全固态锂电池,这几个词每一个字都不能少、不能变,比方说“全固态”跟“固态”是不一样的,“锂电池”和“锂离子电池”不是一个概念。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,不含任何液态组份的锂电池,所以我们全称是“全固态电解质锂电池”。

牛牛学算术 www.q6u1.com.cn 欧阳明高

1月7日下午,由电动汽车百人会主办的“把握全球变革趋势,实现高质量发展”热点问题交流会清华大学召开。欧阳明高院士出席会议并发表了题为“2017年动力电池技术进展与发展趋势”的主旨演讲。

以下为发言全文:

欧阳明高:大家好,我没有准备综合性的发言,准备大家提问为主,因为大家水平都提高了,都很会提问,而且写的东西水平越来越高了。今天我重点讲技术问题,然后大家提问,有什么技术问题大家可以提。我讲的技术问题一部分是我个人观点,一部分是代表“十三五”国家重点研发计划《新能源汽车》科技专项总体专家组,今年年会做报告我也将代表总体专家组。

技术问题非常多,我现在重点关注有三个问题:电池、电耗、充电。

第一个,零部件层面、核心技术层面我想动力电池肯定是关键,燃料电池当然也很关键,我现在挑一个年度进展最大的,因为技术进展太多了。

第二个,整车技术,我今年关注的不是里程,是电动车的电耗,这是当前整车集成技术的核心问题。我估计今年年会也会讲这个问题。

第三个,从整个新能源汽车推广应用的系统工程来讲,充电技术正在经历需求大增长,技术大发展的时期。需要重点关注。

所以我在百人会年会大概会讲这么三个问题,但今天我只挑一个问题,就是纯技术的电池问题。

一、国内动力电池的主要技术进展。

第一方面,面向300瓦时/公斤的电池,也就是2020年的这个电池。目前新能源汽车专项里面有三个团队,一个是宁德时代新能源、一个是天津力神、一个是合肥国轩,这三个团队目前基本上采用的技术路线大同小异,正极高镍三元,负极是硅碳负极,这个电池目前技术指标已经接近应用要求,就是说我们说重大进展就是说这样的,不是说还不靠谱的,这个就是我们要报告给大家的,就是说2020年要产业化的300瓦时/公斤的电池取得了实质性突破。现在从比能量角度都已经达到,像宁德时代新能源循环寿命也基本上在1000次左右,能量密度达到304瓦时/公斤,其他两家也差不多。当然还有部分企业安全性标准还没有完全满足,宁德时代安全性也全部通过。300瓦时/公斤的单体大概能做出200-210瓦时/公斤的电池系统,因为他们基本上是软包电池,不是方形电池。我们去年年底、今年年初能量密度单体大概达到230瓦时/公斤左右,系统大约150瓦时/公斤左右。就是说我们2018、2019年还需要再提高50~70瓦时/公斤.这个我认为是可以做到的。至于350瓦时/公斤、260瓦时/公斤是我们力争的目标。

第二方面,面向2025年产业化,希望冲击单体电池400瓦时/公斤。300瓦时/公斤实际上变的是负极从碳变成硅碳,到400瓦时/公斤我们要变的是正极,目前可选的正极有好几种,现在我们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,一个是物理所,改善了富锂锰基正极循环的电压衰减。达到的指标是100周之后电压衰减降到了2%以内,应该说这是一个重大的进展。另外一个是北京大学的团队,首次研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极,对于400瓦时/公斤应该是没有问题的,甚至可能更高。

第三方面,更加前沿的,大家知道是固态电池。固态电池国内有多家研究机构和产业单位在做,包括中科院青岛能源所、宁波材料所,物理所等,也包括宁德时代新能源、中航锂电等。最近宁波材料所跟赣锋锂业合作,正在推进产业化,计划2019年量产。应当说固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词,所以下面我以固态电池为例来介绍全球动力电池技术热点。

二、全球电池技术热点:全固态电池技术

全固态锂电池,这几个词每一个字都不能少、不能变,比方说“全固态”跟“固态”是不一样的,“锂电池”和“锂离子电池”不是一个概念。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,不含任何液态组份的锂电池,所以我们全称是“全固态电解质锂电池”。这个全固态锂电池又分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池,一次电池其实已经有用的。全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和锂金属电池,这两个概念又要区别,所谓全固态金属锂电池,就是它的负极用的是锂金属,我们现在负极大家知道用的是碳或者硅碳或者钛酸锂。

全固态锂电池的概念比锂离子电池出现的更早,大家知道锂离子电池只出现了25年左右,是日本人发明的,到现在25年,真正到车上用就10多年,所以很年轻但是进步很快。早期所指的全固态锂电池,都是指金属锂为负极的全固态金属锂电池,所以一说全固态往往说到这个,就是说全固态的是以锂金属为负极的,这就是以前的概念。全固态锂电池有几个潜在的技术优势,比方说安全性高,因为它没有有机溶剂作为电解质引发电解液燃烧问题;第二,能量密度高,这个当然要说明的是,固态电解质的密度和使用量高于液态电解质,在正负极材料相同的时候,他的优势是不明显的,当然如果有了固态电解质之后就没有电解液泄漏问题,所以它可以一片片全部叠起来,不像我们非要搞一个软包包起来,这样体积比能量就会高。第三,正极材料选择的范围宽,因为负极是锂金属,正极不含锂都可以?;褂?,电解质的电压窗口会更宽些,正极材料选择范围也就大,比能量也可以提高;第四,系统比能量高,由于电解质无流动性,可以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。

但是问题也有,第一个问题是固态电解质材料的离子电导率偏低。现在有三种固态电解质,一种是聚合物,一种是氧化物,一种是硫化物,聚合物电解质这种,其实这个电池已经有了,现在在法国有些车上用,它的问题就是要加热,电池要加热到60度,离子电导率才上来,电池才能正常工作。目前氧化物电解质一般比液态的还是要低很多。只有硫化物的固态电解质现在跟液态的差不多,比如丰田就是用的这种硫化物的固态电解质,所以固态电解质是有突破的,主要的突破是在硫化物的固态电解质。

第二个问题就是固/固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的,渗透进去。但是固体和固体接触性和稳定性就不是太好了,这是它很大的一个问题。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高了,但是仍然有界面接触性和稳定性问题。    

第三个问题是金属锂的可充性问题。在固态电解质中,锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性,甚至安全性等还需要研究。

当然还有一个问题,就是制造成本偏高。

基于上述问题,特别是固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题,真正意义上的全固态金属锂电池技术,现在仍然还是不成熟的,还存在技术不确定性。目前展现出或者有突破的,有性能优势和产业化前景的,主要是固态锂离子电池。 

固态锂离子电池跟全固态锂电池有什么区别?固态电池,不一定是全都是固态电解质,就是说还有一点液态,是液态跟固态混合的,看混合的比是多大。真正的固态锂离子电池,其电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质;所谓半固态,就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的,所以还有准固态的,就是主要为固态、少量是液态。

关于固态锂电池国内外动态。现在固态锂电池持续升温,美国、欧洲、日本、韩国、我国,都在投入。各个国家心态不太一样。例如美国,以小公司,创业型公司为主。美国有两家公司还是不错的,都是初创公司,一个是S-akit3,续驶里程能到500公里,现在还处于初级阶段?;褂幸桓鯯olid—State,还有一家公司被宝马等几家大公司投资了。因此美国主要是小公司、创业公司干,立足于颠覆性技术。日本的,基本上是固态锂离子电池,最著名的丰田,将在2022年实现商品化,我们看看丰田干的是什么?丰田做的不是全固态锂金属电池,做的是固态锂离子电池,它的负极是石墨类,硫化物电解质,高电压正极,单体电池容量15安时,电压是十几V的那种,2022年实现商品化,这个是靠谱的。所以在日本,并没有颠覆,还是锂离子电池,正负极还可以用以前的。韩国,也是石墨类负极,并不是金属锂负极,跟日本差不多。中、日、韩的情况是类似的,因为我们已经有了很大的锂离子电池的产业链,不希望推倒重来。

三、综合评述与展望

第一,锂离子动力电池有望于2020年前实现300瓦时/公斤目标,目前国内外技术研发基本处于同一水平,但安全性研究尚待加强。这种电池的核心是安全性。

第二,作为实现远期目标的两类新体系,锂硫、锂空气电池方面,目前国内外进展相对缓慢,2017年没有看到突破性的进展。从原理来讲,锂硫电池的重量比能量跟体积比能量基本相当,所以它的体积比能量要提上来是有相当难度的。我们乘用车、轿车对体积比能量的要求可能比重量比能量来的还要重要,虽然说有每公斤400瓦时/公斤,体积比能量也只有400瓦时/升,这个我们对轿车来讲就不大好了。锂离子电池一般来讲,比方说重量比能量300,体积比能量比如300瓦时/公斤,就可以达到600瓦时/升。锂空气电池,应该说集合了锌空电池、氢燃料电池、锂二次电池的所有难点。相比而言氢燃料电池更具竞争优势。

第三,固态电池的研发产业化持续升温,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,但是以无机硫化物作为固态电解质的锂离子电池应该说出现突破。总体看固态电池发展的路径,电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态,最后到全固态。至于负极,会是从石墨负极,到硅碳负极,我们现在正在从石墨负极向硅碳负极转型,最后有可能到金属锂负极,但是目前还存在技术不确定性。

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