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加快固态电池在电动汽车领域应用的建议

目前,固态电解质电导率总体偏低,导致固态电池倍率性能较低、充电速度慢,成本较高,阻碍了其产业化应用。由于固态电池的电解质材料均为固体,导电过程中是点接触,因此电极与电解质之间有效接触较弱,界面阻抗过大,造成电池内阻急剧增大、充电过程中能量损失较快,从而充电时间长。
发布时间:2018-11-27 10:42        来源:赛迪智库        作者:刘文婷

近年来,固态电池在材料结构和性能上不断取得突破,被认为是未来替代锂离子动力电池的最终解决方案。日本经济产业省自2018年5月起已出资16亿日元,联合本国丰田、本田等汽车厂商及电池、材料厂商,共同研发固态电池,将固态电池上升到国家战略高度,欲抢占行业发展制高点。为此,我国在提升技术相对成熟的锂离子电池性能的同时,也应加快固态电池的研发、储备及应用,建立电动汽车的多类型动力电池供应体系。

一、固态电池研发取得新进展

固态电池使用固体电极材料和固体电解质材料,是不含有任何液体的锂电池。主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池。与传统锂电池一样,固态电池由正极、负极、电解质等各单元构成,工作原理相同。两者构成的差异主要在于电解质固态化。

固态电池是动力电源的潜在竞争者。固态电池突破传统锂电池的技术短板,有望解决目前困扰动力电池行业的两大“挑战”——安全隐患和能量密度低,成为电动汽车电源的有力竞争者。固态电池优势明显:一是安全性高。由于固态电池的电解质固态化,不含易燃易爆、易挥发等成分,可彻底消除电池因漏液引发的电池冒烟、起火等,以及在充放电过程中生成锂枝晶造成的安全隐患,被称为最安全电池体系。二是能量密度高。目前,市场上应用的磷酸铁锂电池单体能量密度约为120-140Wh/kg,三元电池单体能量密度约为130-220Wh/kg。受制于现有体系架构和关键正极材料影响,这两种电池均难以满足我国《节能与新能源汽车技术路线图》中提出的到2025年、2030年锂电池能量密度分别达到400Wh/kg、500Wh/kg的需求。而固态电解质电化学窗口宽,可以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料,适配性强,能极大地提升能量密度空间。目前,固态电池可提供的能量密度约为300-400Wh/kg,且具有循环性强、适用范围广、柔性强、回收方便等优势。

主要国家研发应用不断取得新突破。日本丰田、美国Sakti3、法国Bolloré为全球固态电池研发三巨头,分别代表了硫化物、氧化物和聚合物三大固态电解质的技术开发方向。日本是固态电池研发最早且技术最为成熟的国家,以丰田公司为代表。丰田已推出能量密度为400Wh/L的全固态锂离子电池,约为现有锂离子电池的3倍。计划于2020年全面实现全固态电池商业化,并将全固态电池应用于RAV4车型,将行驶里程提高至500公里。丰田以拥有30项固态电池的专利数量居全球首位。在美国,Sakti3公司已研发出能量密度达到1000Wh/kg的固态电池,若实现商业化量产后,成本只有当前锂电池的20%。在法国,Bolloré公司研发的固态电池已经批量应用于共享电动汽车“Autolib”和小型电动巴士“Bluelus”,总体应用超过3000辆,这是全球首次用于电动汽车的商业化全固态电池。在我国,中科院在固态电池上的布局相对较早。中科院青岛能源所已自主研发6Ah大容量三元固态锂电池,并用于深潜器进行马里亚纳海沟探测;中科院化学研究所成功开发出新型双功能聚合物电解质,可用于室温固态金属锂电池;宁德时代正加速硫化物全固态锂金属电池的研发;赣锋锂业已投资建设亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线。

二、固态电池成为主导动力电源仍有差距

固态电解质技术瓶颈制约固态电池的发展。固态电解质材料很大程度上决定了固态电池的各项性能参数,如安全性能、功率密度、循环稳定性、高低温性能以及使用寿命等。固态电解质的发展主要遵循两条路线,一是聚合物路线;二是无机物路线,无机物又可分为氧化物和硫化物。但现阶段两种技术路线均存短板。具体是:聚合物固体电解质虽高温工作性能较好,但室温电导率较低、电压较低,限制了其大规模商业化应用;氧化物化学稳定性好,但室温离子电导率较低。硫化物具有较高的室温离子电导率,但是其环境稳定性差。这两种作为无机物固态电池最大的问题是能量密度相对较低,与现有电池相比尚无经济性优势。

固态电池产业化应用尚需时日。目前,固态电解质电导率总体偏低,导致固态电池倍率性能较低、充电速度慢,成本较高,阻碍了其产业化应用。一是充电速度慢。由于固态电池的电解质材料均为固体,导电过程中是点接触,因此电极与电解质之间有效接触较弱,界面阻抗过大,造成电池内阻急剧增大、充电过程中能量损失较快,从而充电时间长。据统计,快充也仍需要5小时以上。二是规模化制备工艺有待提高。固态电池生产工艺尚未成熟,例如固态电解质膜的柔韧性不佳,电芯组装更多偏向叠片而非卷绕工艺,但细分工艺仍未知;在涂布、封装等工序需要定制化的设备,并在更高要求的干燥间进行,制造环境更为苛刻。三是生产成本高。目前,液态锂电池生产成本在 200-300 美元/千瓦时,而固态电池尚未实现产业化,成本非常高。按照美国Sakti3 公司预测,其最终会把以氧化物技术研发的固态电池成本降低至 100 美元/千瓦时,但 Sakti3 并没有公布具体时间计划。

三、我国需跟进研究固态电池技术

紧跟技术发展新动向,着力突破关键材料和工艺技术。发展固态电池是抢占全球车用动力电池技术制高点的重要举措,我国应抓住电动汽车快速发展的有利时机,鼓励在固态电池领域具有基础优势的科研机构,如宁波大学、中科大、中科院物理所、中电十八所等,紧跟国际技术发展新趋势,进一步加强固态电池在工作过程中的固-固界面结构特征、离子传输、空间电荷层等机理研究;重点突破高离子电导率的聚合物、氧化物、硫化物等关键电解质材料,电极与固体电解质膜的大面积、高速度制造等电芯技术,从而降低界面电阻提高电池高倍率容量。

加大政府财税支持及科研投入力度。加强产业投资专项基金、创新创业投资基金等对固态电池的支持。发挥风险基金等作用,鼓励社会资本投向固态电池创新型企业和基础研究、关键技术攻关、产业化培育等项目。进一步鼓励企业加大研发投入,特别是对从事早期技术研发的企业可提供税收优惠政策。

开展国际合作,加快引进固态电池先进技术。鼓励企业依托我国巨大的市场需求优势,与美国Sakti3、Seeo、日本丰田等拥有先进固态电池技术的企业开展合作,利用技术外溢效应,带动我国固态电池自主创新发展。

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