鉅大LARGE | 點擊量：1210次 | 2021年05月14日
固態電池并非真的安全
對現有的動力鋰電池來說，問題還是比較多，尤其是能量密度提高的問題，重要的問題我們認為是兩點，一個是隨著能量密度的提高，尤其到三百瓦時每公斤、四百瓦時每公斤、五百瓦時每公斤，這些都是為解決續駛里程供應了一個思路。這也就是這樣一個對應關系，歷程程的焦慮，通過能量密度的提升能夠解決。但是另外又出現一個問題，隨著能量密度的提高，安全問題凸顯，安全的焦慮，這是第二個大的問題。17年、18年，我們認為純電動汽車推進比較成功的特斯拉是陸續發生了多起的比較嚴重的安全事故。這是安全的一個焦慮。
在解決能量密度問題上，現在傳統的鋰離子電池重要是通過材料的優化，包括正極的高鎳，乃至剛才一些老師介紹的富鋰，硅碳的復合材料體系，通過隔膜上一些思路，包括材料的攙雜、電解液的改性，以及自身工藝的優化，還有等等其他一些方面。通過這樣一些思路，現在能夠實現電芯單體三百瓦時每公斤的現狀，軟包電池，但是整個電池大家公開的數據來講，三百瓦時每公斤的電池安全性應該是沒有得到完全解決。雖然能量密度解決了，安全問題又凸顯了。
怎么解決安全的問題？現在一些思路對傳統的鋰離子電池，重要通過電解液的添加，隔膜涂附的優化、正極材料的一些思路。我們認為要真正解決安全問題的話，可能本身的思路還是通過實現全固態電化學儲能器件這樣一個思路。這是我們為何要做固態電池這么一個動力，通過電池構件的優化，我們發現高安全、高能量密度的固態電池技術有可能形成未來電池以及儲能電池一個重要的發展趨勢。但是我發現這兩年好像對固態電池又有點妖魔化，我們認為固態電池它其實不是一個技術上完全的革新，它也就是現有鋰離子傳統電池一個技術路徑的延伸。通過對現有的隔膜或者電解液，通過一個能夠傳導鋰離子固態電解質材料的取代，以實現電池結構的變化。在正極或者負極材料上，跟現有的鋰離子電池還是有比較多的兼容性。同時他們工作原理幾乎是完全一致的，所以我們認為它只是在技術路線上說，為了解決現有高比能電池的一些問題，而延伸出來的一個路線。
現在我們梳理下來，在全世界范圍內，我們認為尤其像美國一些初創公司，但是作為引領，像日本的豐田公司以及現有的韓國三星，他們已經起到了一個引領的用途。前兩年大家比較火的像美國的公司，前些年做的還是不錯的。但是現在很可惜的，像博世收購了Sell（音）之后，現在要出售這樣一個公司，而且收購了S-akit3之后，也放棄了這樣一個路線。我們我國前期重要以科研院所，包括一些大學在推進這個技術的研發。在公司方面，現在重要包括像北京蔚來是跟物理所合作，贛鋒鋰業重要跟寧波材料所合作，像一些公司，臺灣（硅能、氫淘音）進行一些投入，引起廣泛的關注，這是我們了解到的一些信息，公開的一些信息。
大家都在講固態電池這么一個思路，說固態電池是安全的，實際上固態電池到底有多安全或者怎么一個安全法？現在沒有一個系統的報道。，我們收集了一些情況，做了一些工作。首先在日本他們做了固態電池的測試，通過一些極限的測試，比如在火上進行燒或者進行加熱的話，發現它相對是要比傳統的鋰離子電池安全一些。同時，我們原來在寧波材料所做了一些全固態電池的器件，對它進行一系列的測試，在早期，包括它的彎折，火上能夠加熱，都能體現出一定的安全特性。但是也不是所有的安全，我們也做過一些全固態電池，比如硫化物，它在某些工況條件下也是不安全的，燒起來也是比較厲害。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
我們通過和贛鋒鋰業的合作，固態電池產業化之后，我們做出半固態電池或者叫固液混合的電池，通過現有的鋰離子電池系統的測試，包括各種像針刺、擠壓、過充、過放、加熱、存儲等等，通過與天津的汽車技術研究中心的合作，一起做了一些測試。發現它的安全性相對現有的相同體系的傳統鋰離子電池，它的安全特性有一定的提升。但是也在一些極限條件下，也會發生一些失控狀態的。通過這些數據，我們能夠得到一個初步的結論，通過固態化這么一個技術路線，是能夠解決或者部分解決現有的高比能動力鋰電池安全問題。這是我個人的看法，供大家參考。
接下來，我講一下整個全固態電池或者固液混合的路線，發展的歷程。全固態電池很早就出現了，上世紀70年代，它是作為一個薄膜電池，應用于特殊領域，包括微電子器械或者特種航天這些小型器件。作為薄膜器件，已經實現商品化了，尤其一個成功的應用案例在心臟起搏器上的應用，而且美國、日本現在都在投入比較大的精力在進行發展。再一個就是我剛才講的S-akit3這么一個公司，是把面積擴大這樣一個思路，而且也實現了某些特性，尤其像體積能量密度的提升。但是后面要做到一個很大的單體容量，還是有些難度，所以用在電力上可能是有一些限制。
第二個，就是在豐田這一塊，我們現在了解下來，確實它確確實實投入了近20多年的研發，集聚了整個日本國內的支持，在這塊確實在做。但是他們反映下來，尤其在規模的量化制備上還是遇到比較多的瓶頸，近兩年的進展稍微少一些。
我們國內科技部老早就已經有這樣的布局，其實在國家戰略設計上，我們和國外相比是不落后的。只是我們有些方面前期可能有些鋰離子電池的技術進展比較大，大家的投入比較多，不同階段，大家關注點不相同。
近兩年，我們認為可能在基于硫化物或者剛才跟豐田的技術路線比較接近的路線上，三星是投入比較大的，而且這兩年進展是比較突出的。今年三星所公布的最新數據反映，基于硫化物固體電池的全固態鋰離子電池，它們的體積能量密度能做到921瓦時每升，重量能量密度能夠做到427瓦時每公斤，這個在技術指標上還是體現出了基于金屬鋰為負極，硫化物為固體電解質這么一個技術路線技術指標上的優勢。而且三星是集聚整個公司比較大的財力，現在對世界范圍內相關的全固態電池的標的都進行了投資、入股、技術跟蹤，這一塊我們相信他們的定位還是比較明確的，對這塊技術他是比較認可，而且進展確實比較快。
對歐洲來說，在全固態電池上有一個成功實現商業化的案例，法國的奧托利公司做的這個車現有保有量達到了將近四千輛，他用磷酸鐵鋰為正極，金屬鋰為負極，用有機的POG為電解質。但這個電池有一個比較大的問題，未來的能量密度提升還是有一定瓶頸，因為它整個正極只能磷酸鐵鋰，假如不能導入新的正極，未來整個發展可能還是受限的。但是它至少驗證了，以金屬鋰為負極，整個全固態電池能夠超過兩千次的循環，這樣一個數據我們也是清楚看到了。
這是我介紹的整個全固態電池現在世界范圍內整個的進展，我們所收集到的一些不太全面的數據，供大家參考。
接下來介紹，首先給大家介紹這個概念，全固態電池我們認為它是一個在概念上來說，是整個電池不光是構件，在工況條件下，工作條件下，也是一個固態狀態的電池體系。我們結合這樣一個特點，我們認為現有的動力鋰電池或者鋰離子電池以電解質的特點來區分，簡單來說分為三種。一個是傳統的液態鋰離子電池，第二是混合固液電解質的鋰離子電池，包括像半固態、準固態，我不懂什么叫類固態，還有全固態，全固態里面負極可以用金屬鋰，可以用碳或者硅碳。就我個人來說，凝膠電解質這么一個狀態和固態是沒有關系的，這個觀點供大家參考一下。
基于這樣一個劃分，我們接下來想跟大家分享的就是圍繞這兩個技術，包括固液混合，包括全固態的一些結果分享一下。整個歷程，固態電池或者全固態電池雖然是一個技術路線的拓展，但是就我們整個團隊來說，我們覺得還是比較難的。我們走了將近16年的歷程，包括我們開始階段的固態電解質，到跟日本豐田的合作，做不同電解質體系，以至于到我回國建立中科院寧波材料所固態電池團隊，到現階段我們和贛鋒的合作，這些年我們在氧氧化物電解質百萬級的產線實現上，要做固態電池，首先要做電解質，以至于固態隔膜的實現，整個發展跟傳統電池是有些不相同的，它的隔膜不能用傳統的隔膜。然后再到產業化，以至于到電池體系的實現，是一步一步走過來的，還是經歷了一個比較漫長的過程。
我們近些年的進展稍微快一點，得益于早期在寧波材料所比較好的一個基礎，這也是國家項目的支持，是這樣一個狀態。近兩年贛鋒鋰業在這一塊投資將近一個億來進行整個工程化的推進。我們做的過程也是從最新的全固態開始做起的，比如用固態的隔膜，用金屬鋰為負極，用不同的正極來做，我們實現全固態電池，比如一千次的循環，容量能保持98%，同時實現了高電壓的正極，比如磷酸錳鐵鋰、三元等等都可以做，而且安全性都是很好的，我們也做了很多安全，針刺把它刺過去放在那兒，電壓變了之后，再拔出來，再看恢復這樣一些過程。但是整個電池它的缺點，它的能量密度比較低的。重要的原因在于我們整個全固態電池能量密度，即使用了金屬鋰為負極，也只能達到120瓦時每公斤，根本沒法應用于動力。重要的原因在于我們整個全固態電池的隔膜太厚，要達到200微米，而且它是致密的膜，它的重量比較大。你要提高全固態電池的能量密度，一個最重要的方向就是把隔膜減薄，我們的目標是做到25微米，跟現有的動力鋰電池隔膜厚度能夠兼容。
那么問題就來了，你從300微米到最后的25微米是能夠做出來。但是你的整個對固態電解質來說，它的電導率不是由體相來決定的，我們這樣一個變化之后，會導致隔膜導電率降了兩個數量級，我假如直接用，可以實現全固態電池，它整個極化和能量密度的發揮和正極能量發揮還是受比較大限制的。為了降低整個極化，實現未來整個自動化的制造，我們要一個固液這么一個思路來實現它。我們的工作也初步驗證了這一點，確實是有效的。這就是我們從全固態走到了混合固液這么一個發展的過程，是不得已而為之的狀態。但是也算是一個意外的收獲，通過這樣一個實現之后，我們終于能夠實現批次比較穩定的，單體容量比較一致性或者高效的，而且與現有的軟包碟片技術路線整個自動化制備這樣一個工藝流程能夠實現80%以上的兼容性這樣一個過程的狀態，所以我們現在做出來的早期以三元為正極，碳為負極的材料路線的選擇，這樣一個混合固液，我們小容量12個安時，以及大容量40個安時，這樣一個能量密度，都能夠實現功率達到240瓦時每公斤，容量能夠260瓦時每公斤這么一個狀態。這個數據我就不跟大家來分享了，剛才在前面已經講過了。
循環下來，整個循環性能還是不錯的，能夠與現有的傳統鋰離子電池進行一個媲美。我們在產業化推進上面，我們只是希望做到電芯這么一個過程，電芯做好之后，后一期現有很多產業鏈，只要你再做跟軟包相關的一些產業鏈上的，都能夠跟我們兼容或者能夠完全把技術導入這樣一些思路，存儲以及到車上的應用。這是我們在固液混合上面做的一些工作，當然現在積極跟相關的一些主機廠進行對接。
我們在下一代技術上，我們在積極推進。時間關系，不跟大家講的特別詳細。我們在大容量全固態鋰離子電池上開發的話，也是基于我們自己做出來這樣一個硫化物無機跟有機的復合隔膜，實現了用金屬鋰為負極，可以用三元523或者628為正極的全固態電池的研發，我們兩安時的設計，能實現接近2.2安時的放電容量，我們現在測算能夠達到360瓦時每公斤，我們定位為350瓦時每公斤。現在這個電池能夠實現200多次的循環，后期我們重要還是在推進一些系列的測試，它的安全性能怎么樣，實現機制在哪里，它的循環性能進一步提升，在推進一些工作。當然我們也希望跟國內相關的像艾老師，武漢大學，像其他一些團隊的合作。
最后講幾點我自己的觀點：
第一，基于氧化物固態隔膜的混合固液電解質鋰離子電池可以兼顧較高能量密度的安全特性，現在已經具備了產業化的基礎，而且這個技術在國內很多專利還都是國內的自主知識產權。但是其規模化的推廣還是要國家政策的支持。
另外，發展全固態電池金屬鋰為負極的話，有機無機復合的固態柔性膜應該是一個比較核心的材料，而且無機硫化物電解質在這一塊應該有一個比較好的應用。
同時，我們認為未來金屬鋰的應用，假如大家不是要追求極限的能量密度，要追求能量密度較高，四百左右，但是壽命比較長的話，可能金屬鋰負極是不是走這樣一個鋰基復合，像硅和碳的復合思路，這一塊我們也在跟一些科研院所合作。我們認為這個組合有可能實現全固態電池器件高能量密度和長循環壽命。但是對全固態電池來講，我們認為整個電池規模化制備裝備是亟待突破的，國內在這一塊還是有所欠缺的，這一塊我相信對很多設備公司是一個機遇。
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