中科院院士歐陽明高：跨越創(chuàng)新周期 迎接國際新一輪動力電池技術(shù)之爭
時間:2024-01-27 07:44來源:中國經(jīng)營報 作者:尹麗梅 童海華
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在汽車產(chǎn)業(yè)鏈領域，被業(yè)內(nèi)公認為“下一代電池技術(shù)”的固態(tài)電池，因具有更高的安全性、更長的循環(huán)壽命、更高的能量密度、高功率特性以及更強的溫度適應性等優(yōu)點，正在快速“升溫”，形成多方競逐博弈的趨勢。
“現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成共識，全固態(tài)電池是公認的下一代電池的首選方案之一，被列入中國、美國、日韓等主要國家的發(fā)展戰(zhàn)略，成為下一代電池技術(shù)競爭的關鍵制高點。”近日，在中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇舉行期間，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高在接受《中國經(jīng)營報》等媒體記者專訪時表示，全固態(tài)電池有可能在2030年左右實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
在目前主流的液態(tài)鋰電池體系中，我國在全球動力電池產(chǎn)業(yè)版圖上占據(jù)舉足輕重的地位，全球排名前十的動力電池企業(yè)有六家來自中國。美國、歐盟、日韓等國家和地區(qū)想要爭奪對動力電池的話語權(quán)，意圖從全固態(tài)電池切口進入，實現(xiàn)換道超車。其中，日本更是舉全國之力推動全固態(tài)電池的商業(yè)化，已形成官-產(chǎn)-學聯(lián)盟，豐田、本田、日產(chǎn)汽車等日系車企已在全固態(tài)電池方面進行深度布局。
相較于日韓等企業(yè)在全固態(tài)電池領域的深耕積淀，我國進入固態(tài)電池賽道的時間更晚，而且主要是以科研機構(gòu)和院校為支撐，產(chǎn)業(yè)化的進程更慢。
歐陽明高認為，目前動力電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迎來新一輪材料創(chuàng)新周期，我國需要跨越創(chuàng)新周期，迎接國際新一輪動力電池技術(shù)之爭。
風口上的全固態(tài)電池：鮮花與荊棘并存
現(xiàn)階段，行業(yè)內(nèi)正在大規(guī)模運用的動力電池為液態(tài)鋰離子電池，它存在一定的熱失控風險，有著里程焦慮，并且已接近能量密度上限，因此行業(yè)希望構(gòu)建新一代動力電池。全固態(tài)電池被認為是滿足要求最好的選擇之一，是未來鋰電的理想形態(tài)。
液態(tài)鋰離子電池主要由正極、負極、電解液和隔膜組成。在固態(tài)電池中，固態(tài)電解質(zhì)替代了電解液。固態(tài)電解質(zhì)是實現(xiàn)高安全性、能量密度、循環(huán)壽命性能的關鍵。
固態(tài)電池并不是一個新事物，早在2008年左右，便已有汽車領域內(nèi)的企業(yè)著手對全固態(tài)電池進行研發(fā)。
若按照電解質(zhì)形態(tài)來劃分，動力電池主要可分為液態(tài)電池、半固態(tài)電池以及全固態(tài)電池。在全球范圍內(nèi)，下一代電池技術(shù)的競爭制高點主要集中在全固態(tài)電池技術(shù)領域，其中硫化物電解質(zhì)占據(jù)重要地位。
“近10年來，以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為代表的新型固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展迅猛，離子電導率趕上甚至超過液態(tài)電解質(zhì)，推動固態(tài)電池研發(fā)進入新一輪熱潮。”歐陽明高說道。
安全被認為全固態(tài)電池最主要的優(yōu)勢。歐陽明高認為，全固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的性能潛力，具備高安全性。“液態(tài)與固態(tài)電解質(zhì)的差別在于，硫化物固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性可以保持到300℃，而液態(tài)電解質(zhì)達到100℃就會蒸發(fā)，因此全固態(tài)電池增加了200℃的安全空間，使得動力電池在正常的工作環(huán)境中有著更高的安全保障。”
此外，全固態(tài)電池在充電速度、溫度適應性等方面亦表現(xiàn)突出。
“當前，主流的液態(tài)鋰離子電池的離子傳導模式為運載模式，需要經(jīng)過溶劑化、脫溶劑化等流程，通俗來講就是離子在液態(tài)電解質(zhì)中移動需要‘坐船’。然而，鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)中是跳躍模式，它的傳遞速率更高，這就使其充電速度可以大幅度提高，這就是它的高功率特性。”歐陽明高表示，全固態(tài)電池具備的快充特性與當前行業(yè)內(nèi)所提及的快充并不相同，目前電動汽車充電速度如果太快就會發(fā)生“析鋰”現(xiàn)象，但全固態(tài)電池有望解決這一問題。
在歐陽明高看來，全固態(tài)電池還具有較強的溫度適應性。“現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池在低溫環(huán)境下的續(xù)航里程不理想，因為液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導率和溫度直接相關。然而，全固態(tài)電池的電解質(zhì)在-30℃和100℃的范圍內(nèi)都不會凝固和氣化，所以有著很好的溫度適應性，不需要進行很復雜的熱管理，也不會因為冬季氣溫低其容量就大幅下降。”
綜合種種優(yōu)勢，歐陽明高認為，全固態(tài)電池是動力電池的重要發(fā)展方向之一。
不過，“理想很豐滿，現(xiàn)實卻很骨感”，全固態(tài)電池發(fā)展前景廣闊。但在產(chǎn)業(yè)化方面，全固態(tài)電池還有許多問題沒有解決，距離量產(chǎn)仍需要很長時間。
記者注意到，目前在行業(yè)內(nèi)企業(yè)公布的全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)路線圖中，產(chǎn)業(yè)化時間基本上集中在2027—2030年。
歐陽明高認為，衡量全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的標準應當是這類電池的市場份額至少達到1%。“就算全固態(tài)電池在2030年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，它要想替代液態(tài)鋰離子電池50%的市場份額也需要20—30年時間。不過，我們要看到，電動車現(xiàn)在也就只替代了（燃油車）30%的市場份額，其他國家就已經(jīng)驚呼中國品牌的車要領先了。這說明，市場份額不需要達到50%，達到1%就已經(jīng)是一種預警了。對于汽車技術(shù)而言，1%是很重要的市場份額，全固態(tài)電池（對原有電池技術(shù)）替代1%就已經(jīng)具有突破性意義。”
呼吁警惕“顛覆性風險”
全固態(tài)電池發(fā)展前景廣闊，圍繞著全固態(tài)電池技術(shù)的商業(yè)化落地，一場全球化競爭已不可避免。
“中國要不要發(fā)展全固態(tài)電池？中國是目前液態(tài)鋰離子電池的領先國家，好像也不用擔心。但是，需要注意的是，現(xiàn)在我們已經(jīng)走到了新一輪材料創(chuàng)新周期。”歐陽明高認為，我國動力電池產(chǎn)業(yè)面臨國內(nèi)外競爭加劇的現(xiàn)狀，需要居安思危，向低碳化、智能化、固態(tài)化方向發(fā)展。
在歐陽明高看來，中國全固態(tài)電池的研發(fā)目前來看存在認識還不統(tǒng)一、力量比較分散、產(chǎn)學研不協(xié)調(diào)等問題，需要聯(lián)合起來建立協(xié)同創(chuàng)新平臺，共同突破全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的關鍵技術(shù)。
與此同時，中國發(fā)展全固態(tài)電池還面臨產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)。“中國擁有全球最強大的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈，如果我們現(xiàn)在發(fā)力全固態(tài)電池將面臨以下情況：從原料及基材生產(chǎn)、電芯及電池包裝配、電池生產(chǎn)應用到電池回收，全固態(tài)電池將對現(xiàn)有電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈造成巨大沖擊。”歐陽明高說道。
全固態(tài)電池技術(shù)有不同技術(shù)路線，且各有利弊，國際上多以硫化物全固態(tài)電池為主要技術(shù)路線。而在中國，當前固態(tài)電池技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，半固態(tài)電池、全固態(tài)電池均有布局，發(fā)展重點是半固態(tài)（固/液混合）電池。
“我國對固/液混合電池布局早，產(chǎn)業(yè)鏈完整，各企業(yè)正在嘗試裝車。”歐陽明高強調(diào)，從行業(yè)全局看，我們既要發(fā)展?jié)u近性半固態(tài)技術(shù)路線，又要防范激進型全固態(tài)技術(shù)路線帶來的顛覆性風險。
歐陽明高認為，目前全固態(tài)電池國內(nèi)外專利布局差距較大，我國急需加強研發(fā)力度。“現(xiàn)階段，日本企業(yè)專利布局領先，全固態(tài)電池專利申請前5名企業(yè)有4家日本企業(yè)和1家韓國企業(yè)，豐田排名第一，申請專利1000項以上。我國近5年專利布局加速，各家企業(yè)在全固態(tài)電池方面開始加大投入，但與領先企業(yè)相比仍有較大差距，需要加大力度。”
記者注意到，中國電動汽車百人會理事長陳清泰在同一場論壇上談到，10多年來，我國在新能源汽車領域一直處于全球領先地位，其中一個重要的原因是，我國儲能電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面處于領先地位。換言之，沒有電池方面的領先地位就不可能有新能源汽車的領先地位。
歐陽明高認為，未來我國的動力電池產(chǎn)業(yè)既需要低成本產(chǎn)品，又需要高比能產(chǎn)品，需要兩頭發(fā)力。在高比能電池方面，他認為2030年左右全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化突破的可能性極大，行業(yè)各方應全力以赴，共同推動中國電池產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，形成持續(xù)引領全球電池行業(yè)之勢。
“面對未來，我們既不要過于焦慮，也不要過于樂觀，我們需要用科學嚴謹?shù)膽B(tài)度去對待全固態(tài)電池。具體而言，我們首先要做的是廣泛地進行交流。其次，要多做一些基礎的研究，積聚產(chǎn)學研的力量共同來推動，聯(lián)合起來就能形成一股力量。最后，我們要加強產(chǎn)業(yè)協(xié)作。現(xiàn)階段，要發(fā)展全固態(tài)電池，就意味著我們的產(chǎn)業(yè)鏈需要重新建設，很多設備、工藝、裝備以及供應鏈需要花時間重新‘搭建’，這個建立的過程需要產(chǎn)業(yè)協(xié)同，這樣的協(xié)同對大家都是有利的。”歐陽明高說道。
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