動力電池技術(shù)下一步路在何方？歐陽明高給出詳細(xì)答案

近年來,隨著國內(nèi)外電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,作為核心零部件的動力電池產(chǎn)業(yè)備受關(guān)注,各家企業(yè)不僅要擴(kuò)張產(chǎn)能規(guī)模確保產(chǎn)量供應(yīng),還面臨著持續(xù)提升產(chǎn)品能量密度等關(guān)鍵指標(biāo)的“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。當(dāng)前國內(nèi)外動力電池技術(shù)進(jìn)展如何?有哪些值得關(guān)注的前瞻性技術(shù)?未來數(shù)年的發(fā)展節(jié)奏是怎樣的?近期,中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、中國科學(xué)院院士歐陽明高對上述行業(yè)關(guān)心的重點(diǎn)話題從技術(shù)角度進(jìn)行回應(yīng),對業(yè)內(nèi)外人士全面了解當(dāng)前動力電池技術(shù)水平概況提供了重要參考。

問題：安全、續(xù)駛里程長、壽命長等是消費(fèi)者選購新能源汽車時考慮的關(guān)鍵性指標(biāo),動力電池是決定這些指標(biāo)的核心零部件,近年來,在消費(fèi)者需求及相關(guān)部門的政策法規(guī)推動下,安全、長壽命、高比能量的動力電池已成為產(chǎn)業(yè)需求的主流。比如2017 年3 月份, 國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車動力電池發(fā)展行動方案》, 指出到2020 年, 要求新型鋰離子動力電池單體比能量超過300 瓦時/公斤。目前國內(nèi)動力電池技術(shù)在這些方面進(jìn)展如何?達(dá)到哪些指標(biāo)?

歐陽明高:按照規(guī)劃,2020 年要實(shí)現(xiàn)動力電池能量密度300 瓦時/公斤目標(biāo)。目前承擔(dān)新能源汽車專項(xiàng)項(xiàng)目的有三個團(tuán)隊(duì):寧德時代新能源、天津力神和合肥國軒。這三個團(tuán)隊(duì)目前采用的技術(shù)路線大同小異,即正極采用高鎳三元,負(fù)極是硅碳,這種電池目前技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)接近應(yīng)用要求,到2020 年, 比能量300瓦時/公斤的電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性突破,現(xiàn)在從比能量角度看都已經(jīng)達(dá)到,例如寧德時代新能源的電池研究成果的循環(huán)壽命基本在1000 次左右,能量密度達(dá)到304瓦時/公斤,其他兩家也差不多。當(dāng)然還有部分企業(yè)安全性標(biāo)準(zhǔn)還沒有完全滿足。用300瓦時/ 公斤的單體電池大概能做出200-210 瓦時/公斤的電池系統(tǒng), 因?yàn)榛臼擒洶姵?而非方形電池。國內(nèi)在去年年底、今年年初,動力電池的能量密度單體達(dá)到230 瓦時/ 公斤左右,系統(tǒng)大約150 瓦時/ 公斤左右。到2018、2019 年還需要再提高50-70 瓦時/公斤,我認(rèn)為是可以做到的。至于單體350 瓦時/ 公斤、系統(tǒng)260 瓦時/公斤是我們力爭的目標(biāo)。

如何落實(shí)2025年400瓦時/公斤的目標(biāo)?

問題:剛剛您提到,實(shí)現(xiàn)2020年300瓦時/公斤的目標(biāo)在技術(shù)上已經(jīng)有重大突破。再往后展望五年, 到2025 年動力電池將力爭實(shí)現(xiàn)哪些目標(biāo)?將采用何種技術(shù)路線?您認(rèn)為哪種前瞻技術(shù)最值得關(guān)注?目前中國在這些前瞻技術(shù)領(lǐng)域有無研究?

歐陽明高:面向2025年產(chǎn)業(yè)化, 我們希望沖擊單體電池能量密度達(dá)到400瓦時/公斤的目標(biāo)。300瓦時/ 公斤的實(shí)現(xiàn)改變的是負(fù)極,從碳變成硅碳, 到400瓦時/公斤要變的是正極,目前可選的正極材料有好幾種,現(xiàn)在新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料,有兩個單位承擔(dān)了前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目,一個是物理所,改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減,達(dá)到的指標(biāo)是正極循環(huán)100 周之后電壓衰減降到了2% 以內(nèi),這是一個重大的進(jìn)展。另外一個是北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì),首次研制出了比容量400毫安時/克的富鋰錳基正極,實(shí)現(xiàn)400 瓦時/公斤應(yīng)該是沒有問題的,甚至可能更高。這更為開發(fā)比能量大于500瓦時/公斤的新型鋰離子電池提供了可能,但循環(huán)尚存在一定不確定性。

更加前沿的技術(shù)是固態(tài)電池。目前國內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在做, 包括中科院青島能源所、寧波材料所, 物理所等,也包括寧德時代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所與贛鋒鋰業(yè)合作,投資5 億元人民幣,致力于推進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化,計(jì)劃2019 年量產(chǎn), 2020 年產(chǎn)品進(jìn)入電動汽車市場。固態(tài)電池?zé)o疑是2017 年全球電池領(lǐng)域最熱的一個技術(shù)名詞。

全固態(tài)鋰電池技術(shù)何以在全球大熱?

問題:固態(tài)電池與我們聽到的全固態(tài)鋰電池是否是一回事?什么才是全固態(tài)鋰電池?如何理解這些概念上的區(qū)別?

歐陽明高:全固態(tài)鋰電池,這幾個詞每一個字都不能少、不能變, “全固態(tài)”與“固態(tài)”不同,“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個概念。所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài), 不含任何液態(tài)組分的鋰電池,所以我們?nèi)Q是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。根據(jù)其是否可以反復(fù)充放,可進(jìn)一步分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池, 一次電池其實(shí)已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池,這兩個概念又要區(qū)別,所謂全固態(tài)金屬鋰電池的負(fù)極用的是鋰金屬, 目前在用的動力電池的負(fù)極多為碳、硅碳或者鈦酸鋰。

全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)得更早,鋰離子電池只有25 年左右的歷史,是日本人發(fā)明的,真正用于車上也就10 多年,很年輕但是進(jìn)步很快。早期所指的全固態(tài)鋰電池,都是以金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池。這就是以前的概念。

問題:固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池的具體區(qū)別是什么?

歐陽明高:固態(tài)電池,不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì),還有一點(diǎn)液態(tài), 是液態(tài)與固態(tài)混合的,差別在于混合的比例是多少。真正的固態(tài)鋰離子電池,其電解質(zhì)是固態(tài),但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì);所謂半固態(tài),就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半, 或者說電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的,所以還有準(zhǔn)固態(tài)鋰電池,即主要為固態(tài),少量是液態(tài)。

問題:全固態(tài)鋰電池有哪些特點(diǎn)特別是優(yōu)勢?為什么能引起全球動力電池產(chǎn)業(yè)的關(guān)注和投入研發(fā)?

歐陽明高:主要因素是它能解決目前困擾動力電池發(fā)展的兩大關(guān)鍵問題,即安全性差和能量密度低。全固態(tài)鋰電池有幾個潛在的技術(shù)優(yōu)勢,首先, 它安全性高,由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì),代替了易燃的常規(guī)有機(jī)溶劑電解液,電池燃燒問題可以得到有效解決。第二,能量密度高,由于金屬鋰的容量超高,基于相同正極時, 固態(tài)金屬鋰電池與常規(guī)液態(tài)鋰離子電池相比,其能量密度可以得到大幅提升。需要說明的是,由于固體電解質(zhì)密度和使用量高于液態(tài)電解質(zhì),在正負(fù)極材料相同時,全固態(tài)鋰電池優(yōu)勢不明顯。第三,正極材料選擇的范圍寬, 因?yàn)槿虘B(tài)鋰電池可以直接采用金屬鋰為負(fù)極,不要求正極結(jié)構(gòu)中必須含鋰,一些高容量的貧鋰態(tài)材料也可以作為正極;此外,無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)寬的電壓窗口也為高電壓正極材料的應(yīng)用提供了可能。第四,系統(tǒng)比能量高, 由于電解質(zhì)無流動性,可以方便地通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體,利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。

真正的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)尚未成熟

問題:從您介紹的優(yōu)勢來看,全固態(tài)鋰電池能解決當(dāng)前動力電池產(chǎn)品的不少不足之處。但它為何還沒有大規(guī)模應(yīng)用于市場?主要存在哪些問題?您如何評價(jià)這類技術(shù)的整體發(fā)展水平?

歐陽明高:它的第一個問題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低?，F(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì),一種是聚合物, 一種是氧化物,一種是硫化物。現(xiàn)在有用聚合物電解質(zhì)的電池,搭載于法國的一些車輛上,它的問題就是需要加熱到60 度,離子電導(dǎo)率才上來,電池才能正常工作。目前氧化物電解質(zhì)一般比液態(tài)的還要低很多。只有硫化物固體電解質(zhì)的一些指標(biāo)接近液態(tài)電解質(zhì),比如豐田就是用硫化物的固體電解質(zhì),所以固體電解質(zhì)主要的突破是在硫化物的固體電解質(zhì)。

第二個問題就是固/ 固界面接觸性和穩(wěn)定性差。液體跟固體結(jié)合是很容易的,滲透進(jìn)去即可。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就是它的很大的一個問題。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導(dǎo)電率已經(jīng)提高,但是仍然有界面接觸性和穩(wěn)定性問題。

第三個問題是金屬鋰的可充性問題。在固態(tài)電解質(zhì)中,鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環(huán)性甚至安全性等還需要研究。當(dāng)然還有一個問題, 就是制造成本偏高。

基于上述問題,特別是固態(tài)界面接觸性、穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問題, 真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù), 現(xiàn)在仍然還是不成熟的,還存在技術(shù)不確定性。目前展現(xiàn)出或者有突破的、有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的主要是固態(tài)鋰離子電池和固態(tài)聚合物鋰電池。

問題:目前國內(nèi)外關(guān)于固態(tài)鋰電池的研究進(jìn)展如何?有哪些值得關(guān)注的企業(yè)或技術(shù)突破?

歐陽明高:現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫,美國、歐洲、日本、韓國、中國都在投入。各個國家心態(tài)不太一樣。例如美國,以小公司、創(chuàng)業(yè)型公司為主。美國有兩家公司值得關(guān)注,都是初創(chuàng)公司,一個是S-akit3,其最新研發(fā)的電池有望使電動汽車的續(xù)駛里程達(dá)到500 公里,現(xiàn)在還處于初級階段。還有一個Solid—State。美國主要立足于顛覆性技術(shù)。日本則專注于無機(jī)固體電解質(zhì)的大容量的固態(tài)鋰電池,最著名的是豐田公司,其產(chǎn)品將在2022 年實(shí)現(xiàn)其商品化。豐田做的不是全固態(tài)鋰金屬電池, 而是固態(tài)鋰離子電池,其負(fù)極是石墨類, 用硫化物電解質(zhì),高電壓正極,單體電池容量15 安時,電壓是十幾伏,我認(rèn)為這是靠譜的。所以在日本,并沒有顛覆,還是基于鋰離子電池,正負(fù)極還可以用以前的一些材料或技術(shù)。韓國專注于無機(jī)固體電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池的研發(fā)工作,也采用石墨類負(fù)極而不是金屬鋰負(fù)極,與日本相似。中、日、韓三國的情況類似,因?yàn)槲覀円延辛撕荦嫶蟮匿囯x子電池產(chǎn)業(yè)鏈,不希望推倒重來。

如何評價(jià)動力電池各技術(shù)路線的前景?

問題:針對當(dāng)前國內(nèi)外動力電池領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,請您綜合評估一下各種技術(shù)路線或研究方向的前景。

歐陽明高:第一,鋰離子動力電池有望于2020 年前實(shí)現(xiàn)300 瓦時/公斤目標(biāo),目前國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平,但安全性研究尚待加強(qiáng)。這種電池的核心是安全性。

第二,作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期目標(biāo)的兩類新體系,鋰硫、鋰空氣電池方面,目前國內(nèi)外進(jìn)展相對緩慢,2017 年沒有看到突破性的進(jìn)展。從原理來看,鋰硫電池的重量比能量跟體積比能量基本相當(dāng), 所以它的體積比能量要提上來是有相當(dāng)難度的。新能源乘用車特別是轎車對體積比能量的要求可能比重量比能量還要重要,雖然有400 瓦時/ 公斤的電池, 體積比能量也只有400 瓦時/ 升,這對于轎車而言不太好用。一般情況下, 鋰離子電池的重量比能量能達(dá)到300瓦時/ 公斤,體積比能量就可以達(dá)到600 瓦時/ 升。鋰空氣電池集合了鋅空氣電池、氫燃料電池、鋰二次電池的所有難點(diǎn)。相比而言氫燃料電池更具競爭優(yōu)勢。

第三,固態(tài)電池的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫,但受到固/ 固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問題的制約,真正的全固態(tài)鋰電池技術(shù)還沒有成熟,但是以無機(jī)硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池出現(xiàn)突破?？傮w看固態(tài)電池發(fā)展的路徑,電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài),最后到全固態(tài)。至于負(fù)極,會從石墨負(fù)極到硅碳負(fù)極再到合金化負(fù)極,我們現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型,最后有可能采用金屬鋰負(fù)極,但是目前還存在技術(shù)不確定性。

第四,中國在高容量富鋰正極材料方面于2017 年取得了一些突破,基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負(fù)極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰空氣電池更具可行性。

問題:根據(jù)各種技術(shù)進(jìn)展的分析,您如何判斷未來動力電池技術(shù)的發(fā)展趨勢?預(yù)計(jì)將按照怎樣的節(jié)奏推進(jìn)?

歐陽明高:我們專家組對動力電池技術(shù)的發(fā)展趨勢做了一次優(yōu)化迭代,(但這不是國家電池技術(shù)路線圖的依據(jù),僅供參考),具體如下:

2020 年,實(shí)現(xiàn)動力電池比能量300 瓦時/ 公斤、比功率1000 瓦時/ 公斤, 循環(huán)1000 次以上,成本0.8 元/ 瓦時以內(nèi)的目標(biāo)是確定的,相對應(yīng)的材料是高鎳三元,現(xiàn)在國內(nèi)動力電池用的鎳、鈷、錳的比例由3:3:3 轉(zhuǎn)向6:2:2, 再轉(zhuǎn)變?yōu)?:1:1,即鎳變成8,鈷的比例進(jìn)一步降到1 甚至是0.5。負(fù)極要從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。這是我們當(dāng)前的技術(shù)變革。

到2025 年,正極材料性能進(jìn)一步提升,富鋰錳基材料目前取得重要突破, 當(dāng)然還會有其他材料。2020-2025 年, 我們要努力實(shí)現(xiàn)動力電池比能量從300 瓦時/ 公斤上升至400 瓦時/ 公斤, 每瓦時成本從0.8 元以內(nèi)降到0.6 元以內(nèi)。此時一般性價(jià)比的純電動轎車合理的續(xù)駛里程是300—400 公里。

到2030 年,希望在電解質(zhì)方面取得突破,也就是2025-2030 年最大的突破可能在電解質(zhì),固態(tài)電池會實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化,電池單體比能量有望沖擊500 瓦時/ 公斤。2030 年,常規(guī)的電動汽車?yán)m(xù)駛里程應(yīng)該可以達(dá)到500 公里以上。當(dāng)然需要其它技術(shù)的配合。如果電耗極大,例如冬天百公里電耗高達(dá)三四十度,電池再好也實(shí)現(xiàn)不了?，F(xiàn)在電動車越做越大,例如大型SUV,車身重、風(fēng)阻系數(shù)大,是一個值得改進(jìn)的問題。