固态电池持续升温、正极材料取得突破

电池性能的提升、技术路线的选择，一直是新能源汽车行业关注的焦点。日前，在中国电动汽车百人会举办的热点问题交流会上，中国科学院院士、清华大学汽车工程系教授、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高对外介绍了动力电池的技术进展与发展趋势。

欧阳明高重点提到，当前固态电池的研发和产业化正在持续升温，但受到固/固界面稳定性和金属锂负极可充性两大问题的制约，真正的全固态锂金属负极电池还没有成熟；与此同时，作为新型电池的锂硫、锂空气电池，目前进展相对缓慢，而我国基于高容量富锂正极和高容量硅碳负极的革新型锂离子电池方面则取得了一些突破。此外，他还谈到，至2020年，锂离子动力电池有望实现300Wh/kg的目标，目前国内外相关技术研发基本处于同一水平。

固态电池“进展最大、最多”

固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词，由于这一领域“年度进展最大、技术进展多”，成为欧阳明高的重点介绍对象。

欧阳明高介绍说：“‘全固态’与‘固态’不一样，‘锂电池’和‘锂离子电池’也不是一个概念。全固态锂电池，这个词每一个字都不能少、不能变。所谓‘全固态锂电池’是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态，不含任何液态组分的锂电池，所以全称是‘全固态电解质锂电池’。根据是否能反复充放，它可进一步细分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池，而根据负极是否直接使用金属锂为活性物质，全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和全固态金属锂电池，前者的负极采用石墨或硅、锡等合金化反应材料为负极，后者的负极用的是锂金属，而我们现在使用的负极材料主要是碳、硅碳或者钛酸锂。”

虽属前沿技术，但全固态锂电池概念比锂离子电池出现得更早，国内已有多家研究机构和产业单位投入到前者的研发中。据欧阳明高介绍，中科院青岛能源所开发的聚合物固态电池，能量密度达到300Wh/kg；中科院宁波材料所开发的无机固态锂电池，能量密度达到240Wh/kg，此外，该机构正与赣锋锂业合作推进其产业化，产品计划2019年量产。

全固态锂电池之所以在业界受到广泛关注，主要是因为它有望解决目前困扰行业发展的两大关键问题，即可提高产品的安全性和能量密度。

对此，欧阳明高表示：“全固态锂电池有几个潜在的技术优势。第一是安全性高，因为采用高热稳定性的固态电解质，代替了易燃的常规有机溶剂电解质，避免引发电解液燃烧问题；第二，能量密度高，由于金属锂的超高容量，基于相同正极时，固态金属锂电池与常规液态锂离子电池相比，能量密度将大幅提升；第三，正极材料选择的范围宽，因为负极是锂金属，正极不含锂也可以采用；第四，系统比能量高，由于电解质无流动性，可方便地通过内串联组成高电压单体，利于电池系统成组效率和能量密度的提高。”

正极材料技术取得突破

不过，全固态锂电池目前的主要技术难点还没有被攻克。据欧阳明高介绍，一是固态电解质材料的离子电导率偏低，目前固体电解质的研究主要集中于三大类材料，即聚合物、氧化物、硫化物，它们的电导率均低于常规液态电解质；二是固/固界面接触性和稳定性差，主要由于固体电解质缺乏柔韧性和流动性，固体电解质/电极间界面阻抗大，界面相容性差，同时充放电过程中材料的体积变化还易导致界面分离；三是金属锂的可充性较差，金属锂在液态电解液中反复充放电时易出现粉化、枝晶生长等问题，枝晶生长造成的电池短路还可能引发安全事故；四是制造成本偏高，制备工艺复杂，且固体电解质成本较高。正是受制于以上问题，真正意义上的全固态金属锂电池技术并未成熟，还存在不确定性。他表示，目前展现出或者有突破、有性能优势和产业化前景的主要是固态锂离子电池。

国际上，固态锂电池的研究也正在持续升温，关于固态锂电池技术的国外发展动态是：美国、欧洲、日本、韩国都在投入，但各个国家发展状态则不太一样。欧阳明高称：“美国以小公司、创业型公司为主，比如S-akit3、Solid—State两家公司，立足于颠覆性技术；日本以丰田为主，基本上是研究固态锂离子电池，将在2022年实现商品化，所以在日本并没有颠覆性研究，大部分采用石墨类负极，并非金属锂负极；韩国也是采用石墨类负极，这与日本的情况类似。”

目前，作为前沿技术的固态电池技术，尚不具备产业化发展条件。会上，欧阳明高还介绍了国内动力电池的另一主要技术进展。

2025年单体电池要达到的技术目标是比能量400Wh/kg，这就需要研究机构和企业在正极材料方面做出改进。“目前可选的正极有好几种，现在新能源汽车重点专项取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料，有两个单位承担了前沿基础项目，一个是（中科院）物理所，他们改善了富锂锰基正极循环的电压衰减，达到了100周后电压衰减降至2％以内的指标，应该说这是一个重大进展。另外一个是北京大学的团队，首次研制出比容量400mAh/g的富锂锰基正极，对于达到400Wh/kg的目标应该是没有问题的，甚至可能更高。”欧阳明高表示。

对发展趋势有了新预判

单体电池在2020年的技术目标是300Wh/kg。目前，在新能源汽车专项中，宁德时代、天津力神、合肥国轩基本上采用了大同小异的技术路线，即正极材料采用高镍三元，负极材料采用硅碳负极。欧阳明高介绍说：“三个团队中，宁德时代能量密度达到304Wh/kg，循环寿命基本上在1000次左右，安全性也通过全部测试；力神和国轩的产品循环寿命和能量密度也差不多，目前的技术指标已接近应用要求，也就是说2020年要实现产业化的300Wh/kg单体电池取得了实质性突破。”

根据以上研发进展，国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组对动力电池的发展趋势作了一个新的预判（不作为国家电池技术路线图的依据）。其中，有几个关键的时间节点值得注意。

比如，2020年，单体电池比能量要达到300Wh/kg、比功率1000Wh/kg，循环1000次以上，成本降至0.8元/Wh。再比如，到2025年，正极材料方面会进一步提升性能，比如采用富锂锰基材料，届时，单体电池比能量要达到400Wh/kg、比功率1300Wh/kg，循环2000次以上，成本降至0.6元/Wh以内。欧阳明高表示，届时常规性价比的纯电动轿车，合理续驶里程为300～400公里。

此外，到2030年，电解质方面取得突破也被寄予希望，也就是固态电池将会规模产业化。欧阳明高表示，电池单体比能量有望冲击500Wh/kg，与此同时，常规性价比车型的续驶里程将达到500公里以上。