固態(tài)電池將商用 其他動(dòng)力電池新技術(shù)進(jìn)展如何？

1月9日，蔚來發(fā)布了固態(tài)電池包，總電量可達(dá)150kWh 電池包，裝配在 ET7上，續(xù)航里程將超過1000km。

蔚來方面表示，該電芯密度達(dá)到360Wh/kg，電池包能量密度能提升50%。

蔚來汽車官方透露，搭載這種技術(shù)的蔚來電動(dòng)車預(yù)計(jì)將于2022年第四度交付。這是首款明確確定了量產(chǎn)商用固態(tài)電池的車型。

可以看到，作為最有希望的下一代電池，固態(tài)電池似乎已經(jīng)到達(dá)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前夜。

被稱為下一代的電池技術(shù)有很多，除了固態(tài)電池，還有鋰空氣電池、鋰硫電池等等。

這些技術(shù)的進(jìn)展如何?優(yōu)勢(shì)和短板又有哪些?

2021年1月9日，國(guó)軒高科第十屆科技大會(huì)第二天，中科院物理所研究院李泓、廈門大學(xué)教授董全峰和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳春華就對(duì)上述三種技術(shù)的進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述。

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固態(tài)電池有望率先量產(chǎn)

蔚來日上，蔚來透露，采用的固態(tài)電池采用了原位固態(tài)化技術(shù)。根據(jù)《電動(dòng)汽車觀察家》目前掌握的信息，北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司一直在研發(fā)原位固態(tài)化技術(shù)，很有可能就是蔚來的供應(yīng)商。

所謂原位固態(tài)化，通俗一點(diǎn)說就是把液體轉(zhuǎn)化成固體，比如說先加入液體，加入液體之后就液體能夠跟顆粒很好的浸潤(rùn)包覆，然后再將液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。這樣也能做到原子尺度的結(jié)合，而不是宏觀的把它們(電極材料和固態(tài)電解質(zhì))壓在一起解決。

根據(jù)中科院物理所研究員李泓的介紹，原位固化是物理所的成果，他們的核心理念是，通過注液保持良好的電解質(zhì)與電極材料的原子級(jí)接觸，之后通過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，將液體電解質(zhì)部分或全部轉(zhuǎn)換為固體電解質(zhì)，綜合平衡高電壓、安全性、鋰枝晶、體積膨脹和接觸內(nèi)阻等問題。

北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司作為中國(guó)科學(xué)院物理研究所固態(tài)電池技術(shù)唯一的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，正致力于將這一技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

具體來看，衛(wèi)藍(lán)主要通過七方面達(dá)到這一目的。

首先，原位固態(tài)化技術(shù)，解決固固界面問題，讓固態(tài)電池充放電更快捷、持久和安全;其次，采用原子級(jí)鍵合技術(shù)，讓固態(tài)電池循環(huán)過程更穩(wěn)定;第三，采用復(fù)合金屬鋰技術(shù)，讓固態(tài)電池能量密度更高，全壽命體積膨脹更小，循環(huán)壽命更長(zhǎng);第四，固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)，讓固態(tài)電池能在高溫狀態(tài)下工作，顯著提升電池安全性;第五，通過離子導(dǎo)電膜技術(shù)，讓固態(tài)電池電極與隔膜直接界面更穩(wěn)定，離子傳導(dǎo)更快捷，來支持全固態(tài)電池發(fā)展;第六，三維集流體技術(shù)，讓固態(tài)電池循環(huán)過程中的內(nèi)阻更低，電子傳導(dǎo)保持性更好;此外，還采用新型電池裝備，讓固態(tài)電池電芯具有新的性能，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。

當(dāng)然，市場(chǎng)上生產(chǎn)固態(tài)電池的企業(yè)數(shù)量很多，中國(guó)除了衛(wèi)藍(lán)，還有輝能、清陶、贛鋒鋰業(yè)、寧德時(shí)代、國(guó)軒高科等，幾乎所有鋰離子電池企業(yè)都在研發(fā)固態(tài)電池。他們的具體解決方案都略有差異。

在這些企業(yè)努力下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化似乎近在咫尺。

李泓預(yù)測(cè)稱，2022-2023年，搭載混合固液電解質(zhì)電池的產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)。到2025年，有可能形成百 Gwh 體量，然后再逐漸替代液態(tài)電池。不過李泓也表示，到那時(shí)液態(tài)鋰電池規(guī)模很可能達(dá)到800-1000GWh。固態(tài)電池也就是10% — 20% 的占比，所以要談固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化和占比，應(yīng)該以10年時(shí)間作為發(fā)展尺度，才有可能形成一個(gè)比較高的市場(chǎng)占有率。

從行業(yè)發(fā)展程度也可以大致推斷，蔚來 ET7搭載的固態(tài)電池很大可能是固液混合電池，也就是半固態(tài)電池。

人類對(duì)高能量密度電池的追求是沒有止境的。不過，尺有所長(zhǎng)、寸有所短。從目前技術(shù)進(jìn)展來看，能量密度越高的鋰電池，其循環(huán)性能越差。

其中鋰空氣電池和鋰硫電池就是典型。

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鋰空氣電池難點(diǎn)頗多

先來看比能量最高的鋰空氣電池。

從材料來看，鋰和空氣都是自然界非常常見的物質(zhì)，在某種程度上可以說是取之不盡用之不竭。

從數(shù)據(jù)上看，非水鋰空氣電池具有高達(dá)3449Wh /kg ( 以 Li2O2計(jì)算 ) 的能量密度 , 是目前商品化鋰離子電池的5~10倍。

僅追求比能量，鋰空氣電池顯然非常合適，但是實(shí)際應(yīng)用中，需要的是壽命、安全性、功率等等方面相互平衡。

目前，鋰空氣電池在比能量以外的短板就太明顯了。而且鋰空氣電池中發(fā)生的反應(yīng)比較復(fù)雜，還伴隨著副反應(yīng)發(fā)生。

從表現(xiàn)上來看，非水鋰空電池氧電極電化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)非常緩慢，導(dǎo)致充放電能量效率低、充放電過電位高、倍率性能差、可逆性差以及循環(huán)穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。

廈門大學(xué)教授董全峰解釋道，鋰空氣電池與鋰離子電池最大的差異在于其活性物質(zhì)為氣體，反應(yīng)后生成固態(tài)產(chǎn)物，因此必須提供足夠的空間來存儲(chǔ)這些產(chǎn)物，"如果沒有這個(gè)空間，高容量就無從實(shí)現(xiàn)。"

為了解決這些問題，他們采取了一系列手段，例如固相表面催化、液相表面催化、開放結(jié)構(gòu)電極以及功能性阻擋層等。

董全峰表示，這些策略可以較大幅度降低充電的過電位，取得了比較好的結(jié)果，"容量可以放到10000mAh/g 以上。"

在董全峰看來，鋰空氣電池的重點(diǎn)是電極的氧化或充電過程，如果能夠很好地解決充電過程，鋰空氣電池就邁出了很關(guān)鍵的一步。

目前看，固相表面催化取得了比較好的化學(xué)性能，大幅降低的充電過電位，" 從原來的一點(diǎn)幾伏降到零點(diǎn)幾伏。"

但鋰空氣電池中氧氣在電解液中發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)生成的固相產(chǎn)物如果覆蓋了表面，這個(gè)反應(yīng)是無法繼續(xù)進(jìn)行的，就不會(huì)取得更高的放電容量。

因此誘導(dǎo)固相產(chǎn)物向液相中擴(kuò)展生長(zhǎng)，而同時(shí)能夠使其在充電時(shí)被分解則是最理想狀態(tài)。為了達(dá)到這個(gè)目的，董全峰的思路是液相擴(kuò)展催化，取得了高容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

在結(jié)構(gòu)方面，董全峰課題組結(jié)合仿生學(xué)原理，向大自然學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)了開放式劍麻狀結(jié)構(gòu)，對(duì)氧的吸收、擴(kuò)散反應(yīng)都非常有利，大幅提高了電池性能。

此外，還有保護(hù)膜的問題，因?yàn)樵谘鯕庵?，金屬鋰?fù)極的腐蝕更加嚴(yán)重。因此，他們構(gòu)建多層阻氧多功能 SEI 膜，也產(chǎn)生了一定的效果，可以大幅度延長(zhǎng)鋰空氣電池的壽命。

雖然，董全峰的一系列研究提升了鋰空氣電池的各方面性能，但是其性能距離實(shí)際應(yīng)用仍然有很大距離。他認(rèn)為，鋰空氣電池涉及到固體、液體、界面反應(yīng)不同的新體系，增加了反應(yīng)的困難，使體系更復(fù)雜。

雖然困難重重，但他對(duì)于產(chǎn)業(yè)化前景仍然很有信心，"我們可以充分借鑒燃料電池(的發(fā)展進(jìn)程)。這個(gè)突破點(diǎn)一旦找到，會(huì)比燃料電池更快使用。"

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鋰硫電池循環(huán)壽命是短板

鋰硫電池的情況與鋰空氣電池差不多。

鋰硫電池在理論上具有2600Wh/kg 的質(zhì)量比能量和2800Wh/L 的體積比能量，且材料成本低廉、環(huán)境友好，可以滿足很多新興技術(shù)的要求，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

鋰硫電池僅需約30% 的理論比能量，就可以實(shí)現(xiàn)750Wh/kg 的實(shí)際比能量。而對(duì)于鋰電池來說，即使負(fù)極使用金屬鋰，在電芯制備工藝達(dá)到極限的情況下，其實(shí)際比能量也僅能達(dá)到600Wh/kg。

高比能量帶來的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是成本低。

這個(gè)很好理解，要達(dá)到相同比能量，鋰硫電池材料少很多，成本自然就低很多。

從世界范圍來看，限制鋰硫電池發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題也尚未徹底解決。

鋰硫電池雖然比能量和成本表現(xiàn)突出，但是電動(dòng)汽車需要的安全性、功率密度、快充性能、擱置壽命和循環(huán)穩(wěn)定性等都不能滿足。

正極材料主要影響鋰硫電池的比能量、比功率和能量轉(zhuǎn)換效率;負(fù)極材料決定了鋰硫電池的安全性能;電解質(zhì)幾乎與鋰硫電池所有性能都有密切關(guān)系;基本上所有關(guān)鍵材料都影響鋰硫電池的使用壽命。

鋰硫電池的發(fā)展嚴(yán)重受限于較差的循環(huán)壽命，主要有以下四個(gè)原因造成，一是，正極產(chǎn)生的多硫化鋰溶解并遷移至負(fù)極發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)，活性物質(zhì)損失;二是，正極硫化鋰的不均勻沉積，導(dǎo)致電化學(xué)可逆性變差;三是，電解液在金屬鋰表面發(fā)生分解，導(dǎo)致電池逐漸干涸;四是，金屬鋰枝晶刺破隔膜引起短路。

針對(duì)循環(huán)壽命，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳春華采用蟻巢狀的碳納米纖維電極來解決，這種結(jié)構(gòu)能夠有效提升電池的循環(huán)壽命，而且能夠使硫負(fù)載量達(dá)到8.6-11.5mg/cm2。要改善鋰硫電池的循環(huán)壽命，只在電極上形態(tài)做文章是不夠的，還要在電解液等方面進(jìn)行改良。

電池領(lǐng)域的人常說的一句話是 " 按下葫蘆起了瓢 "，解決一方面短板時(shí)，往往帶來其他方面的問題，要想綜合性能平衡，還需要更多的探索。

中汽中心動(dòng)力電池領(lǐng)域首席專家王芳也表達(dá)了類似觀點(diǎn)，一個(gè)新材料的出現(xiàn)到它完全走向產(chǎn)業(yè)化，從實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)到小試到大規(guī)模的生產(chǎn)，可能需要一個(gè)完整的雷達(dá)圖的評(píng)價(jià)體系?？赡軙?huì)包含性能、壽命、安全和可靠性，都要滿足成熟商品的要求。最終，要評(píng)估某一個(gè)材料，比如固態(tài)電池或者鋰硫電池，能不能作為一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，要看雷達(dá)評(píng)價(jià)，要達(dá)到平衡。

通過了解這些技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池是各方面性能最接近平衡的下一代電池，蔚來的150kwh 固態(tài)電池電池包，是很近的未來。(完)