階段的固態(tài)電解質(zhì)，到跟日本豐田的合作，做不同電解質(zhì)體系，以至于到我回國建立中科院寧波材料所固態(tài)電池團隊，到現(xiàn)階段我們和贛鋒的合作，這些年我們在氧氧化物電解質(zhì)百萬級的產(chǎn)線實現(xiàn)上，要做固態(tài)電池，首先要做電解質(zhì)，以至于固態(tài)隔膜的實現(xiàn)，整個發(fā)展跟傳統(tǒng)電池是有些不相同的，它的隔膜不能用傳統(tǒng)的隔膜。然后再到產(chǎn)業(yè)化，以至于到電池體系的實現(xiàn)，是一步一步走過來的，還是經(jīng)歷了一個比較漫長的過程。
我們近些年的進展稍微快一點，得益于早期在寧波材料所比較好的一個基礎(chǔ)，這也是國家項目的支持，是這樣一個狀態(tài)。近兩年贛鋒鋰業(yè)在這一塊投資將近一個億來進行整個工程化的推進。我們做的過程也是從最新的全固態(tài)開始做起的，比如用固態(tài)的隔膜，用金屬鋰為負極，用不同的正極來做，我們實現(xiàn)全固態(tài)電池，比如一千次的循環(huán)，容量能保持98%，同時實現(xiàn)了高電壓的正極，比如磷酸錳鐵鋰、三元等等都可以做，而且安全性都是很好的，我們也做了很多安全，針刺把它刺過去放在那兒，電壓變了之后，再拔出來，再看恢復(fù)這樣一些過程。但是整個電池它的缺點，它的能量密度比較低的。重要的原因在于我們整個全固態(tài)電池能量密度，即使用了金屬鋰為負極，也只能達到120瓦時每公斤，根本沒法應(yīng)用于動力。重要的原因在于我們整個全固態(tài)電池的隔膜太厚，要達到200微米，而且它是致密的膜，它的重量比較大。你要提高全固態(tài)電池的能量密度，一個最重要的方向就是把隔膜減薄，我們的目標是做到25微米，跟現(xiàn)有的動力鋰電池隔膜厚度能夠兼容。
那么問題就來了，你從300微米到最后的25微米是能夠做出來。但是你的整個對固態(tài)電解質(zhì)來說，它的電導率不是由體相來決定的，我們這樣一個變化之后，會導致隔膜導電率降了兩個數(shù)量級，我假如直接用，可以實現(xiàn)全固態(tài)電池，它整個極化和能量密度的發(fā)揮和正極能量發(fā)揮還是受比較大限制的。為了降低整個極化，實現(xiàn)未來整個自動化的制造，我們要一個固液這么一個思路來實現(xiàn)它。我們的工作也初步驗證了這一點，確實是有效的。這就是我們從全固態(tài)走到了混合固液這么一個發(fā)展的過程，是不得已而為之的狀態(tài)。但是也算是一個意外的收獲，通過這樣一個實現(xiàn)之后，我們終于能夠?qū)崿F(xiàn)批次比較穩(wěn)定的，單體容量比較一致性或者高效的，而且與現(xiàn)有的軟包碟片技術(shù)路線整個自動化制備這樣一個工藝流程能夠?qū)崿F(xiàn)80%以上的兼容性這樣一個過程的狀態(tài)，所以我們現(xiàn)在做出來的早期以三元為正極，碳為負極的材料路線的選擇，這樣一個混合固液，我們小容量12個安時，以及大容量40個安時，這樣一個能量密度，都能夠?qū)崿F(xiàn)功率達到240瓦時每公斤，容量能夠260瓦時每公斤這么一個狀態(tài)。這個數(shù)據(jù)我就不跟大家來分享了，剛才在前面已經(jīng)講過了。
循環(huán)下來，整個循環(huán)性能還是不錯的，能夠與現(xiàn)有的傳統(tǒng)鋰離子電池進行一個媲美。我們在產(chǎn)業(yè)化推進上面，我們只是希望做到電芯這么一個過程，電芯做好之后，后一期現(xiàn)有很多產(chǎn)業(yè)鏈，只要你再做跟軟包相關(guān)的一些產(chǎn)業(yè)鏈上的，都能夠跟我們兼容或者能夠完全把技術(shù)導入這樣一些思路，存儲以及到車上的應(yīng)用。這是我們在固液混合上面做的一些工作，當然現(xiàn)在積極跟相關(guān)的一些主機廠進行對接。
我們在下一代技術(shù)上，我們在積極推進。時間關(guān)系，不跟大家講的特別詳細。我們在大容量全固態(tài)鋰離子電池上開發(fā)的話，也是基于我們自己做出來這樣一個硫化物無機跟有機的復(fù)合隔膜，實現(xiàn)了用金屬鋰為負極，可以用三元523或者628為正極的全固態(tài)電池的研發(fā)，我們兩安時的設(shè)計，能實現(xiàn)接近2.2安時的放電容量，我們現(xiàn)在測算能夠達到360瓦時每公斤，我們定位為350瓦時每公斤。現(xiàn)在這個電池能夠?qū)崿F(xiàn)200多次的循環(huán)，后期我們重要還是在推進一些系列的測試，它的安全性能怎么樣，實現(xiàn)機制在哪里，它的循環(huán)性能進一步提升，在推進一些工作。當然我們也希望跟國內(nèi)相關(guān)的像艾老師，武漢大學，像其他一些團隊的合作。
最后講幾點我自己的觀點：
第一，基于氧化物固態(tài)隔膜的混合固液電解質(zhì)鋰離子電池可以兼顧較高能量密度的安全特性，現(xiàn)在已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，而且這個技術(shù)在國內(nèi)很多專利還都是國內(nèi)的自主知識產(chǎn)權(quán)。但是其規(guī)模化的推廣還是要國家政策的支持。
另外，發(fā)展全固態(tài)電池金屬鋰為負極的話，有機無機復(fù)合的固態(tài)柔性膜應(yīng)該是一個比較核心的材料，而且無機硫化物電解質(zhì)在這一塊應(yīng)該有一個比較好的應(yīng)用。
同時，我們認為未來金屬鋰的應(yīng)用，假如大家不是要追求極限的能量密度，要追求能量密度較高，四百左右，但是壽命比較長的話，可能金屬鋰負極是不是走這樣一個鋰基復(fù)合，像硅和碳的復(fù)合思路，這一塊我們也在跟一些科研院所合作。我們認為這個組合有可能實現(xiàn)全固態(tài)電池器件高能量密度和長循環(huán)壽命。但是對全固態(tài)電池來講，我們認為整個電池規(guī)?；苽溲b備是亟待突破的，國內(nèi)在這一塊還是有所欠缺的，這一塊我相信對很多設(shè)備公司是一個機遇。
