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| 本文作者： 利榮 | 2018-01-08 15:12 |
雷鋒網(wǎng)新智駕按：1月7日下午，由電動(dòng)汽車百人會(huì)主辦的“把握全球變革趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展”熱點(diǎn)問(wèn)題交流會(huì)在清華大學(xué)召開。歐陽(yáng)明高院士出席會(huì)議并發(fā)表了題為“2017年動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)”的主旨演講。
以下為歐陽(yáng)明高的演講內(nèi)容，經(jīng)雷鋒網(wǎng)新智駕不改變?cè)獾木庉嬚怼?/span>
國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池的主要技術(shù)進(jìn)展
針對(duì)2020年實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤的電池目標(biāo)，目前取得了實(shí)質(zhì)性突破。
目前新能源汽車上的電池研究團(tuán)隊(duì)主要包括：寧德時(shí)代新能源、天津力神和合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源，這三個(gè)團(tuán)隊(duì)采用的技術(shù)路線大同小異。
從比能量角度出發(fā)，寧德時(shí)代新能源研發(fā)的電池循環(huán)壽命在1000次左右，能量密度達(dá)到304瓦時(shí)/公斤，且安全性也全部通過(guò)。因?yàn)樗麄儾捎玫氖擒洶姵兀欠叫坞姵亍?/p>
其實(shí)2017年底，軟包電池的能量密度單體已經(jīng)達(dá)到230瓦時(shí)/公斤左右，系統(tǒng)約150瓦時(shí)/公斤左右。因此，2018-2019年間再提高50~70瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)可以輕松實(shí)現(xiàn)，爭(zhēng)取能量密度單體達(dá)到260-350瓦時(shí)/公斤。
面向2025年產(chǎn)業(yè)化，目標(biāo)沖擊單體電池400瓦時(shí)/公斤。
單體電池300瓦時(shí)/公斤是負(fù)極從碳變成硅碳，400瓦時(shí)/公斤的單體電池改變的是正極，目前可供選擇的正極幾種，而重點(diǎn)專項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料，有兩個(gè)單位承擔(dān)了前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目，一是物理所，改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，達(dá)到的指標(biāo)是100周之后電壓衰減降到了2%以內(nèi)，是一個(gè)重大的進(jìn)展；另一個(gè)是北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)，首次研制出了比容量400毫安時(shí)/克的富鋰錳基正極，對(duì)于400瓦時(shí)/公斤的單體電池沒有問(wèn)題，甚至可能更高。
固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展
國(guó)內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在研究固態(tài)電池，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所、寧德時(shí)代新能源和中航鋰電等。據(jù)雷鋒網(wǎng)新智駕了解，日前寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)達(dá)成合作，正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，計(jì)劃2019年量產(chǎn)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)固態(tài)電池?zé)o疑是2017年全球電池領(lǐng)域最熱的一個(gè)技術(shù)名詞。
1、全固態(tài)鋰電池定義
歐陽(yáng)明高院士強(qiáng)調(diào)，全固態(tài)鋰電池，這幾個(gè)詞每一個(gè)字都不能少、不能變，例如“全固態(tài)”跟“固態(tài)”是不一樣的，“鋰電池”和“鋰離子電池”也不是一個(gè)概念。“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組份的鋰電池，所以全稱是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。
2、全固態(tài)鋰電池分類
全固態(tài)鋰電池又分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，根據(jù)負(fù)極是否直接使用金屬鋰為活性物質(zhì)，全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池，這兩個(gè)概念又要區(qū)別，所謂全固態(tài)金屬鋰電池，就是它的負(fù)極用的是鋰金屬，目前市面上的負(fù)極是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。
全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)的更早，鋰離子電池是日本人發(fā)明的，到現(xiàn)在有25年的時(shí)間，但是運(yùn)用到汽車上只有10多年，屬于年輕且進(jìn)步較快的電池。
3、全固態(tài)鋰電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢(shì)
全固態(tài)鋰電池之所以受到廣泛關(guān)注，主要是因?yàn)橛型鉀Q目前困擾動(dòng)力電池發(fā)展的兩大關(guān)鍵問(wèn)題-安全性和能量密度低，其潛在優(yōu)勢(shì)包括：
安全性高，由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，代替了易燃的常規(guī)有機(jī)溶劑電解液電池燃燒問(wèn)題得到解決。
能量密度高，由于金屬鋰的超高容量，給予相同正極時(shí)，固態(tài)金屬鋰電池與常規(guī)液態(tài)鋰離子電池相比，其能量密度可以得到大幅度提升。需要說(shuō)明的是，由于固體電解質(zhì)密度和使用量高于液態(tài)電解質(zhì)，在正負(fù)極材料相同時(shí)，全固態(tài)鋰電池優(yōu)勢(shì)不明顯。
正極材料選擇范圍寬，由于全固態(tài)鋰電池可以直接采用金屬鋰為負(fù)極，不要求正極結(jié)構(gòu)中含有鋰，一些高容量的貧鋰態(tài)材料也可以作為正極。此外，無(wú)極固態(tài)電解質(zhì)寬的電化學(xué)窗口（>5V），也為高電壓正極材料的應(yīng)用提供可能。
系統(tǒng)比能量高，由于電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可以方便地通過(guò)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。
4、全固態(tài)鋰電池的主要技術(shù)難點(diǎn)
全固態(tài)鋰二次電池雖然具有一些潛在技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一些迫切需要解決的技術(shù)難題。
（1）固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低
現(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，一種是聚合物，一種是氧化物，一種是硫化物，聚合物電解質(zhì)這種，其實(shí)這個(gè)電池已經(jīng)有了，現(xiàn)在在法國(guó)有些車上用，它的問(wèn)題就是要加熱，電池要加熱到60度，離子電導(dǎo)率才上來(lái)，電池才能正常工作。目前氧化物電解質(zhì)一般比液態(tài)的還是要低很多。只有硫化物的固態(tài)電解質(zhì)現(xiàn)在跟液態(tài)的差不多，比如豐田就是用的這種硫化物的固態(tài)電解質(zhì)，所以固態(tài)電解質(zhì)是有突破的，主要的突破是在硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。
（2）固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差
液體跟固體結(jié)合是很容易的，滲透進(jìn)去。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就不是太好了，這是它很大的一個(gè)問(wèn)題。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導(dǎo)電率已經(jīng)提高了，但是仍然有界面接觸性和穩(wěn)定性問(wèn)題。
第三個(gè)問(wèn)題是金屬鋰的可充性問(wèn)題。在固態(tài)電解質(zhì)中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。其循環(huán)性，甚至安全性等還需要研究。
（3）制造成本偏高，全固態(tài)鋰電池制備工藝復(fù)雜，且固體電解質(zhì)較貴，現(xiàn)階段電池成本較高。
（4）金屬鋰的可充性差，金屬鋰在液態(tài)電解質(zhì)中反復(fù)充放電時(shí)易出現(xiàn)粉化、枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致其循環(huán)性極差。
基于上述難點(diǎn)問(wèn)題，特別是固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問(wèn)題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)尚未成熟，還存在很大的技術(shù)不確定性。目前展現(xiàn)出或者有突破的產(chǎn)業(yè)前景主要是固態(tài)聚合物鋰電池和是固態(tài)鋰離子電池。
5、全固態(tài)鋰電池與固態(tài)鋰電池區(qū)別
固態(tài)電池，不一定是固態(tài)電解質(zhì)，還有一點(diǎn)液態(tài)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的；固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì)；半固態(tài)，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說(shuō)電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的，準(zhǔn)固態(tài)，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，固態(tài)電池是一種外觀上貌似固態(tài)，但實(shí)質(zhì)上采用固液混合電解質(zhì)的電池。
6、固態(tài)鋰電池國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)
現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，包括我國(guó)在內(nèi)的美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)都在開展研究。
美國(guó)專注于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，以小公司，創(chuàng)業(yè)型公司為主。一個(gè)是S-akit3，續(xù)駛里程能到500公里，現(xiàn)在還處于初級(jí)階段，還有一個(gè)初創(chuàng)公司Solid—State，立足于顛覆性技術(shù)。
日本采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，多家公司出臺(tái)了量產(chǎn)計(jì)劃。其中豐田是固態(tài)鋰離子電池，它的負(fù)極是石墨類，硫化物電解質(zhì)，高電壓正極，單體電池容量15Ah，2022年實(shí)現(xiàn)商品化。
韓國(guó)同樣和日本一樣采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，試制品也是石墨類負(fù)極，非金屬鋰負(fù)極。歐陽(yáng)明高表示，中國(guó)、日本和韓國(guó)的情況相類似，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有了很大的鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈，不希望推倒重來(lái)。
1、鋰離子動(dòng)力電池有望于2020年前實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強(qiáng)。
2、鋰硫、鋰空電池作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期目標(biāo)的兩類新體系，目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)展相對(duì)緩慢。
2017年兩者沒有突破性的進(jìn)展，從原理來(lái)講，鋰硫電池的重量比能量跟體積比能量基本相當(dāng)，所以它的體積比能量要提上來(lái)是有相當(dāng)難度的。鋰空電池集合了鋅空電池、氫燃料電池和鋰二次電池的所有難點(diǎn)，相比而言氫燃料電池更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
3、固態(tài)電池的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受到固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問(wèn)題的制約，真正的全固態(tài)鋰電池技術(shù)尚未成熟。
總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，我們現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。
4、2017年中國(guó)在高容量富鋰正極材料方面取得了一些突破，基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負(fù)極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰-空電池更具可行性。
根據(jù)上面的進(jìn)展分析，歐陽(yáng)明高、陳清泉等專家組對(duì)技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)判斷做了一次優(yōu)化迭代（不作為國(guó)家電池技術(shù)路線圖的依據(jù)，僅供參考），具體如下：
2020年，比能量300瓦時(shí)/公斤、比功率1000瓦時(shí)/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時(shí)以內(nèi)，這個(gè)是確定的。
所對(duì)應(yīng)的材料是高鎳三元，目前國(guó)內(nèi)正在從鎳、鈷、錳比例3：3：3轉(zhuǎn)向6：2：2，最后轉(zhuǎn)變到8：1：1，鎳變成8，鈷進(jìn)一步降到1，甚至鈷進(jìn)一步降到0.5。負(fù)極要從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。這是我們當(dāng)前的技術(shù)變革。
2025年，正極材料方面進(jìn)一步提升性能。
2017年取得重要突破的富鋰錳基材料，從300瓦時(shí)/公斤—400瓦時(shí)/公斤，每瓦時(shí)成本從0.8元降到0.6元以內(nèi)，這時(shí)一般性價(jià)比的純電動(dòng)轎車合理的里程為300km400km。
2030年，固態(tài)電池會(huì)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時(shí)/公斤。
雷鋒網(wǎng)新智駕了解，歐陽(yáng)明高在1月20日舉行的百人會(huì)上，主要講解三個(gè)問(wèn)題：電池、電耗和充電。
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