不能走液態電池老路 固態電池呼喚標準化

來源:中投投資咨詢網 2020-11-15 10:24中投網 A-A+

  核心閱讀 全固態電池被部分業內人士認為是解決動力電池安全問題的根本途徑,且有望在5-10年內實現商業化應用。但目前行業標準不統一,阻礙了其產業化和商業化應用。業內專家指出,應盡早開展固態電池標準化工作,以便推動電池的規模化制造、梯次利用回收和換電模式推廣。

  電動汽車安全問題始終是消費者關注的焦點。在電池熱失控過程中,電解液發揮了很大的助推作用,且當前液態電池能量密度和成本均已逼近“天花板”。如果將液體的電解液替換成固態的電解質,能從根源上解決安全問題,同時電池的穩定性也將更好、壽命更長。業內普遍認為,固態電池是動力電池未來的發展趨勢。

  然而,盡管市場對固態電池抱有極高期待,但距離車載應用還有一定距離。北京衛藍新能源科技公司副總經理向晉呼吁,固態電池應盡快完善頂層設計,對電池尺寸、性能測試、安全指標等內容開展標準化工作,提前搭建起標準體系,以推動產業快速發展。

  “解決安全問題的根本途徑”

  采用有機電解液的鋰離子電池,在過度充電、內部微短路等異常情況下,電解液極易發熱、分解、脹氣,帶來安全隱患,進而燃燒甚至爆炸。

  為解決安全問題,業界一直想方設法攻關。比如,在電解液中添加諸多添加劑,在高分子隔膜表面涂覆氧化鋁陶瓷涂覆層,選擇更安全的正極材料等。在江西贛鋒鋰業股份有限公司副總裁劉明看來,上述解決方法只能局部緩解問題,而全固態電化學儲能器件,以固態電解質替代有機電解液,才是解決安全問題的根本途徑。

  對此,蘇州清陶新能源科技有限公司總經理何泓材介紹,固態電解質不可燃、穩定性好、力學強度高,從材料本質上提升了電池安全,同時,正負極材料的選擇非常靈活,可以選擇高容量高電壓材料,顯著提升電池能量密度。此外,固態電池工業簡單,材料成本更低,且可以縮減電池包安全防護冗余設計、簡化溫控系統,系統地降低成本。

  事實上,固態電池并不是一個全新概念。“大家耳機所使用的微型鋰電池,就是一個固態電池。”在中國科學院上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心主任溫兆銀看來,固態鋰電池很早就已進入市場,只是與現在動力電池追求的體系有所不同。

  何泓材進一步介紹,早在上世紀70年代就出現了固態電池,1991年左右固態電池實現了商業化。“只不過那時候是以薄膜電池形態出現。”在他看來,全固態薄膜電池具有原子級別的完美界面,里面的正極和電解質膜都是近乎致密無缺陷的狀態,通過薄膜化方式可以解決電極層內部鋰離子和電子傳輸問題。當然,全固態薄膜電池也存在缺點:容量小,成本高。不過,全固態薄膜電池的商業應用,證明了固態電池技術的可行性。

  在業內人士看來,當前350wh/kg已經接近液態電池能量密度的極限,未來電池能量密度要進一步提升至500wh/kg,乃至600wh/kg,固態電池具有明顯優勢,將成為行業未來的發展方向。

  “全固態電池5-10年內實現商業化應用”

  注意到,固態電池是當前行業研究的熱點。中國、日本、韓國、歐洲、美國等國家和地區都有所布局,也受到豐田、大眾、寶馬等車企的追捧。臺灣輝能科技、蘇州清陶、北京衛藍新能源等公司更是在固態電池研發上走在了世界前列。

  固態電池的根本特征在于用固態電解質替代液態電解液。實現完全替代的全固態電池,目前還處于小規模試制階段。目前討論較多的固態電池,更多是指半固態電池、準固態電池或固液混合電池。

  向晉坦言,固態電池技術,尤其是全固態電池技術還面臨諸多技術挑戰,包括固界面問題、高性能電池材料開發及工程化問題,尚未形成規模化的原材料和產業制造體系、成本相對較高也影響了固態電池的量產。

  “大家在固態電池上做了很多工作。但到目前為止,固態電池還不能滿足混合動力或電動汽車的要求。”何泓材介紹,固態電解質替代液態電解液,其技術核心和壁壘是材料的創新開發。目前主要探索出了三種固態電池體系:聚合物、硫化物和氧化物,它們各有優缺點。比如,聚合物界面好、工藝簡單,但導電率低,電壓不穩定;硫化物電導率高、電化學窗口寬,但工藝難度大,對水分敏感;氧化物電導率高、穩定性好,但界面差,大容量電池難以實現。

  “單一體系的固態電解質還需進一步突破,復合的固態電解質體系與現有的成熟技術最兼容,是產業化的優選方案。”在何泓材看來,混合固液或半固態電池,是電解液從液態向全固態過渡的必然環節,沒有全固態電池需要解決的一系列瓶頸,可以實現產業化。

  向晉預計,混合固液電池有望在5年內實現規模化量產,而全固態電池預計在5至10年內實現商業化應用。

  “不能走液態電池老路”

  行業要發展,標準需先行。

  “液體含量低于多少,才算固態電池?5%還是10%?應該怎么測量?”向晉提醒道,我國液體電池的標準化工作起步較晚,在尺寸方面沒有做好頂層設計,2017年出臺的標準電池型號高達145種,尺寸過多并不利于電池產業化和商業化應用。因此,固態電池不能走液態電池的老路。他呼吁,固態電池要盡早開展標準化工作,這對行業發展、規模化制造、梯次利用回收和換電模式意義重大。

  向晉透露,由國內主要固態電池企業聯合起草的半固態電池中電解液含量測試團體標準,將于年底發布。

  “長期來看,355、390、590模組是很重要的尺寸。針對固態電池本身的特點,還可以做一些大尺寸的設計。刀片電池基于安全考慮,做得比較長、比較薄。固態電池安全性很好,可以考慮做長、做厚,以提高系統的成組效率。配合整車,把固態電池做得跟底盤一樣大,也是一個方向。”何泓材認為,電池企業和車企緊密合作,是實現固態動力電池產業化的必要條件。固態電池屬于新興產業,需要車企給予一個試錯容錯的空間,提升材料、工藝創新的整體性能。只有應用到車上,匹配系統集成,固態電池商業應用才能成為現實。

  向晉同樣表示,固態電池的發展需要整個產業共同努力,從上游的材料、裝備企業,到下游的整車廠,要齊心協力才能使固態電池產業做得更快、更好。

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