目前,大力發(fā)展新能源汽車(chē)已成為各國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化的共識(shí),很多國(guó)家更是將發(fā)展新能源汽車(chē)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)的各大汽車(chē)集團(tuán)均推出各自的發(fā)展計(jì)劃,如大眾提出「2025 戰(zhàn)略」,預(yù)計(jì)到 2025 年推出超過(guò) 30 款的電動(dòng)車(chē),銷(xiāo)量力爭(zhēng)達(dá)到 300 萬(wàn)輛。尤其是 2016 年以來(lái),主要汽車(chē)強(qiáng)國(guó)更是紛紛加大新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的支持力度:
德國(guó)政府和工業(yè)界提供了共計(jì) 12 億歐元的補(bǔ)貼資金,并實(shí)施特色購(gòu)置補(bǔ)貼策略;
美國(guó)政府提供了 45 億美元的貸款擔(dān)保,大力推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),并投資開(kāi)發(fā)車(chē)載高能量密度電池。
在此背景下,截止 2016 年全球新能源汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)售突破 200 萬(wàn)量,其中中國(guó)占比 50% 以上,為節(jié)能減排和全球氣候變化作出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。
然而,目前電動(dòng)汽車(chē)的規(guī)?;瘧?yīng)用仍受制于續(xù)駛里程、安全性、成本等多項(xiàng)制約,例如針對(duì)車(chē)輛的續(xù)駛里程,若單純?cè)黾与姵財(cái)?shù)量,會(huì)造成整車(chē)增重,進(jìn)而造成百公里電耗的明顯增加,隨之而來(lái)的是全生命周期的碳排放提高,整車(chē)售價(jià)也會(huì)水漲船高,因此根本解決策略仍需大幅提升電池的各方面性能。以美國(guó)特斯拉推出的 Modle S 電動(dòng)汽車(chē)為例,為了解決「里程焦慮」問(wèn)題,采用了近 7000個(gè) 3.1 Ah 的 18650 型鋰離子電池,使其續(xù)航里程達(dá)到 400 km 以上,但是其電池重量達(dá)到 500 kg,汽車(chē)的售價(jià)高達(dá) 7.9 萬(wàn)美元,一定程度上抑制了其在市場(chǎng)中推廣。
每一次電池性能的顯著提升,本質(zhì)上都是電池材料體系的重大變革。從第一代的鎳氫電池和錳酸鋰電池,第二代的磷酸鐵鋰電池,到目前廣為采用且預(yù)計(jì)持續(xù)到 2020 年左右的第三代三元電池,其能量密度和成本分別呈現(xiàn)出階梯式上升和下降的明顯趨勢(shì)。因此,下一代車(chē)用電池選用何種電池體系,對(duì)于實(shí)現(xiàn) 2020 ~ 2025 年的電池目標(biāo)至關(guān)重要。
目前,在新型化學(xué)電源領(lǐng)域的各類(lèi)公開(kāi)場(chǎng)合“全固態(tài)鋰電池”的出現(xiàn)頻率越來(lái)越高,業(yè)內(nèi)也基本形成了共識(shí):全固態(tài)鋰電池有望作為下一代動(dòng)力電源進(jìn)入市場(chǎng),但究竟什么是全固態(tài)鋰電池?
1.全固態(tài)鋰電池的概述
傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液,在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下,電池容易發(fā)熱,造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸,存在嚴(yán)重的安全隱患。20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的基于固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池,由于采用固體電解質(zhì),不含易燃、易揮發(fā)組分,徹底消除電池因漏液引發(fā)的電池冒煙、起火等安全隱患,被稱(chēng)為最安全電池體系。
對(duì)于能量密度,中、美、日三國(guó)政府希望在 2020 年開(kāi)發(fā)出 400~500 Wh/kg 的原型器件,2025~2030 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),目前公認(rèn)的最有可能的即為金屬鋰負(fù)極的使用,金屬鋰在傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池中存在枝晶、粉化、SEI(固態(tài)電解質(zhì)界面膜)不穩(wěn)定、表面副反應(yīng)多等諸多技術(shù)挑戰(zhàn),而固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰的兼容性使得使用鋰作負(fù)極成為可能,從而顯著實(shí)現(xiàn)能量密度的提升。
表 1 不同類(lèi)型鋰基電池的特性比較
表 1 對(duì)比了傳統(tǒng)鋰電池和全固態(tài)鋰電池,從中可了解固態(tài)鋰電池的基本特性。進(jìn)一步,如表 2 所示,針對(duì)車(chē)用電池應(yīng)用的期望要求,基于自身特性,固態(tài)電池體系逐一給出可能的解決思路。
表 2 電池應(yīng)用要求與固態(tài)電池體系解決思路
從出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)看,全固態(tài)金屬鋰電池要早于液態(tài)鋰離子電池,只不過(guò)在早期,全固態(tài)金屬鋰電池的電化學(xué)性能、安全性、工程化制造方面一直無(wú)法滿足應(yīng)用要求。
液態(tài)鋰離子電池通過(guò)不斷改進(jìn),綜合技術(shù)指標(biāo)逐漸滿足消費(fèi)電子類(lèi)市場(chǎng)應(yīng)用需求,后來(lái)被更多的市場(chǎng)所接受。
從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,相比液態(tài)鋰離子電池,全固態(tài)金屬鋰電池有可能具有安全性能好、能量密度高和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
近年來(lái),固體電解質(zhì)材料,特別是硫化物電解質(zhì)材料在離子電導(dǎo)率方面取得了重大突破,因此全固態(tài)鋰電池技術(shù)漸漸開(kāi)始引起世界范圍內(nèi)的研發(fā)機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)的重視。
2.全固態(tài)鋰電池的分類(lèi)
伴隨著全固態(tài)鋰電池?zé)岬呐d起,各種“全固態(tài)”或“固態(tài)”概念的鋰電池相繼出現(xiàn),存在著混淆概念的現(xiàn)狀。特將已出現(xiàn)的七類(lèi)跟固態(tài)鋰電池相關(guān)的概念進(jìn)行了梳理,并進(jìn)行了初步的總結(jié)。
液態(tài)鋰電池:電芯在制造過(guò)程中不含有固體電解質(zhì),只含有液體電解質(zhì)的鋰電池,包括液態(tài)鋰離子電池和液態(tài)金屬鋰電池。
凝膠電解質(zhì)鋰電池:電芯中液態(tài)電解質(zhì)以凝膠電解質(zhì)形式存在,電芯中不含固體電解質(zhì),這實(shí)際屬于液態(tài)鋰離子電池范疇。
半固態(tài)鋰電池:電芯電解質(zhì)相中,質(zhì)量或體積的一半是固體電解質(zhì),另一半是液體電解質(zhì);或者電芯中一端電極是全固態(tài),另一端電極中含有液體。
準(zhǔn)固態(tài)鋰電池:電芯的電解質(zhì)中含有一定的固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì),液體電解質(zhì)的質(zhì)量或體積小于固體電解質(zhì)的比例。
固態(tài)鋰電池:電芯中含有較高質(zhì)量或體積比的固體電解質(zhì),同時(shí)含有少量液體電解質(zhì)的電池,被一些研究人員稱(chēng)之為“固態(tài)鋰電池”,但這實(shí)際上不是全固態(tài)鋰電池。
混合固液鋰電池:電芯中同時(shí)存在固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。包括前述半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、固態(tài)鋰電池等均為混合固液鋰電池的一種。由于不需要人為根據(jù)固液比例分類(lèi),也不會(huì)產(chǎn)生歧義,推薦使用這一術(shù)語(yǔ),也可以稱(chēng)為“混合固液電解質(zhì)鋰電池”。
全固態(tài)鋰電池:電芯由固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)成,電芯在工作溫度范圍內(nèi),不含有任何質(zhì)量及體積分?jǐn)?shù)的液體電解質(zhì),也可稱(chēng)為“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。能夠充放電循環(huán)的可進(jìn)一步稱(chēng)為“全固態(tài)鋰二次電池”或“全固態(tài)電解質(zhì)鋰二次電池”。
總結(jié)而言,鋰電池根據(jù)電解質(zhì)不同可以分為液態(tài)鋰電池,混合固液鋰電池和全固態(tài)鋰電池三大類(lèi)。根據(jù)負(fù)極的不同可以分為負(fù)極為金屬鋰的金屬鋰電池,負(fù)極不含金屬鋰的鋰離子電池。
表一:不同電解質(zhì)類(lèi)型的混合固液鋰電池和全固態(tài)鋰二次電池類(lèi)型及特點(diǎn)[1]
3.全固態(tài)鋰二次電池可能具備的優(yōu)勢(shì)
全固態(tài)鋰二次電池之所以會(huì)讓國(guó)際巨頭們看中是因?yàn)樗型鉀Q目前困擾動(dòng)力電池行業(yè)的兩大“挑戰(zhàn)”——安全隱患和能量密度偏低問(wèn)題。全固態(tài)鋰電池相比于液態(tài)鋰離子電池所具有的優(yōu)勢(shì)包括:
(1)安全性能高
由于液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機(jī)溶劑,發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)溫度驟升容易引起燃燒,甚至爆炸,需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結(jié)構(gòu),這樣會(huì)增加成本,但仍無(wú)法徹底解決安全問(wèn)題。號(hào)稱(chēng)BMS做到全球最好的特斯拉,在今年僅國(guó)內(nèi)就有兩輛Model S發(fā)生嚴(yán)重起火事件。
很多無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴},也有望克服鋰枝晶現(xiàn)象,因而基于無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰二次電池有望具有很高的安全特性。
聚合物固體電解質(zhì)仍然存在一定的可燃燒風(fēng)險(xiǎn),但相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液電池,安全性也有較大提高。
(2)能量密度高
目前,市場(chǎng)中應(yīng)用的鋰離子電池電芯能量密度最高達(dá)到260Wh/kg左右,正在開(kāi)發(fā)的鋰離子電池能量密度可達(dá)到300-320Wh/kg。對(duì)全固態(tài)鋰電池來(lái)說(shuō),如果負(fù)極采用金屬鋰,電池能量密度有望達(dá)到300-400Wh/kg,甚至更高。
需要說(shuō)明的是,由于固體電解質(zhì)密度高于液態(tài)電解質(zhì),對(duì)于正負(fù)極材料一樣的體系,液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池能量密度要顯著高于全固態(tài)鋰電池。之所以說(shuō)全固態(tài)鋰二次電池能量密度高,是因?yàn)樨?fù)極可能采用金屬鋰材料。
(3)循環(huán)壽命長(zhǎng)
固體電解質(zhì)有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)固體電解質(zhì)界面膜的問(wèn)題和鋰枝晶刺穿隔膜問(wèn)題,有可能大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
已報(bào)導(dǎo)的薄膜型全固態(tài)金屬鋰電池能夠循環(huán)45000次,但目前大容量金屬鋰電池尚未有長(zhǎng)循環(huán)壽命的報(bào)道,主要是目前高面容量金屬鋰電極(> 3mAh/cm2)的循環(huán)性能還較差。
(4)工作溫度范圍寬
全固態(tài)鋰電池如果全部采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì),最高操作溫度有望提高到300℃甚至更高,目前,大容量全固態(tài)鋰電池的低溫性能有待提高。具體電池的工作溫度范圍,主要與電解質(zhì)及界面電阻的高低溫特性有關(guān)。
(5)電化學(xué)窗口寬
全固態(tài)鋰電池的電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬,有可能達(dá)到5V,適應(yīng)于高電壓型電極材料,有利于進(jìn)一步提高能量密度。目前基于氮化磷酸鋰的薄膜鋰電池可以在4.8V工作。
(6)具備柔性?xún)?yōu)勢(shì)
全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池,未來(lái)可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。相對(duì)于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池,封裝更為容易、安全。
(7)回收方便
電池回收總的來(lái)說(shuō)是兩種方法,一個(gè)是濕法,一個(gè)是干法。濕法是把里面有毒有害的液體芯取出來(lái),干法是比如破碎把有效的成分提取出來(lái)。全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)就在于,其本身里面沒(méi)有液體,所以從理論上來(lái)說(shuō)應(yīng)該沒(méi)有廢液,處理起來(lái)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較簡(jiǎn)單。
4.全固態(tài)鋰二次電池目前存在的缺陷和部分解決方案
雖然全固態(tài)鋰二次電池在多方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì),但同時(shí)也有一些迫切需要解決的問(wèn)題:固體電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率偏低; 固體電解質(zhì)/電極間界面阻抗大,界面相容性較差,同時(shí),充放電過(guò)程中各材料的體積膨脹和收縮,導(dǎo)致界面容易分離;有待設(shè)計(jì)和構(gòu)建與固體電解質(zhì)相匹配的電極材料;現(xiàn)階段的電池制備成本較高等。針對(duì)這些問(wèn)題,研究人員進(jìn)行了各種嘗試,并給出了部分可能的解決途徑。
表二:全固態(tài)鋰二次電池目前存在的缺陷和解決方案
5.核心材料介紹
(1).固體電解質(zhì)
固體電解質(zhì)是全固態(tài)鋰二次電池的核心部件,其進(jìn)展直接影響全固態(tài)鋰二次電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。目前固體電解質(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。
表三:三類(lèi)固體電解質(zhì)主要體系和性能
聚合物固體電解質(zhì)(SPE),由聚合物基體(如聚酯、聚醚和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiAsF6、LiPF6等)構(gòu)成,自從1973年P(guān). V. Wright在堿金屬鹽復(fù)合物中發(fā)現(xiàn)離子導(dǎo)電性后,聚合物材料由于其質(zhì)量較輕、彈性較好、機(jī)械加工性能優(yōu)良的固態(tài)電化學(xué)特性而受到廣泛關(guān)注。SPE也是最早實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的固體電解質(zhì),早在2011年法國(guó)企業(yè)博洛雷就開(kāi)始向巴黎投送Autolib電動(dòng)車(chē),該車(chē)就是采用基于SPE的全固態(tài)鋰電池系統(tǒng)。
氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類(lèi),其中晶態(tài)電解質(zhì)包括鈣鈦礦型、反鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON型、LISICON型等,非晶態(tài)氧化物的研究熱點(diǎn)是用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)和部分晶化的非晶態(tài)材料。
硫化物固體電解質(zhì)是由氧化物固體電解質(zhì)衍生出來(lái)的,電解質(zhì)中的氧化物機(jī)體中氧元素被硫元素所取代。由于硫元素的電負(fù)性比氧元素要小,對(duì)鋰離子的束縛要小,有利于得到更多自由移動(dòng)的鋰離子。同時(shí),硫元素的半徑比氧元素要大,當(dāng)硫元素取代氧元素時(shí)使晶格結(jié)構(gòu)擴(kuò)展,形成較大的鋰離子通道而提升導(dǎo)電率,室溫下可達(dá)10-4-10-2S/cm。
(2). 正極材料
全固態(tài)鋰二次電池的正極一般采用復(fù)合電極,除了電極活性物質(zhì)外還包括固體電解質(zhì)和導(dǎo)電劑,在電極中起到同時(shí)傳輸離子和電子的作用。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4研究較為普遍,后期可能開(kāi)發(fā)高鎳層狀氧化物、富鋰錳基及高電壓鎳錳尖晶石型正極,也同時(shí)應(yīng)關(guān)注不含鋰的新型正極材料的研究和開(kāi)發(fā)。
(3). 負(fù)極材料
全固態(tài)鋰二次電池的負(fù)極材料目前主要集中在金屬鋰負(fù)極材料、碳族負(fù)極材料和氧化物負(fù)極材料三大類(lèi),三大材料各有優(yōu)缺點(diǎn),其中金屬鋰負(fù)極材料因其高容量和低電位的優(yōu)點(diǎn)成為全固態(tài)鋰電池最主要的負(fù)極材料之一。
表四:三類(lèi)負(fù)極材料主要體系和性能
6.全固態(tài)鋰二次電池容量劃分及對(duì)應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域與制備工藝
圖二:柔性薄膜全固態(tài)鋰二次電池
從全固態(tài)鋰二次電池的形態(tài)上可以分成薄膜型和大容量型兩大類(lèi)。各類(lèi)型全固態(tài)鋰電池的電芯封裝技術(shù)大同小異,主要差別在于極片和電解質(zhì)膜片的制備。
薄膜型全固態(tài)鋰二次電池在襯底上將電池的各種元素按照正極、電解質(zhì)、負(fù)極的順序依次制備成薄膜、最后封裝成一個(gè)電池。在制備過(guò)程中需要采用相對(duì)應(yīng)的技術(shù)分別制備電池各薄膜層,一般來(lái)說(shuō)負(fù)極選擇金屬鋰居多,采用真空熱氣相沉積(VD)技術(shù)制備;電解質(zhì)和正極包括氧化物的負(fù)極可以采用各種濺射技術(shù),如射頻濺射(RFS)、射頻磁控濺射(RFMS)等,目前也有研究用3D打印技術(shù)來(lái)制備薄膜。
圖三:大容量全固態(tài)二次鋰電池
大容量全固態(tài)鋰二次電池,由于應(yīng)用面寬,市場(chǎng)很大,需要能快速、低成本的規(guī)模制備,在液態(tài)鋰離子電池中廣泛使用的高速擠壓涂布或噴涂技術(shù)可以借鑒。
基于聚合物固體電解質(zhì)的大容量全固態(tài)鋰二次電池制備與現(xiàn)有鋰離子電池的卷繞工藝接近。
但是,考慮到目前無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)膜的柔韌性不佳,在制備全固態(tài)鋰二次電池時(shí)更多的采用疊片工藝,至于具體是分別制備電解質(zhì)與正負(fù)極膜片后疊合,還是采用雙層或多層一次涂布制備電解質(zhì)和正極的復(fù)合層,更適合規(guī)?;a(chǎn)的技術(shù)路線還有待進(jìn)一步的研究。
表五:全固態(tài)鋰二次電池的容量、應(yīng)用與可能的制備工藝
全固態(tài)鋰二次電池的生產(chǎn)設(shè)備雖然與傳統(tǒng)鋰離子電池電芯生產(chǎn)設(shè)備有較大差別,但從客觀上看也不存在革命性的創(chuàng)新,可能80%的設(shè)備可以延續(xù)鋰離子電池的生產(chǎn)設(shè)備,只是在生產(chǎn)環(huán)境上有了更高的要求,需要在更高級(jí)別的干燥間內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn),這對(duì)于具備超級(jí)電容器、鋰離子電容器、鎳鈷鋁、預(yù)鋰化、鈦酸鋰等空氣敏感儲(chǔ)能器件或材料的企業(yè)來(lái)說(shuō),制造環(huán)境可以兼容, 但相應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境成本顯著提高。
7.全固態(tài)鋰二次電池發(fā)展大事件
圖四:全固態(tài)鋰電池發(fā)展大事件圖
(圖中僅羅列全固態(tài)電池行業(yè)部分大事件,如有遺漏,歡迎補(bǔ)充)
8.全固態(tài)鋰二次電池的展望
目前新能源汽車(chē)的發(fā)展已經(jīng)明確上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面,其中動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)最關(guān)鍵的核心部件,其關(guān)鍵程度可見(jiàn)一斑。
圖五:中美日動(dòng)力電池國(guó)家項(xiàng)目指標(biāo)對(duì)比
按照我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》,2020年的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的能量密度目標(biāo)為300Wh/kg,2025年目標(biāo)為400Wh/kg,2030年目標(biāo)為500Wh/kg。
公開(kāi)資料顯示,當(dāng)前采用三元正極材料和石墨負(fù)極材料的液態(tài)電解質(zhì)動(dòng)力鋰離子電池的能量密度極限在250Wh/kg左右,而引入硅基復(fù)合材料替代純石墨作為負(fù)極材料,液態(tài)電解質(zhì)動(dòng)力鋰離子電池電芯的能量密度可以達(dá)到300Wh/kg,上限約為350Wh/kg(已經(jīng)在特斯拉Model 3上使用的松下21700電池,正極采用鎳鈷鋁三元材料,負(fù)極采用硅基復(fù)合材料,自稱(chēng)能量密度已超過(guò)300Wh/kg)。
“如果能量密度進(jìn)一步提高,一定要從現(xiàn)在開(kāi)始就要考慮全固態(tài)鋰電池?!敝袊?guó)工程院陳立泉院士在近日公開(kāi)演講中稱(chēng),“電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展需要進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備,而全固態(tài)鋰電池有望成為我國(guó)下一代車(chē)用動(dòng)力電池主導(dǎo)技術(shù)路線。發(fā)展全固態(tài)鋰電池,刻不容緩!”
而從世界范圍內(nèi)看,幾大老牌強(qiáng)國(guó)幾乎都已經(jīng)確立了新能源車(chē)發(fā)展規(guī)劃,9月7日,蘇格蘭民族黨(SNP)黨魁尼古拉?斯圖金在議會(huì)上稱(chēng),將爭(zhēng)取于2032年停止銷(xiāo)售汽油和柴油汽車(chē)來(lái)減少空氣污染。
實(shí)際上,不止是蘇格蘭,挪威、荷蘭、德國(guó)、英國(guó)、比利時(shí)也都已經(jīng)出臺(tái)或準(zhǔn)備出臺(tái)有關(guān)廢止燃油車(chē)的政策。
所以,我們可以想象,到2050年,去歐洲旅游、出差,放眼望去,在路上跑的都是新能源汽車(chē)。反觀我們國(guó)家,從實(shí)際出發(fā)也做了相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃,在已經(jīng)發(fā)布的《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期規(guī)劃》中,我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)目標(biāo)到2020年,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量3000萬(wàn)輛,其中新能源汽車(chē)200萬(wàn)輛;到2025年,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量3500萬(wàn)輛,其中新能源汽車(chē)700萬(wàn),占比20%。
為應(yīng)對(duì)新能源汽車(chē)越來(lái)越急迫的高性能需求,各國(guó)都已經(jīng)開(kāi)始布局高能量密度鋰電池,如日本政府提出,2020年動(dòng)力電池電芯能量密度將達(dá)到250Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg;美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)提出將2020年電芯能量密度由原來(lái)的220Wh/kg提高至350Wh/kg;中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》中明確提出,2020年中國(guó)動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300Wh/kg,2025年達(dá)到400Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg。
美國(guó)Battery500項(xiàng)目提出,2020年研制出能量密度達(dá)到500Wh/kg的動(dòng)力電池樣品。提高電芯能量密度,必然要求兼顧安全性,因此發(fā)展全固態(tài)鋰二次電池技術(shù),具有重要的意義。
圖六:世界范圍內(nèi)部分全固態(tài)鋰二次電池研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)分布圖
(圖中僅羅列全球部分全固態(tài)二次鋰電池研究機(jī)構(gòu)及企業(yè),如有遺漏,歡迎補(bǔ)充)
目前,全球范圍內(nèi)約有 20 多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高??蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)。
高等院校大多數(shù)專(zhuān)注于材料層面的研究,國(guó)外以美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為代表,在國(guó)內(nèi),中科院 2013 年設(shè)立固態(tài)先導(dǎo)計(jì)劃,希望 5 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化;一些研究機(jī)構(gòu)、Start-up 和新能源公司在材料研發(fā)與制備方面具備獨(dú)特技術(shù),電池樣品則以手工/半手工為主,僅少部分實(shí)現(xiàn)示范車(chē)用。大型企業(yè)方面,日本以豐田、日立造船和出光興產(chǎn)等為代表,在固態(tài)電池的車(chē)用領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先位置。
固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化與電芯的高一致性和規(guī)模化制備的難易程度密切相關(guān):
就制備工藝而言,鑒于當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)膜的柔韌性不佳,固態(tài)電芯組裝更多偏向疊片而非卷繞工藝,但細(xì)分工藝尚不可知;
就制造裝備而言,盡管固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池存在較大差異,但不存在根本性區(qū)別,只是在涂布、封裝等工序上需要定制化的設(shè)備,而且制造環(huán)境需在更高要求的干燥間進(jìn)行。
因此,固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)從根本上還是取決于材料工藝層面的突破,包括關(guān)鍵材料、極片、正負(fù)極與電解質(zhì)匹配的材料工藝,目前,在界面電阻降低,金屬鋰高容量、高倍率和低體積變化的解決方案,以及兼具離子電導(dǎo)和機(jī)械特性的固態(tài)電解質(zhì)膜的成熟制備技術(shù)等方面尚缺乏有效的解決方案。
因此,高能量密度全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,有望通過(guò)半固態(tài)電池、固態(tài)電池和全固態(tài)電池 3 個(gè)階段逐步實(shí)現(xiàn),預(yù)計(jì)耗時(shí) 5~10年時(shí)間。
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原文標(biāo)題:為全固態(tài)鋰電池“正名”
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