钜大LARGE | 点击量：1195次 | 2021年05月14日
固态电池并非真的安全
对现有的动力锂电池来说，问题还是比较多，尤其是能量密度提高的问题，重要的问题我们认为是两点，一个是随着能量密度的提高，尤其到三百瓦时每公斤、四百瓦时每公斤、五百瓦时每公斤，这些都是为解决续驶里程供应了一个思路。这也就是这样一个对应关系，历程程的焦虑，通过能量密度的提升能够解决。但是另外又出现一个问题，随着能量密度的提高，安全问题凸显，安全的焦虑，这是第二个大的问题。17年、18年，我们认为纯电动汽车推进比较成功的特斯拉是陆续发生了多起的比较严重的安全事故。这是安全的一个焦虑。
在解决能量密度问题上，现在传统的锂离子电池重要是通过材料的优化，包括正极的高镍，乃至刚才一些老师介绍的富锂，硅碳的复合材料体系，通过隔膜上一些思路，包括材料的搀杂、电解液的改性，以及自身工艺的优化，还有等等其他一些方面。通过这样一些思路，现在能够实现电芯单体三百瓦时每公斤的现状，软包电池，但是整个电池大家公开的数据来讲，三百瓦时每公斤的电池安全性应该是没有得到完全解决。虽然能量密度解决了，安全问题又凸显了。
怎么解决安全的问题？现在一些思路对传统的锂离子电池，重要通过电解液的添加，隔膜涂附的优化、正极材料的一些思路。我们认为要真正解决安全问题的话，可能本身的思路还是通过实现全固态电化学储能器件这样一个思路。这是我们为何要做固态电池这么一个动力，通过电池构件的优化，我们发现高安全、高能量密度的固态电池技术有可能形成未来电池以及储能电池一个重要的发展趋势。但是我发现这两年好像对固态电池又有点妖魔化，我们认为固态电池它其实不是一个技术上完全的革新，它也就是现有锂离子传统电池一个技术路径的延伸。通过对现有的隔膜或者电解液，通过一个能够传导锂离子固态电解质材料的取代，以实现电池结构的变化。在正极或者负极材料上，跟现有的锂离子电池还是有比较多的兼容性。同时他们工作原理几乎是完全一致的，所以我们认为它只是在技术路线上说，为了解决现有高比能电池的一些问题，而延伸出来的一个路线。
现在我们梳理下来，在全世界范围内，我们认为尤其像美国一些初创公司，但是作为引领，像日本的丰田公司以及现有的韩国三星，他们已经起到了一个引领的用途。前两年大家比较火的像美国的公司，前些年做的还是不错的。但是现在很可惜的，像博世收购了Sell（音）之后，现在要出售这样一个公司，而且收购了S-akit3之后，也放弃了这样一个路线。我们我国前期重要以科研院所，包括一些大学在推进这个技术的研发。在公司方面，现在重要包括像北京蔚来是跟物理所合作，赣锋锂业重要跟宁波材料所合作，像一些公司，台湾（硅能、氢淘音）进行一些投入，引起广泛的关注，这是我们了解到的一些信息，公开的一些信息。
大家都在讲固态电池这么一个思路，说固态电池是安全的，实际上固态电池到底有多安全或者怎么一个安全法？现在没有一个系统的报道。，我们收集了一些情况，做了一些工作。首先在日本他们做了固态电池的测试，通过一些极限的测试，比如在火上进行烧或者进行加热的话，发现它相对是要比传统的锂离子电池安全一些。同时，我们原来在宁波材料所做了一些全固态电池的器件，对它进行一系列的测试，在早期，包括它的弯折，火上能够加热，都能体现出一定的安全特性。但是也不是所有的安全，我们也做过一些全固态电池，比如硫化物，它在某些工况条件下也是不安全的，烧起来也是比较厉害。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
我们通过和赣锋锂业的合作，固态电池产业化之后，我们做出半固态电池或者叫固液混合的电池，通过现有的锂离子电池系统的测试，包括各种像针刺、挤压、过充、过放、加热、存储等等，通过与天津的汽车技术研究中心的合作，一起做了一些测试。发现它的安全性相对现有的相同体系的传统锂离子电池，它的安全特性有一定的提升。但是也在一些极限条件下，也会发生一些失控状态的。通过这些数据，我们能够得到一个初步的结论，通过固态化这么一个技术路线，是能够解决或者部分解决现有的高比能动力锂电池安全问题。这是我个人的看法，供大家参考。
接下来，我讲一下整个全固态电池或者固液混合的路线，发展的历程。全固态电池很早就出现了，上世纪70年代，它是作为一个薄膜电池，应用于特殊领域，包括微电子器械或者特种航天这些小型器件。作为薄膜器件，已经实现商品化了，尤其一个成功的应用案例在心脏起搏器上的应用，而且美国、日本现在都在投入比较大的精力在进行发展。再一个就是我刚才讲的S-akit3这么一个公司，是把面积扩大这样一个思路，而且也实现了某些特性，尤其像体积能量密度的提升。但是后面要做到一个很大的单体容量，还是有些难度，所以用在电力上可能是有一些限制。
第二个，就是在丰田这一块，我们现在了解下来，确实它确确实实投入了近20多年的研发，集聚了整个日本国内的支持，在这块确实在做。但是他们反映下来，尤其在规模的量化制备上还是遇到比较多的瓶颈，近两年的进展稍微少一些。
我们国内科技部老早就已经有这样的布局，其实在国家战略设计上，我们和国外相比是不落后的。只是我们有些方面前期可能有些锂离子电池的技术进展比较大，大家的投入比较多，不同阶段，大家关注点不相同。
近两年，我们认为可能在基于硫化物或者刚才跟丰田的技术路线比较接近的路线上，三星是投入比较大的，而且这两年进展是比较突出的。今年三星所公布的最新数据反映，基于硫化物固体电池的全固态锂离子电池，它们的体积能量密度能做到921瓦时每升，重量能量密度能够做到427瓦时每公斤，这个在技术指标上还是体现出了基于金属锂为负极，硫化物为固体电解质这么一个技术路线技术指标上的优势。而且三星是集聚整个公司比较大的财力，现在对世界范围内相关的全固态电池的标的都进行了投资、入股、技术跟踪，这一块我们相信他们的定位还是比较明确的，对这块技术他是比较认可，而且进展确实比较快。
对欧洲来说，在全固态电池上有一个成功实现商业化的案例，法国的奥托利公司做的这个车现有保有量达到了将近四千辆，他用磷酸铁锂为正极，金属锂为负极，用有机的POG为电解质。但这个电池有一个比较大的问题，未来的能量密度提升还是有一定瓶颈，因为它整个正极只能磷酸铁锂，假如不能导入新的正极，未来整个发展可能还是受限的。但是它至少验证了，以金属锂为负极，整个全固态电池能够超过两千次的循环，这样一个数据我们也是清楚看到了。
这是我介绍的整个全固态电池现在世界范围内整个的进展，我们所收集到的一些不太全面的数据，供大家参考。
接下来介绍，首先给大家介绍这个概念，全固态电池我们认为它是一个在概念上来说，是整个电池不光是构件，在工况条件下，工作条件下，也是一个固态状态的电池体系。我们结合这样一个特点，我们认为现有的动力锂电池或者锂离子电池以电解质的特点来区分，简单来说分为三种。一个是传统的液态锂离子电池，第二是混合固液电解质的锂离子电池，包括像半固态、准固态，我不懂什么叫类固态，还有全固态，全固态里面负极可以用金属锂，可以用碳或者硅碳。就我个人来说，凝胶电解质这么一个状态和固态是没有关系的，这个观点供大家参考一下。
基于这样一个划分，我们接下来想跟大家分享的就是围绕这两个技术，包括固液混合，包括全固态的一些结果分享一下。整个历程，固态电池或者全固态电池虽然是一个技术路线的拓展，但是就我们整个团队来说，我们觉得还是比较难的。我们走了将近16年的历程，包括我们开始阶段的固态电解质，到跟日本丰田的合作，做不同电解质体系，以至于到我回国建立中科院宁波材料所固态电池团队，到现阶段我们和赣锋的合作，这些年我们在氧氧化物电解质百万级的产线实现上，要做固态电池，首先要做电解质，以至于固态隔膜的实现，整个发展跟传统电池是有些不相同的，它的隔膜不能用传统的隔膜。然后再到产业化，以至于到电池体系的实现，是一步一步走过来的，还是经历了一个比较漫长的过程。
我们近些年的进展稍微快一点，得益于早期在宁波材料所比较好的一个基础，这也是国家项目的支持，是这样一个状态。近两年赣锋锂业在这一块投资将近一个亿来进行整个工程化的推进。我们做的过程也是从最新的全固态开始做起的，比如用固态的隔膜，用金属锂为负极，用不同的正极来做，我们实现全固态电池，比如一千次的循环，容量能保持98%，同时实现了高电压的正极，比如磷酸锰铁锂、三元等等都可以做，而且安全性都是很好的，我们也做了很多安全，针刺把它刺过去放在那儿，电压变了之后，再拔出来，再看恢复这样一些过程。但是整个电池它的缺点，它的能量密度比较低的。重要的原因在于我们整个全固态电池能量密度，即使用了金属锂为负极，也只能达到120瓦时每公斤，根本没法应用于动力。重要的原因在于我们整个全固态电池的隔膜太厚，要达到200微米，而且它是致密的膜，它的重量比较大。你要提高全固态电池的能量密度，一个最重要的方向就是把隔膜减薄，我们的目标是做到25微米，跟现有的动力锂电池隔膜厚度能够兼容。
那么问题就来了，你从300微米到最后的25微米是能够做出来。但是你的整个对固态电解质来说，它的电导率不是由体相来决定的，我们这样一个变化之后，会导致隔膜导电率降了两个数量级，我假如直接用，可以实现全固态电池，它整个极化和能量密度的发挥和正极能量发挥还是受比较大限制的。为了降低整个极化，实现未来整个自动化的制造，我们要一个固液这么一个思路来实现它。我们的工作也初步验证了这一点，确实是有效的。这就是我们从全固态走到了混合固液这么一个发展的过程，是不得已而为之的状态。但是也算是一个意外的收获，通过这样一个实现之后，我们终于能够实现批次比较稳定的，单体容量比较一致性或者高效的，而且与现有的软包碟片技术路线整个自动化制备这样一个工艺流程能够实现80%以上的兼容性这样一个过程的状态，所以我们现在做出来的早期以三元为正极，碳为负极的材料路线的选择，这样一个混合固液，我们小容量12个安时，以及大容量40个安时，这样一个能量密度，都能够实现功率达到240瓦时每公斤，容量能够260瓦时每公斤这么一个状态。这个数据我就不跟大家来分享了，刚才在前面已经讲过了。
循环下来，整个循环性能还是不错的，能够与现有的传统锂离子电池进行一个媲美。我们在产业化推进上面，我们只是希望做到电芯这么一个过程，电芯做好之后，后一期现有很多产业链，只要你再做跟软包相关的一些产业链上的，都能够跟我们兼容或者能够完全把技术导入这样一些思路，存储以及到车上的应用。这是我们在固液混合上面做的一些工作，当然现在积极跟相关的一些主机厂进行对接。
我们在下一代技术上，我们在积极推进。时间关系，不跟大家讲的特别详细。我们在大容量全固态锂离子电池上开发的话，也是基于我们自己做出来这样一个硫化物无机跟有机的复合隔膜，实现了用金属锂为负极，可以用三元523或者628为正极的全固态电池的研发，我们两安时的设计，能实现接近2.2安时的放电容量，我们现在测算能够达到360瓦时每公斤，我们定位为350瓦时每公斤。现在这个电池能够实现200多次的循环，后期我们重要还是在推进一些系列的测试，它的安全性能怎么样，实现机制在哪里，它的循环性能进一步提升，在推进一些工作。当然我们也希望跟国内相关的像艾老师，武汉大学，像其他一些团队的合作。
最后讲几点我自己的观点：
第一，基于氧化物固态隔膜的混合固液电解质锂离子电池可以兼顾较高能量密度的安全特性，现在已经具备了产业化的基础，而且这个技术在国内很多专利还都是国内的自主知识产权。但是其规模化的推广还是要国家政策的支持。
另外，发展全固态电池金属锂为负极的话，有机无机复合的固态柔性膜应该是一个比较核心的材料，而且无机硫化物电解质在这一块应该有一个比较好的应用。
同时，我们认为未来金属锂的应用，假如大家不是要追求极限的能量密度，要追求能量密度较高，四百左右，但是寿命比较长的话，可能金属锂负极是不是走这样一个锂基复合，像硅和碳的复合思路，这一块我们也在跟一些科研院所合作。我们认为这个组合有可能实现全固态电池器件高能量密度和长循环寿命。但是对全固态电池来讲，我们认为整个电池规模化制备装备是亟待突破的，国内在这一块还是有所欠缺的，这一块我相信对很多设备公司是一个机遇。
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