時間表一拖再拖 固態(tài)電池量產(chǎn)難度大在哪兒

固態(tài)電池不僅具有高安全、高能量密度，而且高低溫性能也很優(yōu)良，種種優(yōu)勢讓人們對其充滿憧憬。固態(tài)電池的概念提出已有一段時間，但一直沒能量產(chǎn)，時間表可謂一拖再拖。此前，在全球范圍內(nèi)，屢次有企業(yè)傳出固態(tài)電池的最新研發(fā)進展，但消息曝光后就又沒了下文。
　　最近，少數(shù)企業(yè)的半固態(tài)電池開始裝車應(yīng)用，人們?yōu)橹械綒g欣鼓舞的同時也在感嘆，固態(tài)甚至是半固態(tài)電池的規(guī)模化量產(chǎn)為何這么難？中南大學冶金學院教授張永柱告訴《中國汽車報》記者，衡量一款動力電池能否量產(chǎn)，主要衡量5項指標，能量密度、充放電倍率性能、成本、安全性和循環(huán)壽命。動力電池的實驗室研究成果，一般在某個階段取得一個或幾個指標上的重大突破，同時滿足5項指標要求才能量產(chǎn)，這個難度相當大。
　　固態(tài)電池被寄予厚望
　　三元鋰電池因為能量密度高于磷酸鐵鋰電池而受到行業(yè)的追捧。近幾年來，隨著鎳含量不斷提高，三元鋰電池的能量密度不斷刷新紀錄，達到300Wh/kg已不稀奇。然而，從理論上講，液態(tài)動力電池的能量密度越高，安全性越差。
　　盡管三元鋰電池的能量密度較高，在研發(fā)人員的不斷挖掘下，其“天花板”也開始顯現(xiàn)出來。國家“863計劃”節(jié)能與新能源汽車重大項目總體專家組專家肖成偉曾表示，高鎳材料、碳硅負極的鋰離子電池單體能量密度最高應(yīng)該在300Wh/kg左右，正負不超過20Wh/kg。這意味著三元鋰電池提高鎳含量從而提升能量密度，不是未來長久的技術(shù)方向。
　　固態(tài)電池用鋰金屬代替石墨，不僅能量密度遠超三元鋰電池，體積也大幅縮小。張永柱告訴記者，從理論上看，固態(tài)電池的能量密度可以達到液態(tài)電池的10多倍，充電速度也能提高數(shù)十倍。
　　中國電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施促進聯(lián)盟（以下簡稱“充電聯(lián)盟”）的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，高達87.9％的用戶充電時，選擇120kW及以上的大功率充電設(shè)施，而60kW以下的充電設(shè)施用戶選擇率僅為1.6％。充電聯(lián)盟信息部主任仝宗旗向記者介紹說，電動車主的焦慮已從續(xù)駛里程轉(zhuǎn)向了充電便利性。固態(tài)電池憑借優(yōu)越的快充性能，車主們不再需要苦等數(shù)小時才充滿電，屆時電動汽車充電將像傳統(tǒng)汽車加油一樣便捷。
　　目前，社會上偶有電動汽車起火燃燒的新聞，面對燒成空殼的車輛，任何一位車主心里都不好受。雖然電動汽車在使用環(huán)節(jié)成本較低，但動力電池的安全性讓部分車主擔憂。固態(tài)電池高安全性的特點將為電動汽車“正名”。
　　量產(chǎn)難度大在哪兒
　　不過，來自實驗室的亮眼數(shù)據(jù)需要走向量產(chǎn)，才能真正讓企業(yè)和消費者受益。目前，市面上還沒有一款實現(xiàn)量產(chǎn)的固態(tài)電池。中科院物理所研究員李泓表示，固態(tài)電池有不同的技術(shù)路線，它們分別面對不同的難題。解決了這些問題，其實現(xiàn)性能指標的障礙將被掃除。
　　據(jù)介紹，硫化物電解質(zhì)空氣穩(wěn)定性極差，當其暴露于空氣中就會產(chǎn)生有毒氣體H₂S，同時伴隨著電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和電化學性能的衰減，這導致了硫化物電解質(zhì)的合成、儲存、運輸和后處理過程嚴重依賴惰性氣體或干燥室，大大增加了生產(chǎn)成本。大多數(shù)氧化物電解質(zhì)具有較寬的電化學穩(wěn)定“窗口”和更好的氧化穩(wěn)定性，但為了保證剛性氧化物電解質(zhì)與陰極材料的界面良好接觸，往往需要高溫燒結(jié)，這會導致嚴重的界面化學副反應(yīng)。另外，有些氧化物電解質(zhì)還存在鋰枝晶生長的問題。聚合物電解質(zhì)在室溫條件下，離子電導率較低，這使得聚合物固態(tài)電池充電需要在高溫環(huán)境下完成，極大地限制了商業(yè)化。
　　硫化物、氧化物、聚合物是以往較多被人們提起的三條固態(tài)電池技術(shù)路線。李泓告訴記者，近兩年來，金屬鹵化物電解質(zhì)由于具有寬電化學穩(wěn)定“窗口”、良好的離子導電率以及與氧化物正極材料的高相容性等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。但是，金屬鹵化物電解質(zhì)也有難題需要解決，目前大多數(shù)高離子電導金屬鹵化物電解質(zhì)的合成，都需要昂貴和稀缺的元素，極大地限制了金屬鹵化物固態(tài)電池的成本降低。
　　這樣看來，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化困難重重。有些研究人員認為，固態(tài)電池商業(yè)化不能一步到位，研發(fā)及量產(chǎn)應(yīng)分成多個步驟推進。寧德時代21C創(chuàng)新實驗室前瞻技術(shù)部部長郭永勝表示，按照正負極來分，固態(tài)電池可分成三代。第一代，正負極與以前一樣，現(xiàn)有的液態(tài)電解液換成固態(tài)電解質(zhì)；第二代，正極不變，改變負極，負極不用石墨或硅，用金屬鋰替代從而提升能量密度；第三代，正負極都改變，比如負極用金屬鋰，正極換成不含鋰的高能量材料。
　　按照這樣的劃分，計劃幾年之后上市的奔馳EQG長續(xù)航版將搭載的是硅陽極固態(tài)電池。據(jù)外媒報道，硅陽極固態(tài)電池的能量密度將高達800Wh/L（約400Wh/kg）。
　　行業(yè)人士曾對固態(tài)電池的經(jīng)濟性進行過分析，相比于現(xiàn)有的鋰電池，固態(tài)電池沒有優(yōu)勢。一是原材料的成本太高，比如，鋰硫化物的價格是碳酸鋰的5～10倍。目前，碳酸鋰的價格已超過50萬元/噸，瘋狂上漲的碳酸鋰成本迫使汽車企業(yè)不得不多次提高產(chǎn)品售價，而更高價格的鋰硫化物恐怕會讓它們望而卻步；二是固態(tài)電池對于生產(chǎn)環(huán)境與原材料純度的要求太高，這導致生產(chǎn)工藝要求極其苛刻，生產(chǎn)成本大幅度提高。現(xiàn)有動力電池對生產(chǎn)車間溫度及溫度控制有著較高要求，導致企業(yè)投資建設(shè)生產(chǎn)基地動輒需要上百億元。這也意味著，企業(yè)收回成本的周期將加長。
　　應(yīng)舉全力支持發(fā)展
　　日本企業(yè)在普通油電混合動力技術(shù)和市場化上領(lǐng)先全球，但在電動汽車發(fā)展上的表現(xiàn)并不突出。松下專注三元鋰電池的研發(fā)生產(chǎn)，日產(chǎn)推出了聆風，其他企業(yè)雖有少量電動汽車投放市場，但并沒有作為主打產(chǎn)品。總體上，日本汽車產(chǎn)業(yè)在電動汽車推廣上并不處于全球前列。為了擺脫這種境遇，日本汽車企業(yè)想在固態(tài)電池上打翻身仗一鳴驚人。
　　2018年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)曾宣布，豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家汽車、電池和材料公司以及京都大學和日本物理化學研究所等15個學術(shù)機構(gòu)將聯(lián)合研發(fā)下一代電動汽車固態(tài)鋰離子電池，該項目預(yù)計總投資額為100億日元（約5.8億元人民幣）。
　　不僅日本汽車行業(yè)，歐洲、美國、韓國企業(yè)都對搶占固態(tài)電池這一新能源汽車未來的制高點寄予厚望。李泓說：“歐洲、日本、美國、韓國在固態(tài)電池領(lǐng)域都已啟動重大項目，投入巨資增強研發(fā)，政府和社會資本積極參與，未來的競爭將更加激烈。”
　　李泓認為，固態(tài)電池的研發(fā)涉及多學科，我國需要加強對高通量計算、大尺度動力學計算、材料力學、人工智能、高空間時間分辨多尺度在線檢測分析方法、電池材料精準制備、新一代的固態(tài)電池材料及電池設(shè)計與制造方法、熱失控條件與機理，以及創(chuàng)新材料體系和電芯設(shè)計的研究；需要借鑒類似歐、美、日的做法，建立國家級的先進固態(tài)電池創(chuàng)新中心、產(chǎn)學研聯(lián)盟，充分利用國家實驗室、國家重點實驗室、龍頭企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)中心的研發(fā)能力，共同推動固態(tài)電池的原始創(chuàng)新和基礎(chǔ)科學問題的深入研究，為我國在這一動力電池“兵家必爭之地”繼續(xù)取得優(yōu)勢奠定基礎(chǔ)。

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