三元鋰電池還有多久被固態(tài)電池取代

三元鋰電池被固態(tài)電池取代的節奏正在變快。

近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所宣布，由其牽頭承擔的納米先導專(zhuān)項“全固態(tài)電池”課題已通過(guò)驗收，這一技術(shù)進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)國內全固態(tài)鋰電池的規模應用。

此消息一出，立即在電池行業(yè)中引起巨大反響。

業(yè)內人士告訴第一電動(dòng)網(wǎng)：“以目前的三元鋰電池的技術(shù)路線(xiàn)，動(dòng)力電池能量密度單體要做到350Wh／kg的目標，在五年內基本不可能實(shí)現。而且，即便實(shí)現了，安全性也無(wú)法得到保障。因此，固態(tài)電池商業(yè)化能否突破，對汽車(chē)電動(dòng)化的前景影響重大?！?/p>

作為電動(dòng)汽車(chē)的核心，電池領(lǐng)域的突破無(wú)疑將對電池乃至汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，那么，固態(tài)電池能否馬上取代三元鋰電池？距離市場(chǎng)化還有多遠？

三元鋰電池的天然缺陷：能量密度和穩定性相互矛盾

“某一家企業(yè)單去年一年就有60起電動(dòng)汽車(chē)燃燒爆炸事故?！痹趧倓偱e辦的中日韓鋰電論壇上，北京大學(xué)新能源材料與技術(shù)實(shí)驗室主任其魯教授透漏。

其教授認為，三元鋰電池存在很多缺陷，安全問(wèn)題十分令人擔憂(yōu)?！盁o(wú)論從化學(xué)結構來(lái)講，還是從電池結構來(lái)講，三元材料都非常容易發(fā)熱。如果不能把熱量及時(shí)傳導出去，電池就有爆炸的風(fēng)險。然而現階段，在電池的安全性、可靠性上，還沒(méi)有完善的解決辦法?！?/p>

除安全問(wèn)題外，就增加電動(dòng)汽車(chē)續航角度而言，三元鋰電池的單體能量密度也已接近極限，難以被突破。電池包供應商正力蔚來(lái)常務(wù)副總裁周楠告訴第一電動(dòng)：“現在，無(wú)論是行業(yè)政策，還是市場(chǎng)需求，新能源汽車(chē)對動(dòng)力電池能量密度的要求都很高。在現有技術(shù)路線(xiàn)的體系下，要提高能量密度，只能提高鎳材料或者添加CA，但高鎳的熱穩定性很差。所以，傳統的電池一旦能量密度提高，也意味著(zhù)穩定性的下降，電池內部熱反應會(huì )非常劇烈，安全就成了很大的問(wèn)題?！?/p>

正因為這樣的原因，國家“863”計劃節能與新能源汽車(chē)重大項目總體專(zhuān)家組專(zhuān)家肖成偉曾公開(kāi)表示，三元鋰離子動(dòng)力電池目前已經(jīng)看到能量密度的“天花板”了，高鎳材料、碳硅負極的鋰電池單體能量密度最高應該在300Wh／kg左右，正負不超過(guò)20Wh／kg。

按照國家動(dòng)力電池技術(shù)路線(xiàn)圖的規劃，2020年鋰離子電池的單體能量密度目標為350Wh／kg。從目前來(lái)看，這一目標已然不能實(shí)現。

而為了保證動(dòng)力電池的高能量密度和安全性，固態(tài)電池研發(fā)的進(jìn)展，給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)了光和亮。

國內外企業(yè)爭相布局，固態(tài)電池成趨勢

固態(tài)電池，顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。由于固態(tài)電池電極和電解質(zhì)都由固態(tài)物質(zhì)制成，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)也克服了鋰枝晶現象，即使被加熱到非常高的溫度，也不會(huì )著(zhù)火，因而安全性更高。搭載全固態(tài)鋰電池的汽車(chē)，自燃概率會(huì )大大降低?？梢哉f(shuō)，是下一代新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的理想對象。

目前，越來(lái)越多的國內外企業(yè)和研究機構將重心集中到了全固態(tài)鋰電池上，也有不少汽車(chē)廠(chǎng)商都透露過(guò)基于固態(tài)電池打造電動(dòng)汽車(chē)的計劃。比如，大眾曾宣布計劃研發(fā)續航1000km固態(tài)電池；豐田汽車(chē)預計2022年完成固態(tài)電池的研發(fā)工作，并計劃于2030年實(shí)現量產(chǎn)；日本經(jīng)濟省更是在2017年宣布出資16億日元，聯(lián)合豐田、本田、日產(chǎn)、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學(xué)、三菱化學(xué)等國內頂級產(chǎn)業(yè)鏈力量，共同研發(fā)固態(tài)電池，希望2030年實(shí)現800公里續航目標。

國家新能源汽車(chē)重點(diǎn)科技專(zhuān)項首席專(zhuān)家歐陽(yáng)明高院士也曾指出，國內不少科研院所、企業(yè)布局固態(tài)電池領(lǐng)域，中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作，正在推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，計劃2019年量產(chǎn)固態(tài)電池。

作為新能源汽車(chē)的“心臟”，動(dòng)力電池無(wú)疑會(huì )決定新能源汽車(chē)的未來(lái)。業(yè)內人士普遍認為，動(dòng)力電池未來(lái)發(fā)展路徑是電解質(zhì)從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最終必將實(shí)現全固態(tài)的過(guò)程。這促使初創(chuàng )公司，大學(xué)和特斯拉等知名巨頭對電池技術(shù)的新一輪投資和研究。

豐田的時(shí)間表相對靠譜，固態(tài)電池量產(chǎn)可能要等到2030年

然而，固態(tài)電池想要進(jìn)一步發(fā)展，尚需解決多重難題。

周楠告訴第一電動(dòng)：“固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵，固態(tài)電池沒(méi)有液體的浸潤，同時(shí)也不需要隔膜，只用把固態(tài)電解質(zhì)當成隔膜，放在正極極片和負極極片當中，那么金屬物質(zhì)的材料就變得尤為關(guān)鍵?！?/p>

電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類(lèi)材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應用案例；氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結構；硫化物電導率最高，是未來(lái)主要方向。

不過(guò)，目前還有幾個(gè)具體難題需要克服：

一是界面的導電率，固態(tài)電池導電率要維持在在適當的水平，不能過(guò)高，也不能過(guò)低，這樣的材料非常難開(kāi)發(fā)。

二是沒(méi)有找到即兼顧高倍率又能快充的復合性材料，現在用的固態(tài)電解質(zhì)材料只能容納其中某一方面特性。

一位不愿具名的業(yè)內人士也表達了相同的看法。他認為：“固態(tài)電解質(zhì)具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問(wèn)題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負極材料上著(zhù)手。電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰，一旦這些問(wèn)題能夠有效解決，必將在未來(lái)掀起一場(chǎng)新的電池革命?！?/p>

既然困難重重，固態(tài)電池在新能源汽車(chē)上的全面應用，還有多長(cháng)的路要走？

歐陽(yáng)明高曾表示，預計全固態(tài)鋰電池會(huì )在2025－2030年之間取得突破。今年5月，豐田動(dòng)力總成部門(mén)的總經(jīng)理Shinzuo Abe透露：“豐田期望在2020年以后能制造出固態(tài)電池，但若要實(shí)現固態(tài)電池的量產(chǎn)，還需要等到2030年以后?！?/p>

已在電池行業(yè)深耕十幾年的周楠向第一電動(dòng)坦言：“從跟以往的經(jīng)驗來(lái)看，豐田計劃和實(shí)際情況基本上是能達到一致的。也許在最近這幾年里，他們就能夠推出固態(tài)電池，但具體產(chǎn)能是怎么樣，成本能不能適應市場(chǎng)，還要打一個(gè)大大的問(wèn)號?！?/p>