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固态电池: 从“万里挑一”到“稳操胜券”

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  锂电池行业已从前沿技术深入大众生活,今年诺贝尔化学奖就授予了发明锂离子电池的3位先驱。随着新能源汽车大发展,动力电池应用规模快速扩大,从而带动了市场走强,同时也引发公众对安全的关注。基于现有材料体系和技术框架下,锂电池如何保证能量密度和安全性同步提升?未来锂电池产业会有哪些挑战?有业界人士提出,固态电池产业化步入2.0时代。

  本刊日前采访了中国科学院院士、清华大学教授南策文,他认为,固态电池产品已经进入公众视野,固态锂电池产业化是锂电池逐渐走向市场的自然选择,学界和产业界应联手推动这一进程,未来中国一定会走在这一领域的前列。

  《能源评论》:在日前披露的《新能源汽车产业发展规划(2021~2025年)》(征求意见稿中),明确提出要“加快全固态动力电池技术研发及产业化”。您对此怎么评价?

  南策文:固态电池正在得到社会各界的关注。现在不仅是研究电池的高校、机构、企业投身其中,还包括很多原来看似不相关的人士,比如金融投资机构也开始感兴趣,并慢慢进入。这意味着固态电池产业面临变革的机遇,表明固态电池技术和产业化值得期待。

  《能源评论》:锂电池产业的大发展,从根本上看还是因为市场需求日益增大,您认为主要的驱动力来自哪里?

  南策文:从市场来看,近年来锂电池的需求量非常大,有些以前我们都不太熟悉的领域,都开始需要应用锂电池。根据中国电子信息产业发展研究院发布的《锂离子电池产业发展白皮书(2019)》,2018年全球锂离子电池产业(不包括电池相关材料)规模达412亿美元,同比增长18%;按容量计算,全球规模达到200吉瓦时,同比增长25%。当然,最大的市场驱动力还是来自于电动汽车领域,这方面,中国毫无疑问是世界上增长最快、规模最大的。

  《能源评论》:随着市场规模快速增长,电动汽车用户对续航里程提出了较高要求,锂电池也出现了不少安全问题,您认为该如何解决?

  南策文:锂电池是一个复杂的复合系统、多层次复合材料或者复合体系。在技术上,需要突破的目标是多方面,包括长续航、长寿命、高安全、低成本以及快充等。

  目前关注更多是长续航和高安全。长续航需要较高的电池能量密度,我们国家的发展目标是很明确的,目前学术界和产业界的进展也非常快,现在的锂电池单体能量密度可以做到240~260瓦时/公斤;按照目前的材料体系和工艺,勉强可以做到300瓦时/公斤,但这已到了极限。如果按照原有的技术发展路线图,目前的材料体系可能就会受限制,这就需要有新的思路来解决。

  同时,安全是大家最关心的问题,但安全隐患是液态锂电池固有的问题。韩国今年已经发生很多起锂电池(储能站)起火、爆炸事故,假如锂电池总出现安全问题,就会打击消费者信心,锂电池产业也可能会受到打击。比如三星手机电池爆炸问题,就曾严重影响三星手机市场。高安全与高能量密度又是一对矛盾。

  南策文:因为用固态电解质替代锂离子电池中的电解液,可解决原来由于低闪点电解液本身引起的安全隐患,做到本质安全。另外,固态电池还有其它优点,比如:不忘初心、使用锂金属做负极,正极可以触及到高电压材料,从而提高电池能量密度;不用再担心高温储存问题,不会再有爆炸危险。总之,固态电池不仅可以显著提高能量密度和安全性,而且电池封装也会简单一些,同时可以实现电池的柔性化、异形化,可以根据不同的应用场景来设计不同的形状。

  南策文:固态电池一定要走向实用化、规模化。如果一直在纸上谈,肯定不行。一个新技术出来,在热了一段时间后,一定要慢慢往产业应用方向走,哪怕迈出一小步也可以,但不迈出去不行。目前有不少大型公司,特别是国际知名车企,都宣布要量产固态电池,并制定了各自的发展路线计划。

  南策文:在固态电池产业化过程当中,关键问题和技术是较多的。其中一个核心材料是固态电解质,因为锂电池需要固态电解质像电解液一样快速去传导锂离子,同时可以去阻断锂枝晶生成。

  南策文:现在的技术路线有几种:聚合物、氧化物和硫化物。从产业化的角度来讲,无论是氧化物还是硫化物,在这两个体系下做规模化的技术可行途径,目前还是很难、有许多挑战。现在比较容易的一条途径是无机-聚合物的复合体系,因为它集合了两者的优势,可以使离子电导率保持较高水平,而且可以做到柔性,保证高分子的加工性、柔性,特别是它可较大程度上利用现有锂离子电池制造平台,可基于现有平台,根据固态电解质引入以后所发生的变化特征,来调整相应的制造设备。要快速转向大规模产业化,可能最容易的一条路线还是无机-聚合物复合体系先试先行。

  需要注意的是,因为在复合材料体系内,优化组合的种类有很多,研究者可以选不同的材料和不同的组合,所以会有很多空间可以去做,有很多排列组合和优化组合去进行比较,但挑战也比较大。

  《能源评论》:固态电池虽好,但起步阶段价格往往很高,您认为,未来市场应如何开拓?

  南策文:现在主要还是要从典型的应用场景入手,因为固态电池要马上大规模应用,比如成为动力电池还有一段距离,因此最开始还是做特种电池,比如像军用电源、数码领域、石油、电力等行业,已经开始有应用。动力电池领域更多是在试验检测阶段,目前要解决的首要问题是安全,好消息是对现有固态电池的所有安全测试,包括针刺、冲击、挤压,甚至是枪击,都没有问题。

  南策文:目前国内有几家企业,比如清陶、锋锂、卫蓝,都在聚焦固态锂电池,全力往产业方向推进,这是非常好的现象。在推进的过程中,有问题很正常,因为只有发现问题,才能有针对性地去解决问题。实际上,产业化规模应用与实验室研究是完全两回事,我们做研究讲究的是“万里挑一”,要在一万个里面找出可能性、挑出做好的,但是产业界最需要的是“万无一失”,对产品一致性有着极高的要求,二者要求完全不一样。

  南策文:工业界对成本问题非常关注,经常来和我们沟通。在我看来,成本与规模一般是密切相关的,以清陶公司目前0.1吉瓦时的规模来计算,固态电池成本比液态电池要高2倍多。但是随着规模的增加,成本应该能降下来。大概到2022年,有了8吉瓦时量级的时候,成本可能会接近液态电池的成本。当然,即使到那时,二者的成本还是有差距,但是差距会缩小。

  南策文:尽管固态电池还有很多问题,但它有着扎实可行的技术方案,固态电池产品已经进入人们视野,是大势所趋。

  固态电池前景值得期待,在未来的产业化发展过程中,固态电池不会和液态电池去竞争、去替代,它有自身的应用场景和更新迭代的路线、产业化方向,在做研究和产业化方面,我相信我们国家还会走在前列。

本站文章于2019-11-24 00:27,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:固态电池: 从“万里挑一”到“稳操胜券”
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