安全性提升 推广尚需时间 固态电池距离批量装车还有多远？

不久前闭幕的2019上海车展上,固态电池再次成为众所瞩目的一大看点。期间,天际汽车与辉能科技就固态电池商业化合作在现场签约,这意味着天际汽车将可能成为国内首家产品装载固态电池的新能源整车企业。同时,近来屡屡发生的品牌电动汽车电池自燃事件,也让有望成为锂电池替代品的固态电池受到广泛关注。

“固态电池是目前学术界的研究热点,也是产业界关注的焦点,它的安全性比起同电极体系的液态锂离子电池的安全性有明显提高,但在电动汽车上实际推广应用还需要时间。”亚洲固态离子学会主席、亚太材料科学院院士、中国科学院能量转换材料重点实验室副主任温兆银在接受记者采访时表示。

新能源汽车动力存短板

4月21日晚,上海某小区地下停车库内的一辆特斯拉Model S电动汽车突然自燃,并引燃停在其旁边的数辆汽车,录像中的事故现场让人触目惊心。距此不到24小时,西安的一辆蔚来ES8电动汽车自燃。4月24日,武汉的一辆比亚迪E5电动汽车也发生自燃。一系列自燃的发生,使人们将引发事故原因大多指向了动力电池。

“现阶段新能源乘用车电池的材料体系主要为三元正极-液态电解质-石墨负极,采用磷酸铁锂正极的电池主要用在大巴、物流等专用车领域,从2018年车用电池数据来看,三元体系电池占比近60%。”复旦大学化学系教授、博士生导师傅正文在接受记者采访时介绍,固态电池材料中没有可燃的液态有机溶液,安全系数相对提高了很多。

据介绍,目前应用最多的高能量密度电池主要是三元锂电池和磷酸铁锂电池,三元锂电池在200℃左右就会分解,并释放出氧分子,燃烧更加剧烈。尽管目前动力电池在电池模块和系统设计方面,已经采取了先进的电源管理技术、冷却技术、密封技术、散热技术等,基本满足了电动汽车对安全性的要求,但依然存在着热失控、过热、起火燃烧等危险。导致其燃烧的根本原因,是锂离子电池电解质属于可燃的有机溶液。

解决新能源汽车的动力电池续驶里程和安全问题,自然成为重中之重。

而全固态锂电池,是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池,主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。在目前各种新型电池体系中,固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜,具有高安全性、高体积能量密度,同时与不同新型高比能电极体系(如锂硫体系、金属-空气体系等)具有广泛适配性,可进一步提升质量能量密度,在提高安全性的同时增加续驶能力,从而有望成为下一代动力电池的解决方案,因此引起中外众多研究机构、初创公司和一些车企的青睐,天际汽车就是其中之一。

而且,动力电池是电动汽车最为核心的部件,其性能对于电动汽车的整体性能起着决定性的作用。在电动汽车飞速发展的时代,性能更为强大的电池无疑是各大车企和电池生产厂商永无止境的研发追求对象。前有国产电动汽车大户比亚迪弃用磷酸铁锂电池,转投三元锂电池怀抱,后有沃特玛技术路线错误,公司分崩离析,这正是由于磷酸铁锂电池在性能方面无法跟上电动汽车发展的步伐。在电动汽车高续驶里程刚需的推动下,能量密度潜力更高的三元锂电池取代曾经被广泛采用的磷酸铁锂电池成为了电动汽车发展中的必经历程。然而,技术的发展不可能一成不变,随着电动汽车领域持续性的扩张,以及日趋成熟,电动汽车对于电池能力密度的需求也在持续增加,固态电池逐渐成为众车企追求的新目标。

固态电池有显著优势

日前,一条“充电1分钟,续驶800公里”的消息吸引了业界的眼球,把人们的视线聚焦到了固态电池上。虽然这条由菲斯克公司所披露的消息仍然有很多值得商榷之处,但至少说明固态电池优势显著,有望成为新能源汽车动力电池发展新的方向。

“目前新能源汽车大多使用的都是传统的锂离子电池,都含有液态有机电解质,不含液态电解质的固态电池优势很多。”中南大学化学化工学院教授刘洪涛在接受记者采访时介绍,相较于目前使用的液态锂电池,固态电池具有六大显著优势。

一是高安全性能,传统锂离子电池采用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液,电池安全性也大幅提高。

二是高能量密度,固态锂电池负极可采用金属锂,电池能量密度有望达到300～400Wh/kg甚至更高,其电化学稳定窗口可达5V以上,可匹配高电压电极材料,进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜,减轻电池重量,压缩电池内部空间,提高体积能量密度;安全性提高,电池外壳及冷却系统模块得到简化,提高系统能量密度。

三是循环寿命长,有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题,大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。

四是工作温度范围宽,固态锂电池针刺和高温稳定性极好,如全部采用无机固体电解质,最高操作温度有望达到300℃,从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。

五是生产效率提高,无需封装液体,支持串行叠加排列和双极机构,可减少电池组中无效空间,提高生产效率。

六是具备柔性优势,全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池,相对于柔性液态电解质锂电池,封装更为容易、安全,未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。

“理论上具有优势,就一定能吸引更多的研发力量和投入,不断解决其中存在的问题,这对于固态电池向新能源汽车应用靠近是有利的;但是固态电池在技术上仍有一些有待解决的问题,这也是固态电池实现应用的瓶颈。”吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室教授、博士生导师袁宏明在接受记者采访时表示,解决固态电池的应用技术问题是当务之急。如固体电解质材料离子电导率偏低;固体电解质、电极间界面阻抗大,界面相容性较差;材料在充放电过程中体积膨胀和收缩,导致界面容易分离;质量能量密度需进一步提升;体积能量密度需进一步提升、制备成本高等技术问题,都迫切需要研究突破。

记者在采访中了解到,目前全球各大车企和电池厂商们使用的聚合物、氧化物、硫化物等固态电解质均存在这样的问题。具体来说,聚合物耐温性不够,稳定性较差、离子电导性偏低。氧化物抗阻能力比较强,但离子电导性也无法达到要求。硫化物虽然电导性不错,又由于材料稳定性不佳,导致离子传输性能欠缺。

事实上,往往一种全新研发的材料从实验室走向市场应用层面,一般需要十年左右的时间。而液态锂电池从上世纪70年代出现,直到20世纪末才投入应用。因此,固态电池技术要实现产业化尚需时日。

“从固态电池的研发和量产现状来看,聚合物基的固态电池已经有小批量装车示范,但属于实验阶段,有待解决的技术问题还不少。乐观估计,严格按照车厂车型的开发流程,半固态电池实现批量上车预计还需要一定时间,真正的全固态电池批量装车时间则还可能延后。”傅正文表示。

国际竞争正日趋激烈

“如今,固态电池技术正在成为世界范围内的竞争热点。”刘洪涛介绍,在世界范围内,全球多家车企和电池厂家也发布了固态电池相关的研发进展。目前,丰田、松下、三星、三菱、宝马、大众、现代、戴森等企业均在加紧布局固态电池技术的储备。

据介绍,为使锂电池具有更高的能量密度和更好的安全性,国外锂离子电池厂商和研究机构在固态锂电方面开展了大量的研发工作。

日本更是将固态电池研发提升到国家战略高度。2017年5月,日本经济省宣布出资16亿日元,联合丰田、本田、日产、松下、GS汤浅、东丽、旭化成、三井化学、三菱化学等顶级产业链力量,共同研发固态电池,希望以成熟的固态电池技术在2030年实现800公里续驶目标。

法国Bollore公司的EV“Bluecar”配备其子公司Batscap生产的30kwh金属锂聚合物电池,采用Li-PEO-LFP材料体系,巴黎汽车共享服务“Autolib”使用了约2900辆Bluecar,这是世界上首次用于电动汽车的商业化全固态电池。丰田开发出全固态锂离子电池,能量密度为400Wh/kg,计划在2020年实现商业化;松下的最新固态电池能量密度相对提高了3～4倍;德国KOLIBRI电池应用于奥迪A1纯电动汽车,目前尚未商业化应用。

韩国也不甘落后,目前,三星SDI、LG化学等都投入到固态电池的研发之中。据外媒报道,三星Note 7手机电池起火严重影响了品牌形象,这促使三星加大了固态电池的研发力度。据了解,三星的固态电池可能最初应用于手机上,下一步将开发车用动力固态电池。此外,LG化学也在研究固态电池,据称技术水平与三星不相上下。

此外,三菱、宝马、现代、戴森等数家企业也都通过独自研发或组合并购等方式加紧布局固态电池的储备研发。丰田宣布与松下合作研发固态电池;宝马宣布与SolidPower公司合作研发固态锂电池;博世与日本著名的GSYUASA(汤浅)电池公司及三菱重工共同建立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池;本田与日立造船建立的机构已研发出Ah级电池,预计三年后量产。

我国对固态锂电的基础研究起步较早。在“六五”和“七五”期间,中科院就将固态锂电和快离子导体列为重点课题,目前5支研发团队分别取得了不同进展。此外,北京大学、中国电子科技集团天津18所等院所也立项进行了固态锂电电解质的研究。

2017年3月,工信部等四部委印发的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出,积极推动锂硫电池、金属空气电池、固态电池等新体系电池的研究和工程化开发,2020年单体电池比能量达到400Wh/kg以上、2025年达到500Wh/kg。

目前,国内固态电池技术的研究已经取得不小进步。中科院化学所郭玉国团队的聚醚-丙烯酸酯新型双功能聚合物电解质,可用于室温固态金属锂电池;中科院宁波材料所许晓雄团队研发的无机陶瓷固态电池正与赣峰锂业合作尝试产业化;中科院青岛生物能源所崔光磊团队研发的固态电池已用于蛟龙号深潜器,完成了太平洋马里亚纳海沟的测试;中科院上海硅酸盐研究所郭向欣团队研发出了2Ah级固态锂离子电池;中科院物理所李泓团队推出了10Ah软包电芯固态电池。

近日,中国科学研究院宣布,由该院牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题已经通过验收,这一技术进步将进一步推动国内全固态锂电池的规模化使用。此消息一出,再一次将固态电池的关注热度推上“高潮”。

国内在进行固态锂电开发的企业包括CATL、国珈星际(珈伟股份)、江苏清陶能源、台湾辉能、中航锂电等。CATL以硫化物电解质为主要研发方向,采用正极包覆解决正极材料与固态电解质的界面反应问题,目前聚合物锂金属固态电池循环达到300次以上,容量保持率达82%。清陶能源研发高固含量的全陶瓷隔膜和无机固体电解质,目前已与北汽开展合作进行中试。国珈星际采用材料基因组技术,通过高通量测试技术确定聚合物固态电解质的最佳组成。此外,如赣锋锂业、比亚迪、万向123等也都宣布布局固态电池领域,但大部分企业仍处于“理论研发”阶段。

此次在上海车展上与天际汽车签约的辉能科技,深耕固态氧化物路线多年,2012年,辉能科技推出了世界上第一款固态锂陶瓷电池,解决了困扰业界已久的固态电池安全和性能两大核心问题。2013年起陆续推出3款固态锂电池产品FLCB、PLCB和BLCB,并依次实现商业化量产。截至2018年11月底,辉能科技已经在全球拥有129件相关专利及83件专利申请,范围涵盖中国、美国、欧盟、英国、日本和韩国等。

目前固态电池研发技术路线主要有两个方向

一是锂离子电池的固态化,这个方向其他行业有成熟的方案,但是嫁接到锂电池还需要二次研发。固态电解质国外量产的企业凤毛麟角,国内一家也没有,一定程度上制约了固态电池的研发进度。日本实验室成功研发出的凝胶态电池,成本很高无法量产。

二是金属固态电池,最常见的是锂硫电池。当电解质换成固体之后,锂电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化。但对生产的密封性要求很高,给设备企业带来巨大挑战。

技术创新将决胜未来

“固态电池应该是目前看到的最有前途的电池之一,它的显著优势表明了它应该是新能源汽车动力来源的一个有利的竞争者。”袁宏明认为,这将对新能源汽车产业形成更有力的动力,甚至对整个造车生态产生影响。

随着关注度的提升,国内有关科研机构、企业、产业园区都对固态电池青睐有加。湖南宁乡高新区发力打造储能材料之都,预计到2025年,这里将建成总规模10万吨三元前驱体、10万吨正极材料、30GWh动力电池、10亿平方米的电池隔膜材料,总产值1000亿元以上的储能材料产业,固态电池被列为发展重点。

根据我国《汽车产业中长期发展计划》和《节能与新能源汽车技术路线图》的相关指引,动力电池系统的能量密度需要在2025年至2030年达到350Wh/kg以满足市面上乘用电动汽车的续驶里程要求。从目前来看,仅凭借锂电池的技术研发,这一目标显然无法实现。而由于保证了动力电池的高能量密度和安全性,固态电池给整个新能源汽车行业带来了希望。

傅正文表示,固态电池现阶段技术路径不同,呈现百家争鸣态势,如日本业界的重心放在硫化物基固态电池,国内卫蓝新能源现阶段主推固液混合的半固态电池,复阳固态公司重心在薄膜固态电池,CATL重心为硫化物基固态电池,大部分科研团队和企业都处于基础研究到中试放大和小批量量产的关键环节,需要经过这几年的技术发展和产业化摸索来验证最合适规模化应用的技术路线。现阶段固态电池企业的应对策略应该是加大投入,增强技术积累,与产业链上下游企业紧密合作。寄希望于固态电池技术早日成熟,电动汽车的续驶里程再也不会成为通勤焦虑。

“当务之急,就是加大攻关力度,早日实现关键性技术的突破。”刘洪涛认为,中国的最大竞争对手是日本。日本在硫化物类固态电解质方面的研究基础雄厚,正全力应用于固态电池的研发。中国着眼于氧化物类固态电解质,并且已投产固态电池生产线。研发方面日本仍处于领先,但产业化方面中国有望赶超。尽管中、日布局的固态电池采用不同的电解质,但谁能率先解决稳定性问题,谁就能迅速占领固态电池的市场。

近年来,新能源汽车在国内蓬勃发展,其中不乏传统车企纷纷抢滩,当然也有大量造车新势力入局。中国汽车工业协会最新的数据显示:一季度我国新能源汽车产销量翻倍,产销分别完成30.4万辆和29.89万辆,比上年同期增长1倍和1.1倍。还有一个现象是,对比传统燃油车2018年超过10%的负增长,眼下几乎所有汽车生产企业均押宝新能源汽车,这同时也带动了产业链上下游的创新动力,预计2019年我国新能源汽车产销量将达到150万辆。电池的安全、续驶能力备受关注。

至于新能源汽车是否能全面转向固态电池,专家们仍然以严谨、科学的眼光看待。“新能源汽车转向固态电池只是可能的一个方向,在突破瓶颈之前无从谈起所谓全面转向。”刘洪涛表示。

“目前新能源汽车电池的安全问题备受重视,也成为制约其市场推广的核心问题之一,如果不能解决电池安全问题,新能源汽车就没有未来。由此出发,固态电池被视为现有液态锂电池最有可能的替代者。但是否能够全面转向固态电池,还取决于固态电池本身的技术进步和市场推广。”傅正文认为。

记者观察

固态电池正向我们走来

近来,由于上海车展的聚焦和部分电动汽车自燃等原因,固态电池正在成为业界关注的热点。

任何事物都有客观的发展规律和发展轨迹,新能源汽车领域也不例外。在新能源汽车发展方兴未艾之际,电池的续驶能力、安全性能始终是被吐槽最多的问题。在以往的电池材质上,多数新能源汽车都是采用三元锂电池,而这一类电池的短板在于电池能量密度无法达到理想值,即使能够达到也存在很大的不稳定性。作为新能源汽车来说,电池的好坏就是决定一切的基础,如果电池无法取得突破,对于新能源汽车的发展无疑是一个瓶颈。而固态电池的出现,为解决这一难题带来了曙光。虽然目前还无法准确预测将来如何,但固态电池起码是提供了实现重大突破的机遇。

正是在这样的背景下,固态电池受到高度关注。固态电池不仅具有充电时间短、续驶里程长的优点,同时由于其电解质的不可燃、不挥发、不漏液等特征,让固态电池的安全性比锂电池要更强大。在制造结构上,固态电池紧密、占用空间小、规模灵活性、设计弹性大等特点又可以让电动汽车将更多的空间安置电子元件用于智能化和实现良好操控性。可以说,固态电池的出现为电动汽车未来的发展带来了更多的可能性。

业界更多的舆论乐观地认为,固态电池取代三元锂电池可能将成为必然的发展趋势,现在看来只是一个时间问题。类似目前电脑领域机械硬盘和固态硬盘共存,将来新能源汽车的发展趋势,也许会出现三元锂电池、固态电池甚至还有可能出现更新型电池共存的局面。总之,发展是硬道理,技术进步永无止境,发展也没有终点,这一点是毋庸置疑的。

当前,在新技术领域的全球竞争日益激烈,固态电池领域也是如此。发达经济体在新技术领域从来不甘落于人后,甚至会用大投入去赢得时间和领先地位。因此,我们也不能掉以轻心,主管部门、科研机构、电池企业、汽车企业都应投入更多的力量去进行研发创新,加速技术突破的步伐,凝聚产学研用的智慧,力争在这一新技术、新领域实现领跑。

应该看到,任何事物都是在不断克服缺点和弊端中不断前行。固态电池也是一样,尽管目前在具体技术细节等方面还存在种种不足,但既然是一个发展方向,就不妨去努力。的确,在发展过程中,目前三元锂电池已经成为新能源汽车发展的短板,触到了发展的天花板,因此将目光转向固态电池是目前看来的最佳选择之一。因此,努力也是赢得出路的关键。

总而言之,即使在技术发展中,市场因素仍然起着很大的决定作用。当今新能源汽车市场上,寻找更新、更强、更多的新技术“武装”,也许正是新能源汽车的生命力所在。按照目前的发展态势,如果固态电池技术能实现新的突破,也许就能带领新能源汽车走进新的春天。