固態電池搶位布局加速 產業化為時尚早
時間:2018-11-26 16:49來源:動力電池網 作者:余雪松
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今年尤其是9月以來，國內外發生了多起電動汽車起火事件，進一步引發了社會各界對動力電池安全性的擔憂。而進入10月后，固態電池各類消息甚囂塵上，來勢洶洶，似乎產業化即將實現，大有從根本上解決動力電池安全性問題的態勢。在筆者看來，固態電池現在仍處于搶位布局階段，產業化還要克服諸多難題，短時間內還難以大規模應用，尤其是在動力電池領域。
液態鋰離子電池安全問題難以根治
當前，實現產業化的鋰離子電池包括全球動力電池基本上都是液態鋰離子電池，其結構主要包括了正極材料、負極材料、隔膜和電解液。電解液主要成分為兩種：一種是有機溶劑和電解質（鋰鹽），其中現階段廣泛應用的有機溶劑為碳酸酯系列（包括環狀碳酸酯如EC、PC，和鏈狀碳酸酯如DMC、EMC）；另一種是聚合物+有機溶劑+電解質（鋰鹽），聚合物大多是小分子聚合物。
不管是哪種電解液，都是有機成分，再加上隔膜，液態鋰離子電池中易燃物比重較大。在大電流下工作液態鋰離子電池有可能出現鋰枝晶，從而刺破隔膜導致短路破壞；電解液為有機液體，在高溫下會加劇發生副反應、氧化分解、產生氣體、發生燃燒的傾向。
當液態鋰離子電池受到劇烈沖擊或者電池溫度過高的話，電解液極易燃燒，造成電池起火以及更為嚴重的安全事故。這是液態鋰離子電池安全性存在的先天不足，盡管通過電池管理系統（對于動力電池組來說就是電源管理系統）可以管理、監控電池情況，降低事故發生率，但不能從根本上避免。
經過幾十年發展，鋰離子單體電池（即一顆電芯+電池管理系統組成）以及幾個單體電池組（如筆記本電池，一般包括4-6個單體電芯+電源管理系統）安全性基本可以保障，事故率大概在千萬分之一甚至更低。但也不能保障不出問題，偶爾可見的手機電池鼓包、爆燃以及筆記本電池召回等報道充分說明了這一點。
而對于動力電池而言，由于使用了大量單體電池，除了單體電芯的安全性之外，單體電芯的一致性成為影響動力電池安全的重大難題。在鋰離子電池生產過程中，盡管自動化程度較高，但人工處理環節仍然不少，這一點在我國鋰離子電池生產企業更為顯著。
這些人工環節不一定會給單體鋰離子電池帶來安全隱患，但在一定程度上會造成單體鋰離子電池出現不一致，從而給動力電池組的電池管理帶來不確定性，增加電池管理難度，成為動力鋰電的安全埋患。
全固態鋰離子電池被視為理想電源
全固態鋰離子電池，顧名思義是使用固體電極和固體電解質的鋰離子電池。由于全固態鋰離子電池的電極和電解質都由固態物質制成，其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現象，即使被加熱到非常高的溫度，也不會著火，因而安全性更高。
全固態電池未來市場潛力巨大
搭載全固態鋰離子電池的汽車，自燃概率會大大降低。可以說，是下一代新能源汽車動力電池的理想對象。“固態電解質電池將是下一個風口，是新能源電池未來主要趨勢。相較于傳統鋰電池，固態鋰電池的差異在于電解質固態化，理論上存在一定的優勢。”北京理工大學電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術學會電動車輛專業委員會委員孫立清表示。
當前，用于固態鋰離子電池的固態電解質材料種類主要有聚合物、氧化物和硫化物三大類。相較液態鋰離子電池，全固態鋰離子電池優勢明顯：
一是能量密度更高。全固態鋰離子電池可以解決許多新型高性能電極材料與現有的電解液體系的兼容性問題，使用金屬鋰來做負極取代石墨負極，可明顯減輕負極材料重量，顯著提高電池單體能量密度。在相同能量下，用固態電解質取代電解液和薄膜，全固態鋰離子電池更薄且體積更小，這也有助于提高電池單體能量密度。
二是安全性顯著提高。全固態鋰離子電池以無機固體電解質替代有機電解液，不再需要隔膜，就不存在電池溫度升高造成有機物分解燃燒問題，也不會有枝晶刺破隔膜造成短路的現象，從根本上解決了液態鋰離子電池的安全問題。
三是大大方便了電動汽車使用。由于全固態鋰離子電池中沒有電解液，運輸、保存將會變得更加容易，在電動汽車等大型設備上使用時，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等部件，不僅節約了成本，還能有效減輕電池系統自身重量。
國內外企業爭相布局
日前，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所牽頭承擔的納米先導專項“全固態電池”課題日前通過驗收，主要開發了一系列高性能固態電解質材料、基于原位固態化的混合固液電解質電芯以及全固態鋰電池單體，突破了從材料研發到電池集成的相關技術。
贛鋒鋰業宣布進入固態電池領域
在納米先導專項“全固態電池”課題基礎上，江西贛鋒鋰業股份有限公司在寧波投資5億元人民幣，籌建億瓦時固態動力鋰電池生產線，開展第一代產品在新能源汽車用戶的推廣和市場投放。
這只是近些年來全固態鋰離子電池產業化推進的一個縮影。目前，全球多個國家都在布局全固態電池技術研發，力爭在未來鋰電池市場競爭中搶得先機其中。越來越多的國內外企業和研究機構將重心集中到了全固態鋰離子電池上，也有不少汽車廠商都透露過基于全固態鋰離子電池打造電動汽車的計劃。
比如，大眾曾宣布計劃研發續航1000km固態電池；豐田汽車預計2022年完成固態電池的研發工作，并計劃于2030年實現量產；日本經濟省更是在2017年宣布出資16億日元，聯合豐田、本田、日產、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學、三菱化學等國內頂級產業鏈力量，共同研發固態電池，希望2030年實現800公里續航目標。
豐田固態電池進展迅速
三星、蘋果、戴森、奔馳等產業巨頭也紛紛布局涉足全固態鋰離子電池研發；寶馬電池合作伙伴同時也是主打全固態鋰離子電池的Solid Power近期獲得2000萬美金融資；今年早些時候Fisker發布了一項全新的固態電池技術，近期又宣稱與Caterpillar Ventures正式攜手合作，主要將合力研發固態電池。
國內眾多科研院所以及骨干企業也在積極布局。中科院上海硅酸鹽研究所、中科院大連化學物理研究所、清華大學、中科院物理所、武漢大學、華中科技大學等單位都在加快全固態電池研究，均取得了一定進展。中科院物理所與北京衛藍新能源科技有限公司合作，在江蘇溧陽成立了江蘇衛藍新能源電池有限公司，正在建設電池中試線。
眾多難題尚需克服
然而，全固態鋰離子電池想要實現產業化，尚需解決多重難題：一是需要突破高性能固態電解質。電解質材料是全固態鋰離子電池技術的核心，其性能決定了電池性能。
目前固態電解質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，已經有商業化的應用案例；氧化物循環性能良好，適用于薄膜柔性結構；硫化物電導率最高，是未來主要方向。
但聚合物耐溫性不夠，穩定性較差、離子電導性偏低。氧化物抗阻能力比價強，但離子電導性也無法達到要求。硫化物雖然電導性不錯，又由于材料穩定性不佳，導致離子傳輸性能欠缺。
整體來看，固態電解質材料研發需要突破以下幾點：鋰離子導電率要維持在在適當的水平，不能過高，也不能過低；電解質內阻要小；電解質材料穩定性要高；滿足高倍率、快充等要求。
二是需要突破全固態電池制造技術。鋰離子電池制造是個系統工作，雖然個頭不大，但需要解決多方面的問題，包括電池體系設計、正負極材料與固態電解質的界面相容性、長期循環過程中的體積效應、電池穩定性和安全性等。尤其是在電池穩定性和安全性，實驗室測試是一方面，真正考驗還需要在長期使用過程中，這需要較長周期。
另外，固態電池生產技術不能采用已經十分成熟的液態電池制造技術，需要大家重新摸索，而且還需要實現電池制備效率、電池性能、一致性等要求，難度不小。盡管目前已經固態鋰離子電池開始問世，但這些都還是實驗室或者中試產品，離產業化還有較大距離。
固態電池市場化尚需時日
三是需要突破規模化生產技術。液態鋰離子電池能夠占據消費電子產品、電動汽車等應用市場的主導地位，除了性能優越之外，成本優勢不可或缺，其中規模化生產技術發揮了巨大作用。
液體鋰離子電池產業化到現在將近30年，其規模化生產技術已經非常成熟，但成本仍需進一步下降，以滿足電動汽車需求。全固態電池要想在市場上站穩腳跟，需要盡快突破規模化生產技術，加快普及速度，顯著降低生產成本，下游市場才有可能接受。
綜合來看，安全性高、能力密度潛力大的固態電池必然是下一代電池的發展方向，但產業化還為時尚早。國家新能源汽車重點科技專項首席專家歐陽明高院士曾表示，預計全固態鋰離子電池會在2025－2030年之間取得突破。
今年5月，豐田動力總成部門的總經理Shinzuo Abe透露：“豐田期望在2020年以后能制造出固態電池，但若要實現固態電池的量產，還需要等到2030年以后”。
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