固態(tài)電池： 從“萬里挑一”到“萬無一失”

鋰電池行業(yè)已從前沿技術(shù)深入大眾生活，今年諾貝爾化學(xué)獎就授予了發(fā)明鋰離子電池的3位先驅(qū)。隨著新能源汽車大發(fā)展，動力電池應(yīng)用規(guī)模快速擴(kuò)大，從而帶動了市場走強(qiáng)，同時(shí)也引發(fā)公眾對安全的關(guān)注。基于現(xiàn)有材料體系和技術(shù)框架下，鋰電池如何保證能量密度和安全性同步提升?未來鋰電池產(chǎn)業(yè)會有哪些挑戰(zhàn)?有業(yè)界人士提出，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化步入2.0時(shí)代。

本刊日前采訪了中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授南策文，他認(rèn)為，固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入公眾視野，固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化是鋰電池逐漸走向市場的自然選擇，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界應(yīng)聯(lián)手推動這一進(jìn)程，未來中國一定會走在這一領(lǐng)域的前列。

為什么是固態(tài)鋰電池

《能源評論》：在日前披露的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021~2025年)》(征求意見稿中)，明確提出要“加快全固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”。您對此怎么評價(jià)?

南策文：固態(tài)電池正在得到社會各界的關(guān)注?，F(xiàn)在不僅是研究電池的高校、機(jī)構(gòu)、企業(yè)投身其中，還包括很多原來看似不相關(guān)的人士，比如金融投資機(jī)構(gòu)也開始感興趣，并慢慢進(jìn)入。這意味著固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)面臨變革的機(jī)遇，表明固態(tài)電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化值得期待。

《能源評論》：鋰電池產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，從根本上看還是因?yàn)槭袌鲂枨笕找嬖龃螅J(rèn)為主要的驅(qū)動力來自哪里?

南策文：從市場來看，近年來鋰電池的需求量非常大，有些以前我們都不太熟悉的領(lǐng)域，都開始需要應(yīng)用鋰電池。根據(jù)中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院發(fā)布的《鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2019)》，2018年全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)(不包括電池相關(guān)材料)規(guī)模達(dá)412億美元，同比增長18%;按容量計(jì)算，全球規(guī)模達(dá)到200吉瓦時(shí)，同比增長25%。當(dāng)然，最大的市場驅(qū)動力還是來自于電動汽車領(lǐng)域，這方面，中國毫無疑問是世界上增長最快、規(guī)模最大的。

《能源評論》：隨著市場規(guī)?？焖僭鲩L，電動汽車用戶對續(xù)航里程提出了較高要求，鋰電池也出現(xiàn)了不少安全問題，您認(rèn)為該如何解決?

南策文：鋰電池是一個復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)、多層次復(fù)合材料或者復(fù)合體系。在技術(shù)上，需要突破的目標(biāo)是多方面，包括長續(xù)航、長壽命、高安全、低成本以及快充等。

目前關(guān)注更多是長續(xù)航和高安全。長續(xù)航需要較高的電池能量密度，我們國家的發(fā)展目標(biāo)是很明確的，目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的進(jìn)展也非?？欤F(xiàn)在的鋰電池單體能量密度可以做到240～260瓦時(shí)/公斤;按照目前的材料體系和工藝，勉強(qiáng)可以做到300瓦時(shí)/公斤，但這已到了極限。如果按照原有的技術(shù)發(fā)展路線圖，目前的材料體系可能就會受限制，這就需要有新的思路來解決。

同時(shí)，安全是大家最關(guān)心的問題，但安全隱患是液態(tài)鋰電池固有的問題。韓國今年已經(jīng)發(fā)生很多起鋰電池(儲能站)起火、爆炸事故，假如鋰電池總出現(xiàn)安全問題，就會打擊消費(fèi)者信心，鋰電池產(chǎn)業(yè)也可能會受到打擊。比如三星手機(jī)電池爆炸問題，就曾嚴(yán)重影響三星手機(jī)市場。高安全與高能量密度又是一對矛盾。

如何在現(xiàn)有條件下去突破能量、安全瓶頸，很自然的選擇就是固態(tài)化。

《能源評論》：解決上述問題的辦法有很多，為什么一定會是固態(tài)?

南策文：因?yàn)橛霉虘B(tài)電解質(zhì)替代鋰離子電池中的電解液，可解決原來由于低閃點(diǎn)電解液本身引起的安全隱患，做到本質(zhì)安全。另外，固態(tài)電池還有其它優(yōu)點(diǎn)，比如：不忘初心、使用鋰金屬做負(fù)極，正極可以觸及到高電壓材料，從而提高電池能量密度;不用再擔(dān)心高溫儲存問題，不會再有爆炸危險(xiǎn)。總之，固態(tài)電池不僅可以顯著提高能量密度和安全性，而且電池封裝也會簡單一些，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電池的柔性化、異形化，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景來設(shè)計(jì)不同的形狀。

可從聚合物基復(fù)合體系先行先試

《能源評論》：您如何看待固態(tài)電池的研究與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程?

南策文：固態(tài)電池一定要走向?qū)嵱没?、?guī)?；?。如果一直在紙上談，肯定不行。一個新技術(shù)出來，在熱了一段時(shí)間后，一定要慢慢往產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向走，哪怕邁出一小步也可以，但不邁出去不行。目前有不少大型公司，特別是國際知名車企，都宣布要量產(chǎn)固態(tài)電池，并制定了各自的發(fā)展路線計(jì)劃。

《能源評論》：推動固態(tài)鋰電池發(fā)展，有哪些關(guān)鍵問題和技術(shù)?

南策文：在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化過程當(dāng)中，關(guān)鍵問題和技術(shù)是較多的。其中一個核心材料是固態(tài)電解質(zhì)，因?yàn)殇囯姵匦枰虘B(tài)電解質(zhì)像電解液一樣快速去傳導(dǎo)鋰離子，同時(shí)可以去阻斷鋰枝晶生成。

《能源評論》：您認(rèn)為，應(yīng)該如何具體推進(jìn)固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)展?

南策文：現(xiàn)在的技術(shù)路線有幾種：聚合物、氧化物和硫化物。從產(chǎn)業(yè)化的角度來講，無論是氧化物還是硫化物，在這兩個體系下做規(guī)?；募夹g(shù)可行途徑，目前還是很難、有許多挑戰(zhàn)。現(xiàn)在比較容易的一條途徑是無機(jī)-聚合物的復(fù)合體系，因?yàn)樗狭藘烧叩膬?yōu)勢，可以使離子電導(dǎo)率保持較高水平，而且可以做到柔性，保證高分子的加工性、柔性，特別是它可較大程度上利用現(xiàn)有鋰離子電池制造平臺，可基于現(xiàn)有平臺，根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)引入以后所發(fā)生的變化特征，來調(diào)整相應(yīng)的制造設(shè)備。要快速轉(zhuǎn)向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，可能最容易的一條路線還是無機(jī)-聚合物復(fù)合體系先試先行。

需要注意的是，因?yàn)樵趶?fù)合材料體系內(nèi)，優(yōu)化組合的種類有很多，研究者可以選不同的材料和不同的組合，所以會有很多空間可以去做，有很多排列組合和優(yōu)化組合去進(jìn)行比較，但挑戰(zhàn)也比較大。

《能源評論》：固態(tài)電池雖好，但起步階段價(jià)格往往很高，您認(rèn)為，未來市場應(yīng)如何開拓?

南策文：現(xiàn)在主要還是要從典型的應(yīng)用場景入手，因?yàn)楣虘B(tài)電池要馬上大規(guī)模應(yīng)用，比如成為動力電池還有一段距離，因此最開始還是做特種電池，比如像軍用電源、數(shù)碼領(lǐng)域、石油、電力等行業(yè)，已經(jīng)開始有應(yīng)用。動力電池領(lǐng)域更多是在試驗(yàn)檢測階段，目前要解決的首要問題是安全，好消息是對現(xiàn)有固態(tài)電池的所有安全測試，包括針刺、沖擊、擠壓，甚至是槍擊，都沒有問題。

《能源評論》：對于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中出現(xiàn)的問題，您認(rèn)為該如何看待?

南策文：目前國內(nèi)有幾家企業(yè)，比如清陶、鋒鋰、衛(wèi)藍(lán)，都在聚焦固態(tài)鋰電池，全力往產(chǎn)業(yè)方向推進(jìn)，這是非常好的現(xiàn)象。在推進(jìn)的過程中，有問題很正常，因?yàn)橹挥邪l(fā)現(xiàn)問題，才能有針對性地去解決問題。實(shí)際上，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室研究是完全兩回事，我們做研究講究的是“萬里挑一”，要在一萬個里面找出可能性、挑出做好的，但是產(chǎn)業(yè)界最需要的是“萬無一失”，對產(chǎn)品一致性有著極高的要求，二者要求完全不一樣。

《能源評論》：對于創(chuàng)新性產(chǎn)品的成本問題您怎么評價(jià)，未來趨勢如何?

南策文：工業(yè)界對成本問題非常關(guān)注，經(jīng)常來和我們溝通。在我看來，成本與規(guī)模一般是密切相關(guān)的，以清陶公司目前0.1吉瓦時(shí)的規(guī)模來計(jì)算，固態(tài)電池成本比液態(tài)電池要高2倍多。但是隨著規(guī)模的增加，成本應(yīng)該能降下來。大概到2022年，有了8吉瓦時(shí)量級的時(shí)候，成本可能會接近液態(tài)電池的成本。當(dāng)然，即使到那時(shí)，二者的成本還是有差距，但是差距會縮小。

《能源評論》：您如何看待固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的未來前景?

南策文：盡管固態(tài)電池還有很多問題，但它有著扎實(shí)可行的技術(shù)方案，固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入人們視野，是大勢所趨。

固態(tài)電池前景值得期待，在未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中，固態(tài)電池不會和液態(tài)電池去競爭、去替代，它有自身的應(yīng)用場景和更新迭代的路線、產(chǎn)業(yè)化方向，在做研究和產(chǎn)業(yè)化方面，我相信我們國家還會走在前列。