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固態電池在電動汽車領域應用的建議

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年12月27日  

近年來,固態電池在材料結構和性能上不斷取得突破,被認為是未來替代鋰離子動力電池的最終解決方案。日本經濟產業省自2018年5月起已出資16億日元,聯合本國豐田、本田等汽車廠商及電池、材料廠商,共同研發固態電池,將固態電池上升到國家戰略高度,欲搶占行業發展制高點。為此,我國在提升技術相對成熟的鋰離子電池性能的同時,也應加快固態電池的研發、儲備及應用,建立電動汽車的多類型動力電池供應體系。


01固態電池研發取得新進展


固態電池使用固體電極材料和固體電解質材料,是不含有任何液體的鋰電池。主要包括全固態鋰離子電池和全固態金屬鋰電池。與傳統鋰電池一樣,固態電池由正極、負極、電解質等各單元構成,工作原理相同。兩者構成的差異主要在于電解質固態化。


固態電池是動力電源的潛在競爭者。固態電池突破傳統鋰電池的技術短板,有望解決目前困擾動力電池行業的兩大“挑戰”——安全隱患和能量密度低,成為電動汽車電源的有力競爭者。固態電池優勢明顯:一是安全性高。由于固態電池的電解質固態化,不含易燃易爆、易揮發等成分,可徹底消除電池因漏液引發的電池冒煙、起火等,以及在充放電過程中生成鋰枝晶造成的安全隱患,被稱為最安全電池體系。二是能量密度高。目前,市場上應用的磷酸鐵鋰電池單體能量密度約為120-140Wh,三元電池單體能量密度約為130-220Wh。受制于現有體系架構和關鍵正極材料影響,這兩種電池均難以滿足我國《節能與新能源汽車技術路線圖》中提出的到2025年、2030年鋰電池能量密度分別達到400Wh、500Wh的需求。而固態電解質電化學窗口寬,可以兼容金屬鋰負極和新研發的高電勢正極材料,適配性強,能極大地提升能量密度空間。目前,固態電池可提供的能量密度約為300-400Wh,且具有循環性強、適用范圍廣、柔性強、回收方便等優勢。


主要國家研發應用不斷取得新突破。日本豐田、美國Sakti3、法國Bolloré為全球固態電池研發三巨頭,分別代表了硫化物、氧化物和聚合物三大固態電解質的技術開發方向。日本是固態電池研發最早且技術最為成熟的國家,以豐田公司為代表。豐田已推出能量密度為400Wh/L的全固態鋰離子電池,約為現有鋰離子電池的3倍。計劃于2020年全面實現全固態電池商業化,并將全固態電池應用于RAV4車型,將行駛里程提高至500公里。豐田以擁有30項固態電池的專利數量居全球首位。在美國,Sakti3公司已研發出能量密度達到1000Wh的固態電池,若實現商業化量產后,成本只有當前鋰電池的20%。在法國,Bolloré公司研發的固態電池已經批量應用于共享電動汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus”,總體應用超過3000輛,這是全球首次用于電動汽車的商業化全固態電池。在我國,中科院在固態電池上的布局相對較早。中科院青島能源所已自主研發6Ah大容量三元固態鋰電池,并用于深潛器進行馬里亞納海溝探測;中科院化學研究所成功開發出新型雙功能聚合物電解質,可用于室溫固態金屬鋰電池;寧德時代正加速硫化物全固態鋰金屬電池的研發;贛鋒鋰業已投資建設億瓦時級第一代固態鋰電池研發中試生產線。


02固態電池成為主導動力電源仍有差距


固態電解質技術瓶頸制約固態電池的發展。固態電解質材料很大程度上決定了固態電池的各項性能參數,如安全性能、功率密度、循環穩定性、高低溫性能以及使用壽命等。固態電解質的發展主要遵循兩條路線,一是聚合物路線;二是無機物路線,無機物又可分為氧化物和硫化物。但現階段兩種技術路線均存短板。具體是:聚合物固體電解質雖高溫工作性能較好,但室溫電導率較低、電壓較低,限制了其大規模商業化應用;氧化物化學穩定性好,但室溫離子電導率較低。硫化物具有較高的室溫離子電導率,但是其環境穩定性差。這兩種作為無機物固態電池最大的問題是能量密度相對較低,與現有電池相比尚無經濟性優勢。


固態電池產業化應用尚需時日。目前,固態電解質電導率總體偏低,導致固態電池倍率性能較低、充電速度慢,成本較高,阻礙了其產業化應用。一是充電速度慢。由于固態電池的電解質材料均為固體,導電過程中是點接觸,因此電極與電解質之間有效接觸較弱,界面阻抗過大,造成電池內阻急劇增大、充電過程中能量損失較快,從而充電時間長。據統計,快充也仍需要5小時以上。二是規模化制備工藝有待提高。固態電池生產工藝尚未成熟,例如固態電解質膜的柔韌性不佳,電芯組裝更多偏向疊片而非卷繞工藝,但細分工藝仍未知;在涂布、封裝等工序需要定制化的設備,并在更高要求的干燥間進行,制造環境更為苛刻。三是生產成本高。目前,液態鋰電池生產成本在200-300美元/千瓦時,而固態電池尚未實現產業化,成本非常高。按照美國Sakti3公司預測,其最終會把以氧化物技術研發的固態電池成本降低至100美元/千瓦時,但Sakti3并沒有公布具體時間計劃。


03我國需跟進研究固態電池技術


緊跟技術發展新動向,著力突破關鍵材料和工藝技術。發展固態電池是搶占全球車用動力電池技術制高點的重要舉措,我國應抓住電動汽車快速發展的有利時機,鼓勵在固態電池領域具有基礎優勢的科研機構,如寧波大學、中科大、中科院物理所、中電十八所等,緊跟國際技術發展新趨勢,進一步加強固態電池在工作過程中的固-固界面結構特征、離子傳輸、空間電荷層等機理研究;重點突破高離子電導率的聚合物、氧化物、硫化物等關鍵電解質材料,電極與固體電解質膜的大面積、高速度制造等電芯技術,從而降低界面電阻提高電池高倍率容量。


加大政府財稅支持及科研投入力度。加強產業投資專項基金、創新創業投資基金等對固態電池的支持。發揮風險基金等作用,鼓勵社會資本投向固態電池創新型企業和基礎研究、關鍵技術攻關、產業化培育等項目。進一步鼓勵企業加大研發投入,特別是對從事早期技術研發的企業可提供稅收優惠政策。


開展國際合作,加快引進固態電池先進技術。鼓勵企業依托我國巨大的市場需求優勢,與美國Sakti3、Seeo、日本豐田等擁有先進固態電池技術的企業開展合作,利用技術外溢效應,帶動我國固態電池自主創新發展。

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