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(jié)奏正在變快。

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所宣布，由其牽頭承擔的納米先導專項“全固態(tài)電池”課題已通過驗收，這一技術進步將進一步推動國內全固態(tài)鋰電池的規(guī)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網：“以目前的三元鋰電池的技術路線，動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現(xiàn)。而且，即便實現(xiàn)了，安全性也無法得到保障。因此，固態(tài)電池商業(yè)化能否突破，對汽車電動化的前景影響重大?！?/p>

作為電動汽車的核心，電池領域的突破無疑將對電池乃至汽車領域的發(fā)展產生重大影響，那么，固態(tài)電池能否馬上取代三元鋰電池？距離市場化還有多遠？

三元鋰電池的天然缺陷：能量密度和穩(wěn)定性相互矛盾

“某一家企業(yè)單去年一年就有60起電動汽車燃燒爆炸事故。”在剛剛舉辦的中日韓鋰電論壇上，北京大學新能源材料與技術實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，安全問題十分令人擔憂?！盁o論從化學結構來講，還是從電池結構來講，三元材料都非常容易發(fā)熱。如果不能把熱量及時傳導出去，電池就有爆炸的風險。然而現(xiàn)階段，在電池的安全性、可靠性上，還沒有完善的解決辦法?！?/p>

除安全問題外，就增加電動汽車續(xù)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常務副總裁周楠告訴第一電動：“現(xiàn)在，無論是行業(yè)政策，還是市場需求，新能源汽車對動力電池能量密度的要求都很高。在現(xiàn)有技術路線的體系下，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(wěn)定性很差。所以，傳統(tǒng)的電池一旦能量密度提高，也意味著穩(wěn)定性的下降，電池內部熱反應會非常劇烈，安全就成了很大的問題?！?/p>

正因為這樣的原因，國家“863”計劃節(jié)能與新能源汽車重大項目總體專家組專家肖成偉曾公開表示，三元鋰離子動力電池目前已經看到能量密度的“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20Wh／kg。

按照國家動力電池技術路線圖的規(guī)劃，2020年鋰離子電池的單體能量密度目標為350Wh／kg。從目前來看，這一目標已然不能實現(xiàn)。

而為了保證動力電池的高能量密度和安全性，固態(tài)電池研發(fā)的進展，給這個行業(yè)帶來了光和亮。

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的電池。由于固態(tài)電池電極和電解質都由固態(tài)物質制成，其固態(tài)電解質不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，即使被加熱到非常高的溫度，也不會著火，因而安全性更高。搭載全固態(tài)鋰電池的汽車，自燃概率會大大降低?？梢哉f，是下一代新能源汽車動力電池的理想對象。

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

國家新能源汽車重點科技專項首席專家歐陽明高院士也曾指出，國內不少科研院所、企業(yè)布局固態(tài)電池領域，中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作，正在推進其產業(yè)化，計劃2019年量產固態(tài)電池。

作為新能源汽車的“心臟”，動力電池無疑會決定新能源汽車的未來。業(yè)內人士普遍認為，動力電池未來發(fā)展路徑是電解質從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最終必將實現(xiàn)全固態(tài)的過程。這促使初創(chuàng)公司，大學和特斯拉等知名巨頭對電池技術的新一輪投資和研究。

豐田的時間表相對靠譜，固態(tài)電池量產可能要等到2030年

然而，固態(tài)電池想要進一步發(fā)展，尚需解決多重難題。

周楠告訴第一電動：“固態(tài)電解質是固態(tài)電池發(fā)展的關鍵，固態(tài)電池沒有液體的浸潤，同時也不需要隔膜，只用把固態(tài)電解質當成隔膜，放在正極極片和負極極片當中，那么金屬物質的材料就變得尤為關鍵。”

電解質材料是全固態(tài)鋰電池技術的核心，目前固態(tài)電解質的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經有商業(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，是未來主要方向。

不過，目前還有幾個具體難題需要克服：

一是界面的導電率，固態(tài)電池導電率要維持在在適當?shù)乃?，不能過高，也不能過低，這樣的材料非常難開發(fā)。

二是沒有找到即兼顧高倍率又能快充的復合性材料，現(xiàn)在用的固態(tài)電解質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)電解質具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質、正負極材料上著手。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(zhàn)，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命?！?/p>

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

歐陽明高曾表示，預計全固態(tài)鋰電池會在2025－2030年之間取得突破。今年5月，豐田動力總成部門的總經理Shinzuo Abe透露：“豐田期望在2020年以后能制造出固態(tài)電池，但若要實現(xiàn)固態(tài)電池的量產，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坦言：“從跟以往的經驗來看，豐田計劃和實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，但具體產能是怎么樣，成本能不能適應市場，還要打一個大大的問號。”