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欧阳明高:固态电池正在持续升温
2018年01月09日 16:17 中国汽车报 封华

  “应当说,固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词,所以我以固态电池为例来介绍全球动力电池技术热点。”近日,在中国电动汽车百人会论坛(2018)即将召开的前夕,中国科学院院士、清华大学教授、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高为部分行业媒体开设了一堂关于固态电池的课程,而固态电池由于“年度进展最大,技术进展多”,也成为了欧阳明高教授以此为重点介绍对象的原因。

  虽然是作为一种前沿技术,但事实上全固态锂电池概念比锂离子电池出现得更早,国内已有多家研究机构和产业单位投入到前者的研发中。据欧阳明高介绍,中科院青岛能源所开发的聚合物固态电池,能量密度达到300Wh/kg;中科院宁波材料所开发的无机固态锂电池,能量密度达到240Wh/kg;此外宁波材料所与赣锋锂业合作,正在推进其产业化,计划2019年量产。

  欧阳明高介绍:“全固态锂电池,这个词每一个字都不能少、不能变,‘全固态’跟‘固态’是不一样的,‘锂电池’和‘锂离子电池’也不是一个概念。所谓‘全固态锂电池’是一种在其工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组分的锂电池,所以全称是‘全固态电解质锂电池’。根据其是否可以反复充放,可进一步细分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池,而根据负极是否直接使用金属锂为活性物质,全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,前者的负极采用石墨或硅、锡等合金化反应材料为负极,后者的负极用的是锂金属,而我们现在使用的负极材料主要是碳、硅碳或者钛酸锂。”

  简而言之,全固态锂电池的定义与分类较细,记者做了以下图解:

  之所以全固态锂电池在业界受到广泛关注,主要是因为它有望解决目前困扰动力电池发展的两大关键问题,即安全性和能量密度低。

  对此,欧阳明高谈到:“全固态锂电池有几个潜在的技术优势。第一是安全性高,因为采用高热稳定性的固态电解质,代替了易燃的常规有机溶剂电解质,避免引发电解液燃烧问题;第二,能量密度高,由于金属锂的超高容量,基于相同正极时,固态金属锂电池与常规液态锂离子电池相比,能量密度可以得到大幅度提升;第三,正极材料选择的范围宽,因为负极是锂金属,正极不含锂都可以采用;第四,系统比能量高,由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于电池系统成组效率和能量密度的提高。”

  不过,全固态锂电池目前的主要技术难点也存在,欧阳明高介绍,第一个问题是固态电解质材料的离子电导率偏低;二是固/固界面接触性和稳定性差;三是金属锂的可充性较差;四是制造成本偏高,制备工艺复杂,且固体电解质较贵。

  正是受制于以上问题,真正意义上的全固态金属锂电池技术并未成熟,且还存在技术不确定性。据欧阳明高介绍,目前展现出或者有突破的,有性能优势和产业化前景的,主要是固态锂离子电池。

  当前,固态锂电池的研究正在持续升温,关于固态锂电池技术的国外发展动态是:美国、欧洲、日本、韩国都在投入,但各个国家发展状态则不太一样。欧阳明高介绍:“美国以小公司、创业型公司为主,比如S-akit3、Solid—State这两家公司,立足于颠覆性技术;日本以丰田为主,基本上是研究固态锂离子电池,将在2022年实现商品化,所以在日本,并没有颠覆性研究,大部分采用石墨类负极,并非金属锂负极;韩国也是采用石墨类负极,这跟日本的情况类似。”

  当然,作为前沿技术的固态电池技术,目前尚处不具备产业化发展条件。会上,欧阳明高教授还介绍了当前国内动力电池的主要技术进展。目前,计划在2020年实现产业化的300瓦时/公斤的电池,已取得了实质性突破并接近应用要求,现在正由宁德时代、天津力神、合肥国轩三家电池企业的团队承担相关研发任务,以上三个团队基本上采用了大同小异的技术路线,即正极是高镍三元,负极是硅碳。电池单体的能量密度方面,目前大约达到230瓦时/公斤左右,系统大约150瓦时/公斤。

  对于未来,“节能与新能源汽车”重大项目总体专家组对动力电池的发展趋势判断做了一个预判(不作为国家电池技术路线图的依据)。会上,欧阳明高教授展示了下表:

  电池性能的提升、技术路线的选择以及成本的下降,都是行业关心的焦点。以上表中,有几个关键节点值得注意。

  ▶比如,2020年,单体电池比能量要达到300 Wh/kg、比功率1000 Wh/kg,循环1000次以上,成本降至0.8元/ Wh。

  ▶到2025年,正极材料方面会进一步提升性能,比如采用富锂锰基材料,届时,单体电池比能量要达到400 Wh/kg、比功率1300 Wh/kg,循环2000次以上,成本降至0.6元/ Wh以内。欧阳明高表示,那时候的一般性价比的纯电动轿车的合理里程为300—400公里。

  ▶最后,到2030年,电解质方面取得突破被寄予希望,也就是固态电池会规模产业化,欧阳明高表示,电池单体比能量有望冲击500瓦时/公斤,与此同时,常规性价比车型的续驶里程将可以达到500公里以上。

  编辑:张鹏

责任编辑:张鹏
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