鉅大LARGE | 點擊量：1730次 | 2018年12月27日
固態(tài)電池在電動汽車領域應用的建議
近年來，固態(tài)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(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省自2018年5月起已出資16億日元，聯(lián)合本國豐田、本田等汽車廠商及電池、材料廠商，共同研發(fā)固態(tài)電池，將固態(tài)電池上升到國家戰(zhàn)略高度，欲搶占行業(yè)發(fā)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(tài)電池的研發(fā)、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(tài)電池研發(fā)取得新進展
固態(tài)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(tài)鋰離子電池和全固態(tài)金屬鋰電池。與傳統(tǒng)鋰電池一樣，固態(tài)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(tài)化。
固態(tài)電池是動力電源的潛在競爭者。固態(tài)電池突破傳統(tǒng)鋰電池的技術短板，有望解決目前困擾動力電池行業(yè)的兩大“挑戰(zhàn)”——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(tài)電池優(yōu)勢明顯：一是安全性高。由于固態(tài)電池的電解質固態(tài)化，不含易燃易爆、易揮發(fā)等成分，可徹底消除電池因漏液引發(fā)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(xiàn)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(jié)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(tài)電解質電化學窗口寬，可以兼容金屬鋰負極和新研發(fā)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(tài)電池可提供的能量密度約為300-400Wh，且具有循環(huán)性強、適用范圍廣、柔性強、回收方便等優(yōu)勢。
主要國家研發(fā)應用不斷取得新突破。日本豐田、美國Sakti3、法國Bolloré為全球固態(tài)電池研發(fā)三巨頭，分別代表了硫化物、氧化物和聚合物三大固態(tài)電解質的技術開發(fā)方向。日本是固態(tài)電池研發(fā)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(tài)鋰離子電池，約為現(xiàn)有鋰離子電池的3倍。計劃于2020年全面實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，并將全固態(tài)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(tài)電池的專利數(shù)量居全球首位。在美國，Sakti3公司已研發(fā)出能量密度達到1000Wh的固態(tài)電池，若實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)后，成本只有當前鋰電池的20%。在法國，Bolloré公司研發(fā)的固態(tài)電池已經(jīng)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(yè)化全固態(tài)電池。在我國，中科院在固態(tài)電池上的布局相對較早。中科院青島能源所已自主研發(fā)6Ah大容量三元固態(tài)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(fā)出新型雙功能聚合物電解質，可用于室溫固態(tài)金屬鋰電池；寧德時代正加速硫化物全固態(tài)鋰金屬電池的研發(fā)；贛鋒鋰業(yè)已投資建設億瓦時級第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線。
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%
02固態(tài)電池成為主導動力電源仍有差距
固態(tài)電解質技術瓶頸制約固態(tài)電池的發(fā)展。固態(tài)電解質材料很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如安全性能、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、高低溫性能以及使用壽命等。固態(tài)電解質的發(fā)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(xiàn)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(guī)模商業(yè)化應用；氧化物化學穩(wěn)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(huán)境穩(wěn)定性差。這兩種作為無機物固態(tài)電池最大的問題是能量密度相對較低，與現(xiàn)有電池相比尚無經(jīng)濟性優(yōu)勢。
固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應用尚需時日。目前，固態(tài)電解質電導率總體偏低，導致固態(tài)電池倍率性能較低、充電速度慢，成本較高，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化應用。一是充電速度慢。由于固態(tài)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(nèi)阻急劇增大、充電過程中能量損失較快，從而充電時間長。據(jù)統(tǒng)計，快充也仍需要5小時以上。二是規(guī)模化制備工藝有待提高。固態(tài)電池生產(chǎn)工藝尚未成熟，例如固態(tài)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(huán)境更為苛刻。三是生產(chǎn)成本高。目前，液態(tài)鋰電池生產(chǎn)成本在200-300美元/千瓦時，而固態(tài)電池尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(fā)的固態(tài)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(tài)電池技術
緊跟技術發(fā)展新動向，著力突破關鍵材料和工藝技術。發(fā)展固態(tài)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(fā)展的有利時機，鼓勵在固態(tài)電池領域具有基礎優(yōu)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(fā)展新趨勢，進一步加強固態(tài)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(chǎn)業(yè)投資專項基金、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)投資基金等對固態(tài)電池的支持。發(fā)揮風險基金等作用，鼓勵社會資本投向固態(tài)電池創(chuàng)新型企業(yè)和基礎研究、關鍵技術攻關、產(chǎn)業(yè)化培育等項目。進一步鼓勵企業(yè)加大研發(fā)投入，特別是對從事早期技術研發(fā)的企業(yè)可提供稅收優(yōu)惠政策。
開展國際合作，加快引進固態(tài)電池先進技術。鼓勵企業(yè)依托我國巨大的市場需求優(yōu)勢，與美國Sakti3、Seeo、日本豐田等擁有先進固態(tài)電池技術的企業(yè)開展合作，利用技術外溢效應，帶動我國固態(tài)電池自主創(chuàng)新發(fā)展。
