三元鋰電池被固態(tài)電池取代的節(jié)奏正在變快.

近日,中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(rùn),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?不能過高,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(zhǎng)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ShinzuoAbe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."