近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，作為核心零部件的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)備受關(guān)注，各家企業(yè)不僅要擴(kuò)張產(chǎn)能規(guī)模確保產(chǎn)量供應(yīng)，還面臨著持續(xù)提升產(chǎn)品能量密度等關(guān)鍵指標(biāo)的“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展如何？有哪些值得關(guān)注的前瞻性技術(shù)？未來(lái)數(shù)年的發(fā)展節(jié)奏是怎樣的？近期，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)執(zhí)行副理事長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高對(duì)上述行業(yè)關(guān)心的重點(diǎn)話(huà)題從技術(shù)角度進(jìn)行回應(yīng)，對(duì)業(yè)內(nèi)外人士全面了解當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)水平概況提供了重要參考。
300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)取得重大突破
《汽車(chē)縱橫》：安全、續(xù)駛里程長(zhǎng)、壽命長(zhǎng)等是消費(fèi)者選購(gòu)新能源汽車(chē)時(shí)考慮的關(guān)鍵性指標(biāo)，動(dòng)力電池是決定這些指標(biāo)的核心零部件，近年來(lái)，在消費(fèi)者需求及相關(guān)部門(mén)的政策法規(guī)推動(dòng)下，安全、長(zhǎng)壽命、高比能量的動(dòng)力電池已成為產(chǎn)業(yè)需求的主流。比如2017年3月份，國(guó)家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池發(fā)展行動(dòng)方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超過(guò)300瓦時(shí)/公斤。目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池技術(shù)在這些方面進(jìn)展如何？達(dá)到哪些指標(biāo)？
歐陽(yáng)明高：按照規(guī)劃，2020年要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量密度300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)。目前承擔(dān)新能源汽車(chē)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目的有三個(gè)團(tuán)隊(duì)：寧德時(shí)代新能源、天津力神和合肥國(guó)軒。這三個(gè)團(tuán)隊(duì)目前采用的技術(shù)路線大同小異，即正極采用高鎳三元，負(fù)極是硅碳，這種電池目前技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)接近應(yīng)用要求，到2020年，比能量300瓦時(shí)/公斤的電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性突破，現(xiàn)在從比能量角度看都已經(jīng)達(dá)到，例如寧德時(shí)代新能源的電池研究成果的循環(huán)壽命基本在1000次左右，能量密度達(dá)到304瓦時(shí)/公斤，其他兩家也差不多。當(dāng)然還有部分企業(yè)安全性標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有完全滿(mǎn)足。用300瓦時(shí)/公斤的單體電池大概能做出200-210瓦時(shí)/公斤的電池系統(tǒng)，因?yàn)榛臼擒洶姵兀欠叫坞姵亍?guó)內(nèi)在去年年底、今年年初，動(dòng)力電池的能量密度單體達(dá)到230瓦時(shí)/公斤左右，系統(tǒng)大約150瓦時(shí)/公斤左右。到2018、2019年還需要再提高50-70瓦時(shí)/公斤，我認(rèn)為是可以做到的。至于單體350瓦時(shí)/公斤、系統(tǒng)260瓦時(shí)/公斤是我們力爭(zhēng)的目標(biāo)。
如何落實(shí)2025年400瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)？
《汽車(chē)縱橫》：剛剛您提到，實(shí)現(xiàn)2020年300瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)在技術(shù)上已經(jīng)有重大突破。再往后展望五年，到2025年動(dòng)力電池將力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)哪些目標(biāo)？將采用何種技術(shù)路線？您認(rèn)為哪種前瞻技術(shù)最值得關(guān)注？目前中國(guó)在這些前瞻技術(shù)領(lǐng)域有無(wú)研究？
歐陽(yáng)明高：面向2025年產(chǎn)業(yè)化，我們希望沖擊單體電池能量密度達(dá)到400瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)。300瓦時(shí)/公斤的實(shí)現(xiàn)改變的是負(fù)極，從碳變成硅碳，到400瓦時(shí)/公斤要變的是正極，目前可選的正極材料有好幾種，現(xiàn)在新能源汽車(chē)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料，有兩個(gè)單位承擔(dān)了前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目，一個(gè)是物理所，改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，達(dá)到的指標(biāo)是正極循環(huán)100周之后電壓衰減降到了2%以?xún)?nèi)，這是一個(gè)重大的進(jìn)展。另外一個(gè)是北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，首次研制出了比容量400毫安時(shí)/克的富鋰錳基正極，實(shí)現(xiàn)400瓦時(shí)/公斤應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的，甚至可能更高。這更為開(kāi)發(fā)比能量大于500瓦時(shí)/公斤的新型鋰離子電池提供了可能，但循環(huán)尚存在一定不確定性。
更加前沿的技術(shù)是固態(tài)電池。目前國(guó)內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在做，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所等，也包括寧德時(shí)代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所與贛鋒鋰業(yè)合作，投資5億元人民幣，致力于推進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，計(jì)劃2019年量產(chǎn)，2020年產(chǎn)品進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。固態(tài)電池?zé)o疑是2017年全球電池領(lǐng)域最熱的一個(gè)技術(shù)名詞。
全固態(tài)鋰電池技術(shù)何以在全球大熱？
《汽車(chē)縱橫》：固態(tài)電池與我們聽(tīng)到的全固態(tài)鋰電池是否是一回事？什么才是全固態(tài)鋰電池？如何理解這些概念上的區(qū)別？
歐陽(yáng)明高：全固態(tài)鋰電池，這幾個(gè)詞每一個(gè)字都不能少、不能變，“全固態(tài)”與“固態(tài)”不同，“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個(gè)概念。所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組分的鋰電池，所以我們?nèi)Q(chēng)是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。根據(jù)其是否可以反復(fù)充放，可進(jìn)一步分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，一次電池其實(shí)已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池，這兩個(gè)概念又要區(qū)別，所謂全固態(tài)金屬鋰電池的負(fù)極用的是鋰金屬，目前在用的動(dòng)力電池的負(fù)極多為碳、硅碳或者鈦酸鋰。
全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)得更早，鋰離子電池只有25年左右的歷史，是日本人發(fā)明的，真正用于車(chē)上也就10多年，很年輕但是進(jìn)步很快。早期所指的全固態(tài)鋰電池，都是以金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池。這就是以前的概念。
《汽車(chē)縱橫》：固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池的具體區(qū)別是什么？
歐陽(yáng)明高：固態(tài)電池，不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì)，還有一點(diǎn)液態(tài)，是液態(tài)與固態(tài)混合的，差別在于混合的比例是多少。真正的固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì)；所謂半固態(tài)，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說(shuō)電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的，所以還有準(zhǔn)固態(tài)鋰電池，即主要為固態(tài)，少量是液態(tài)。
《汽車(chē)縱橫》：全固態(tài)鋰電池有哪些特點(diǎn)特別是優(yōu)勢(shì)？為什么能引起全球動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的關(guān)注和投入研發(fā)？
歐陽(yáng)明高：主要因素是它能解決目前困擾動(dòng)力電池發(fā)展的兩大關(guān)鍵問(wèn)題，即安全性差和能量密度低。全固態(tài)鋰電池有幾個(gè)潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首先，它安全性高，由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，代替了易燃的常規(guī)有機(jī)溶劑電解液，電池燃燒問(wèn)題可以得到有效解決。第二，能量密度高，由于金屬鋰的容量超高，基于相同正極時(shí)，固態(tài)金屬鋰電池與常規(guī)液態(tài)鋰離子電池相比，其能量密度可以得到大幅提升。需要說(shuō)明的是，由于固體電解質(zhì)密度和使用量高于液態(tài)電解質(zhì)，在正負(fù)極材料相同時(shí)，全固態(tài)鋰電池優(yōu)勢(shì)不明顯。第三，正極材料選擇的范圍寬，因?yàn)槿虘B(tài)鋰電池可以直接采用金屬鋰為負(fù)極，不要求正極結(jié)構(gòu)中必須含鋰，一些高容量的貧鋰態(tài)材料也可以作為正極；此外，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)寬的電壓窗口也為高電壓正極材料的應(yīng)用提供了可能。第四，系統(tǒng)比能量高，由于電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可以方便地通過(guò)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。
真正的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)尚未成熟
《汽車(chē)縱橫》：從您介紹的優(yōu)勢(shì)來(lái)看，全固態(tài)鋰電池能解決當(dāng)前動(dòng)力電池產(chǎn)品的不少不足之處。但它為何還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用于市場(chǎng)？主要存在哪些問(wèn)題？您如何評(píng)價(jià)這類(lèi)技術(shù)的整體發(fā)展水平？
歐陽(yáng)明高：它的第一個(gè)問(wèn)題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低。現(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，一種是聚合物，一種是氧化物，一種是硫化物。現(xiàn)在有用聚合物電解質(zhì)的電池，搭載于法國(guó)的一些車(chē)輛上，它的問(wèn)題就是需要加熱到60度，離子電導(dǎo)率才上來(lái)，電池才能正常工作。目前氧化物電解質(zhì)一般比液態(tài)的還要低很多。只有硫化物固體電解質(zhì)的一些指標(biāo)接近液態(tài)電解質(zhì)，比如豐田就是用硫化物的固體電解質(zhì)，所以固體電解質(zhì)主要的突破是在硫化物的固體電解質(zhì)。
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