鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：816次 | 2018年08月18日
鋰電池遠(yuǎn)未觸及天花板
3月1日，四部委印發(fā)《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》，對電池性能、產(chǎn)能、安全性、材料和裝備提出明確要求。面對1000億瓦時的跨越式發(fā)展圖景，產(chǎn)業(yè)界當(dāng)如何面對“層出不窮”的新技術(shù)？記者日前采訪了中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院院長南策文，他認(rèn)為，全固態(tài)鋰電池會極大提高安全性和性能，但在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之前，尚需不斷提升現(xiàn)有技術(shù)。未來，隨著新型材料的不斷發(fā)現(xiàn)，鋰電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間無限。
解決安全問題的“金鑰匙”
記者：2017年，隨著電動汽車規(guī)模的迅速擴(kuò)大，安全問題得到了空前的重視。您認(rèn)為，與傳統(tǒng)鋰電池相比，全固態(tài)鋰電池優(yōu)勢在哪里？
南策文：簡單來講，傳統(tǒng)鋰離子電池是正、負(fù)極被隔膜分開，并灌入有機(jī)電解液的結(jié)構(gòu)。電解液易滲出，特別遇到正負(fù)極短路或者過充等，將導(dǎo)致溫度快速升高，電解液蒸發(fā)分解，產(chǎn)生大量氣體，從而使電池出現(xiàn)安全問題，甚至導(dǎo)致電池燃燒爆炸。
全固態(tài)鋰電池是用全固態(tài)電解質(zhì)發(fā)揮二合一的功效，取代傳統(tǒng)電池里的隔膜和電解液，從而解決安全問題。同時，采用全固態(tài)電解質(zhì)后，可以使用金屬鋰作為負(fù)極，從而提升能量密度。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
安全問題是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，也關(guān)系電池行業(yè)生存的根本；能量密度是業(yè)界研發(fā)的一個核心，關(guān)系行業(yè)發(fā)展的前景。從解決安全問題、用現(xiàn)有的材料來提高能量密度角度來看，全固態(tài)鋰電池可預(yù)期滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，值得大力發(fā)展。
記者：基于現(xiàn)有技術(shù)，能否較好地解決安全問題？
南策文：現(xiàn)有多種技術(shù)手段用來提高鋰離子電池的安全性，例如電池管理系統(tǒng)(BMS)。但BMS是“治標(biāo)”手段，“治本”還需從電池材料本身著手。其中，采用陶瓷隔膜是提高鋰離子電池安全性的一個很好的方向。就是在隔膜的基材上，涂上一層納米陶瓷(Al2O3)顆粒涂層，增加了隔膜機(jī)械強(qiáng)度和耐熱收縮性，減少正負(fù)極直接短路的可能性，從而提高安全性。新一代陶瓷隔膜產(chǎn)品是一種納米陶瓷纖維涂覆隔膜（江蘇清陶能源生產(chǎn)），具有更好的耐熱等性能，對提高鋰離子電池安全性更有效。第二代產(chǎn)品是活性陶瓷纖維涂覆隔膜，使用陶瓷電解質(zhì)纖維，除了可以改善安全性以外，還會提升鋰離子傳導(dǎo)速率，從而提高電池倍率性能。總的思路是，先通過陶瓷隔膜，改善現(xiàn)有鋰離子電池的安全性，逐步發(fā)展到把隔膜、電解液用全固態(tài)電解質(zhì)替代，以期完全解決安全問題。
記者：這樣看來，全固態(tài)電解質(zhì)堪稱解決電池安全的“金鑰匙”，基于當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)布局、研發(fā)情況，您認(rèn)為，業(yè)界應(yīng)該選擇什么樣的發(fā)展策略？
南策文：目前法國Bolloré、美國Sakti3和日本豐田分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態(tài)電解質(zhì)的典型技術(shù)研發(fā)方向。實際上，幾種方式結(jié)合起來也是一種思路，比如把無機(jī)材料跟有機(jī)材料結(jié)合起來，總體原則是要在多個方案中間進(jìn)行嘗試。未來更可能的發(fā)展策略是慢慢過渡，逐漸減少電解液用量，例如，從20%~30%減少到5%~10%，甚至0，從半固態(tài)逐漸發(fā)展到全固態(tài)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
雖然目前全固態(tài)電池體型“遠(yuǎn)水解不了近渴”，尚無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但在此之前，業(yè)界一直在不斷改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，逐步提高現(xiàn)有電池的安全性、能量密度等問題，比如完善現(xiàn)有材料配比、改善電解液性能、電池管理系統(tǒng)（BMS）等等。
科研與產(chǎn)業(yè)化：從1%到100%
記者：對于全固態(tài)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化日程，您有何預(yù)期？
南策文：對于產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)的提法一般是到2020~2025年實現(xiàn)，也有專家提出來要爭取在五年之內(nèi)產(chǎn)業(yè)化。這個目標(biāo)需要大家共同努力，才有可能實現(xiàn)。當(dāng)然，也取決于產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，在多大程度、多大規(guī)模上實現(xiàn)。比如，據(jù)報道德國寶馬公司的目標(biāo)是到2028年，日本豐田公司并未宣布商業(yè)化日程，但是較早就在全固態(tài)電池領(lǐng)域投入力度很大，一直在鼓足勁加油干。
記者：未來，全固態(tài)鋰離子電池會應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？
南策文：全固態(tài)電池目前主要是應(yīng)用于一些特殊的行業(yè)，比如對安全性有絕對要求的特種航天、醫(yī)療等。未來在動力、儲能等領(lǐng)域具有很好的前景。
記者：全固態(tài)鋰電池作為一項新技術(shù)，不可避免會有技術(shù)不夠成熟、成本偏高等問題。對于認(rèn)為成本偏高是其產(chǎn)業(yè)化最大瓶頸的看法您如何評價？
南策文：全固態(tài)鋰電池的倍率性能整體偏低等問題，都是科學(xué)技術(shù)問題，需要慢慢解決。成本問題不是最大的瓶頸。實際上，任何新技術(shù)、新產(chǎn)品剛一開始出來，成本都較高，一旦生產(chǎn)技術(shù)成熟、產(chǎn)量上去了，成本自然而然就能下來，所以成本是工業(yè)界解決的事情，不是學(xué)術(shù)界能解決的問題。
同時，實驗室研究和產(chǎn)業(yè)化追求的目標(biāo)不一樣。做研究追求1%的可能性、可行性，可以通過不斷試錯創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)新的材料，只要存在可能性，哪怕1%也可以；產(chǎn)業(yè)界追求的是99%甚至100%的可靠性和一致性，一點(diǎn)都不能差，而且各個方面都要考慮周到，所以要把1%變成99%甚至100%，中間還需要一個轉(zhuǎn)化的橋梁和過程，需要慢慢從實驗室、中試逐漸完善，然后放大成熟，實現(xiàn)完全可控。
發(fā)展沒有“天花板”
記者：化學(xué)電池的突破，依賴材料科技的創(chuàng)新。從這個角度，您如何評價全固態(tài)鋰電池研發(fā)的方向？
南策文：和一般人理解不同，鋰離子電池和普通電子元器件不一樣，實際上是個很復(fù)雜的系統(tǒng)。比如正極、負(fù)極是多種材料復(fù)合在一起的，電解液和隔膜也可是多種的混合物。
全固態(tài)電池看似簡單，其實也很復(fù)雜。比如，液態(tài)鋰離子電池的正極層中，包含了正極活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑、電解液、粘結(jié)劑等多種成分，假如換成全固態(tài)電解質(zhì)，因為正極層中沒有電解液滲透，多種成分的配比組合問題會很復(fù)雜。做液態(tài)鋰離子電池就像我們和沙子攪水泥鋪地面，加水就可以讓石子、沙子與水泥調(diào)和，但是在全固態(tài)電池沒有液態(tài)物質(zhì)參與，如何解決固態(tài)跟固態(tài)材料的界面問題并保證有效物質(zhì)的活性，挑戰(zhàn)很大。
記者：您認(rèn)為，由磷酸鐵鋰、三元、高鎳三元再到全固態(tài)電池的技術(shù)路線，會是什么樣的演進(jìn)格局？
南策文：單體電池的能量密度要達(dá)到300瓦時/千克，在現(xiàn)有技術(shù)體系上研發(fā)新產(chǎn)品，難度也不小。一旦超過400~500瓦時/千克，則更需要新的突破。從技術(shù)上來說，演進(jìn)路線是按照時間進(jìn)行的，但不同技術(shù)水平的電池并不是你死我活的關(guān)系，可能是并存共生的格局。這意味著，并不是出現(xiàn)新一代電池后，其它電池就會完全淘汰，可能是一個逐漸交替的過程，而且也可能并存較長時間。以鉛酸電池為例，雖然其能量密度較低，污染也較大，但到目前為止，鉛酸電池并未被鋰離子電池完全取代，而且發(fā)展得也挺好。原因就在于其成本低、安全性還可以，而且較好解決了回收循環(huán)利用等問題，所以至今一直還和鋰離子電池并存。不同電池有各自不同特點(diǎn)，存在于不同的適合自身的應(yīng)用領(lǐng)域。
記者：就能量密度而言，作為排在元素周期表第3位的元素，鋰金屬電池理論上可以達(dá)到700瓦時/千克，這會是電池儲能的極限嗎？
南策文：這當(dāng)然不是極限。電池的能量密度是需要綜合考慮正極和負(fù)極材料，如果發(fā)現(xiàn)新的正極材料，比容量和電壓比三元或者現(xiàn)有材料要高出很多，電池的能量密度還要上漲。鋰電池的極限，或者天花板，至少目前從技術(shù)上還看不到。如果非要確定相對的極限，作為高出目前鋰離子電池能量密度一個多數(shù)量級的鋰空氣電池，也許可以想象為極限（理論能量密度約為3500瓦時/千克），但700瓦時/千克不是極限。
