鉅大LARGE | 點擊量：1724次 | 2021年05月25日
固態(tài)電池的技術(shù)和應用
從電池能量計算來說，熱力學這一塊我們現(xiàn)在初步的認為短時間在這一塊，就是第一代和第三代的，還有第二代，中期是金屬鋰離子電池，長期可能是鋰枝晶空氣電池和鋰硫電池，這一塊都是基于可充放的鋰離子電池，第一代和第二代重要是鋰離子電池，從這一條來看就是能量密度以及相關(guān)的指標也都會有一些差別。我今天想介紹一下固態(tài)鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池的差別，第二固態(tài)鋰離子電池的應用，第三固態(tài)電池的布局。針對鋰離子電池和鋰離子電池的情況。
固態(tài)鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池的含義?，F(xiàn)在社會上針對鋰離子電池的聲音很多，其實從我們的理解來看，到現(xiàn)在為止除了在法國巴黎街都基于PEO體系的磷酸鐵鋰固態(tài)電池有量產(chǎn)以外，剩下沒有安時級的純固態(tài)電池，現(xiàn)在看大家對這個含義我們還是要進行一個明確。第一個叫液態(tài)鋰蓄電池或者液態(tài)鋰離子電池，第二個叫混合固液電解質(zhì)鋰蓄電池，第三個叫半固態(tài)鋰離子電池，第四個是全固態(tài)鋰離子電池。
第一個針對液態(tài)鋰離子電池這一塊，電解液中只含有液體電解質(zhì)的這種鋰蓄電池，單純從電解液角度考慮?；旌瞎桃菏请姵刂型瑫r含有液體和固體電解質(zhì)的鋰蓄電池。半固態(tài)就是電池中任一側(cè)電極只要不含電解液我們就認為是半固態(tài)鋰離子電池。最后是全固態(tài)鋰離子電池，就是電池單體里頭沒有液體，這就叫全固態(tài)鋰離子電池。所以現(xiàn)在針對電池里頭，比如說我用PEDF做成一種凝膠的，或者比如我用某一種高分子材料做成的叫不叫固態(tài)鋰離子電池，從我們的含義里頭似乎不叫，當然不同的人叫不相同，他可能也出一個含義的標準，這個我們就不說了。
針對電池的分類里頭，液態(tài)電池、混合固液電池和全固態(tài)電池里頭有不同的含義，前面也簡單講了，這里頭針對這個體系做了一個更明確的細分。液態(tài)電池和固態(tài)電池的優(yōu)劣勢比較到底有什么呢?
第一個，就是在濫用條件下容不容易著火、容不容易爆炸的情況，從目前來看，我們初步的判斷，全固態(tài)電池不可燃燒、不會爆炸、沒有泄露、沒有腐蝕分子，這只是我們的判斷，真正的數(shù)據(jù)還會要實際測試電池的數(shù)據(jù)，因為里頭沒有液體了，沒有體積急劇膨脹的材料了，所以我們認為它應該不會爆炸，可燃物基于負極金屬鋰，我們最近跟軍隊在做一個項目，在軍隊這一塊希望我們的電池在海水浸泡條件下做針刺會不會著火，這個我覺得現(xiàn)在我不敢說，有可能會著火，所以針對在耐用條件下會不會著火，外部這些條件其實影響因素很大，這是第一個。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第二個就是腐蝕、界面反應問題和高溫壽命的問題，前面大家一直在說針對整個的電池系統(tǒng)需不要做熱管理，王博士也一直在講假如我們做自然冷卻可不可以，現(xiàn)在的這個電池體系假如它比如說冗余度做得足夠好的話我覺得是可以的，但是賭博固態(tài)電池來說可能更好。關(guān)于固態(tài)電池，現(xiàn)在的從高溫到低溫基本上是線性的，所以溫度低，它的離子電導率會低，溫度低了以后離子電導率會高。
所以從固態(tài)電池本身來考慮的話，我們認為高溫條件下它的工作可能會更好，從整個電池系統(tǒng)設(shè)計來看，我們可能可以不再做冷卻系統(tǒng)，但是加熱系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)我們可能還是要的。第三個就是針對氣脹變形、壽命短，原材料純度要求高。電池充放過程中只有鋰離子在跑，其他的都不跑，所以對材料的純度要求可以相對降低。
制造成本和工藝復雜性這一塊，目前來看，從我們整個的項目推進角度來看的話，我們想著盡可能能兼容現(xiàn)有的設(shè)備，制造成本盡可能降低，能量密度這一塊，液態(tài)電池大家都認為天花板在350Wh/Kg左右，或者350Wh/Kg以下，關(guān)于固態(tài)電池可能可以做得更高，并且我們預期有可能能做到500Wh/Kg左右，當然也是從下面一步步往上做。
下面重要是針對缺陷，就是提升大規(guī)模應用、材料體系的發(fā)展、安全性的提高、成本具有顯著優(yōu)勢等等這些，固態(tài)電池其實現(xiàn)在在倍率性、在低溫條件下，續(xù)航性都做得不夠好。
簡單歸納總結(jié)，液態(tài)電池和固態(tài)電池的差別，固態(tài)電池可以使用金屬鋰作為負極，固態(tài)電池有望達到更高的能量密度，有望做得更安全(沒有熱失控)，可以做到更低的成本，可以做到更長的壽命，現(xiàn)在針對國家儲能這一塊，關(guān)于固態(tài)電池的要求，它的循環(huán)壽命是一萬次以上，壽命要求20年以上，這個要求還是非常高的。針對固態(tài)電池這一塊，這是液態(tài)電池，它是基于內(nèi)部并聯(lián)結(jié)構(gòu)，它可能會做一些調(diào)整，現(xiàn)在希望做成這樣，因為固態(tài)電池本身里面有鋰離子在跑，其他的都不跑，所以我們把中間的集流體做成高分子的集流體，就是我只要電子能導電，離子不導電就行。正極的活性材料可以走到這一邊，負極的活性材料可以到這邊，這樣我可以做成一個電池內(nèi)部串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，單體電池的電壓有望可以達到60V，為何說是60V?因為60V是直流的最高的安全電壓，這樣我可以把銅箔比較沉的取消掉，鋁箔比較高的取消掉，能量密度還可以提高，體積比能量還可以再提高。
這是針對能量密度這一塊，重量比能量這一塊也可以看一下，目前流行的是這些，大家看一下，LLZO材料密度是5.07，最輕的是PEO-LITFSI，它的密度是0.93，電解液大概是在1到1.2，也就是說假如我單純地把電解液換成電解質(zhì)，固態(tài)電池的能量密度一定是降低的，大家可以看一看，假如我把電解液替換成電解質(zhì)，基于現(xiàn)在的電池能量密度可以看一看，液態(tài)電池假如做到300、297，用LLZO是186，用LAGP是216，最高的是用聚合物，可以做到301，這是做整體的比較，有關(guān)電解液的不同，采用同樣固態(tài)電解質(zhì)的電芯質(zhì)量能量密度將降低。固態(tài)電解質(zhì)不具流動性體積占比一半高于液態(tài)，導致體積能量密度進一步降低。
能量密度非對等比較，鋰對固態(tài)電解質(zhì)，對NCM，對歸硅，液態(tài)電解質(zhì)對NCM這種體系的話我們認為有可能做得高，也就是說假如做成全固態(tài)的，所以負極一定要改。第二個關(guān)于正極這一塊，假如我還用現(xiàn)在的材料，我叫它固態(tài)電解質(zhì)是沒有優(yōu)勢的，所以我要往高電壓走，這是固態(tài)電池大概的方向。
功率密度這一塊，大家都在說固態(tài)電池既然本體的離子電導率沒有那么高，它的倍比性是不是不好?他們做了極限實驗，電池重量比能量大概是在不到20Wh/Kg，這個電池可以1500次放電，這就是全固態(tài)電池，它的電池溫度可以設(shè)得很高，沒關(guān)系，假如是液態(tài)電池就不行了，這里頭也可以看出來，假如我們要真正做到超高功率的電池的話，全固態(tài)電池其實還是有優(yōu)勢的。
我們期望全固態(tài)電池解決的問題：防止SEI膜持續(xù)生長，防止鋁箔被腐蝕，不再擔心游離過渡金屬，不再擔心過渡金屬溶解，不再擔心正極析氧，不再懼怕低溫過充析鋰，不再懼怕鋰枝晶短路，負極可以含鋰，正極可以充到高電壓，不再擔心漏液，不擔心高溫儲存及運行，大大降低熱失控風險，不再爆炸，這是我們希望全固態(tài)電池能解決的內(nèi)容，但是真要解決了就妥了。
固態(tài)電解質(zhì)這一塊，目前全球在做研究開發(fā)的或者比如說能買得到的固態(tài)電解質(zhì)大概是這六種，看看這個特種圖，沒有一個是非常好的或者可以直接用的。有不同的優(yōu)點，也有不同的缺點，有的就是性能好，有的就是可量產(chǎn)性好，量產(chǎn)性不好，有的比如說在做的時候做不好，有的對水特別敏感。
看看正極材料，從現(xiàn)在來看，實心數(shù)據(jù)右邊界為2017年水平，虛框為未來發(fā)展?jié)摿?，我們認為現(xiàn)有的正極材料發(fā)展的空間還有這么大。正極能量密度進一步提升的辦法是：攙雜、包覆、CEI添加質(zhì)，然后提高晶壓實密度、提高正極厚度，等等這都是操作的辦法。
再看看負極，實心區(qū)域為目前量產(chǎn)水平，虛框為發(fā)展?jié)摿?。我們認為假如做到預鋰化，我們可以把現(xiàn)有的材料基于克容量拉平，拉平到一千毫安每克，有沒有可能做得更高?可以，但是為了跟正極匹配，優(yōu)化做得比較好，我們認為做到一千毫安每克就夠了。
固態(tài)電池的部分，固態(tài)電池分為四類，第一個是去喝物固態(tài)電池，第二個是薄膜全固態(tài)電池，第三個是硫化物全固態(tài)鋰離子電池，第四個是氧化物全固態(tài)鋰離子電池。
聚合物全固態(tài)鋰離子電池有量產(chǎn)的，聚合密度應該在220、240，不超過260，正極用的是磷酸鐵鋰，固態(tài)電解質(zhì)用的是基于PEO的TFSI體系，這個電池目前有量產(chǎn)的，有運營的，也有數(shù)據(jù)，但是它的缺點就是在60-85度工作，我了解的是有著火和爆炸的，在60-85度工作PEO是然的，基于內(nèi)部短路，鋰之間發(fā)生的可能性是存在的。
第二個薄膜電池，薄膜電池目前我了解的，循環(huán)壽命可以做到非常長，一萬次以上，很容易，這個電池最大的缺點就是做不大，這個電池一般都是最大做到豪安時級別，可以做到可穿戴級別的電池。
第三個是硫化物，重要集中在日本這一塊，他們在做這些工作，硫化物最大的優(yōu)點就是硫化物電解質(zhì)本體的離子電導率非常高，比液態(tài)電池電解液的離子電導率還要高一個數(shù)量級，但是硫化物對水非常敏感，假如基于硫化物的全固態(tài)電池一旦被別的電池或者被別的高溫的燒著了，它有可能會釋放硫化氫，臭雞蛋味的硫化氫，所以我們一直在評估、評價這個體系關(guān)于將來量產(chǎn)，基于將來的比如說對環(huán)境的影響以及回收、梯次利用會不會有一定的瓶頸。
第四個就是氧化物，簡稱為陶瓷材料，這個材料好處很多，可以耐受高電壓，可以更安全，壞處也很多，阻抗會很大，所以總體看下來，基于大家在做研究開發(fā)的全固態(tài)電池沒有一個好的。
從電池材料的技術(shù)路徑來看，假如負極不含鋰，正極一定是含鋰的，假如負極含鋰了，我可選擇的余地就要大得多。所以只有安全性、能量密度、循環(huán)壽命、日歷壽命顯著提高，成本及功率特性接近于甚至于優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池的時候，全固態(tài)電池技術(shù)才有競爭力。
從整個的產(chǎn)業(yè)鏈來看，包括原材料，包括電池材料，包括應用，包括回收，整體的我們做了一個分析，原則上鋰離子電池加預鋰化或者金屬鋰的技術(shù)，我們可以做成混合固液或者全固態(tài)的電池，針對不同應用的固態(tài)鋰離子電池的材料體系和技術(shù)體系選擇應該有所不同。固態(tài)電池可以采用全新的模組結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括剛才的熱設(shè)計，目前材料體系、電芯、模組、智能制造技術(shù)尚未確定，到現(xiàn)在為止其實全固態(tài)電池到底采用哪一種材料體系，到底采用哪一種工藝技術(shù)路線還沒有定型。
針對混合固液電解質(zhì)的電池，還有固液電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的電池做了一個更全面的描述，就是混淆固液電解質(zhì)鋰離子電池技術(shù)挑戰(zhàn)分析。大家可以簡單地看一下，針對半固態(tài)的電解質(zhì)的話，一般來說，我們希望在今年的標準化體系建設(shè)里頭，我們也和王博士一起聯(lián)合做標準的建設(shè)，假如我們是半固態(tài)電池，我們一定要有準確的辦法，把里面的電解也含量到底有多少，一定要定量出來，到了電池里頭，大家都在說電解液的含量是20%、15%、10%還是5%，這個差別是很大的，沒有一個特別好的辦法來標定，所以希望今年能把針對電解液的含量標定作為一個標準能夠首先提出來。
全固態(tài)電池里頭最難做的是什么?液態(tài)電池大家都了解電解液一注進去之后，電解液就可以把正極、負極材料、隔膜材料整個浸透，所以我們認為基本上相當于活性材料和非活性材料是侵到了電解液里頭，可以認為是點面接觸，但是關(guān)于全固態(tài)電池來說的話是點點接觸，所以界面電阻的解決方法是全固態(tài)電池最最關(guān)鍵的問題。這里面我們大概地列了兩個全固態(tài)電池的界面阻抗怎么解決的辦法。
簡單總結(jié)，鋰離子電池電導率、高耐氧化電位、兼顧力學與離子傳導特性、能夠在全壽命周期完全阻止鋰枝晶穿刺的聚合物復合固態(tài)電解質(zhì)膜尚未突破。第二，固態(tài)電解質(zhì)層與電極層界面電阻較大。第三，循環(huán)過程中固態(tài)電解質(zhì)相與電極內(nèi)顆粒接觸變差。第四鋰沉積位點及形貌不易控制。第五，純金屬鋰電極存在較大的體積變化。第六，高速高效率全固態(tài)電池的制造工藝和裝備尚不成熟。第七，全固態(tài)電池低溫特性尚需改善。第八，全壽命周期全固態(tài)鋰離子電池安全性與熱失控行為機理不清楚。所有以上的問題我們希望在三年內(nèi)找到解決方法，我們希望在五年之內(nèi)實現(xiàn)小試，希望在八年之內(nèi)做到規(guī)?；膽?，這是我們的遠景。
第二個講一下固態(tài)鋰離子電池的應用。
固態(tài)鋰離子電池應用在什么地方?幾乎現(xiàn)在電池能用的地方我們認為都可以用，因為它也是鋰離子電池。從儲能的角度上來說，我們認為應該也是可以使用的。第三個新能源汽車這一塊，從第一代到第二代、到第三代，可能我們要做一些歸納總結(jié)，汽車上我們應該也是可以使用的。刷是在歐洲這一塊已經(jīng)規(guī)?；瘧昧?，日本豐田也提出來了到2020年認為固態(tài)電池是最有可能最新被用到汽車上的。整個產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計來看，關(guān)于固態(tài)電池是前期的，我們希望有一個充分的基于全壽命周期的考慮。從標準化的建設(shè)來說，我們也希望隨著相關(guān)工作的推進同步推進。從電池的換電模式來看的話，我們只是以一個初步的想法，假如我們的固態(tài)電池，我們的體積比能量做到800Wh/Kg以上，重量比能量做到50以上的話，我們認為做成快換的模式是有可能的，做成標準化的快，比如一定的體積，做到一定的能量可以快速地進行更換。同時我們希望這個是基于換電模式標準化推進，我們希望把固態(tài)電池既然在整車的底盤下面，這個空間是最安全的，我們希望固態(tài)電池和整車進行一體化設(shè)計，把電芯做大，定向開發(fā)，現(xiàn)在拿了一個北汽的電池包做一個簡單的比較，這是C30車，現(xiàn)在的電池包厚度大概是150，后面的厚度大概是260，假如換成全固態(tài)電池，能量保持不變的話，我們認為這個體積可以控制在50毫米，也就是說這是150，我們可以控制在50，這個對整車設(shè)計來說就會變得非常簡單。所以我們希望有沒有這種可能性，第一個是說我們在整車的底盤下面做一個固定的電池包，同時基于體積比能量和重量比能量的提高，做成換電的這種小的標準化的電池包這種可能性。
