北京卫蓝新能源科技公司副总经理向晋在ABEC 2020|第8届中国(长沙·宁乡)电池新能源产业国际高峰论坛上呼吁,固态电池应尽快完善顶层设计,对电池尺寸、性能测试、安全指标等内容开展标准化工作,提前搭建起标准体系,以推动产业快速发展。

固态电池

核心阅读:全固态电池被部分业内人士认为是解决动力电池安全问题的根本途径,且有望在5-10年内实现商业化应用。但目前行业标准不统一,阻碍了其产业化和商业化应用。业内专家指出,应尽早开展固态电池标准化工作,以便推动电池的规模化制造、梯次利用回收和换电模式推广。

电动汽车安全问题始终是消费者关注的焦点。在电池热失控过程中,电解液发挥了很大的助推作用,且当前液态电池能量密度和成本均已逼近“天花板”。如果将液体的电解液替换成固态的电解质,能从根源上解决安全问题,同时电池的稳定性也将更好、寿命更长。业内普遍认为,固态电池是动力电池未来的发展趋势。

北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理向晋

北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理向晋

然而,尽管市场对固态电池抱有极高期待,但距离车载应用还有一定距离。北京卫蓝新能源科技公司副总经理向晋在ABEC 2020|第8届中国(长沙·宁乡)电池新能源产业国际高峰论坛上呼吁,固态电池应尽快完善顶层设计,对电池尺寸、性能测试、安全指标等内容开展标准化工作,提前搭建起标准体系,以推动产业快速发展。

“解决安全问题的根本途径”

采用有机电解液的锂离子电池,在过度充电、内部微短路等异常情况下,电解液极易发热、分解、胀气,带来安全隐患,进而燃烧甚至爆炸。

为解决安全问题,业界一直想方设法攻关。比如,在电解液中添加诸多添加剂,在高分子隔膜表面涂覆氧化铝陶瓷涂覆层,选择更安全的正极材料等。在江西赣锋锂业股份有限公司副总裁刘明看来,上述解决方法只能局部缓解问题,而全固态电化学储能器件,以固态电解质替代有机电解液,才是解决安全问题的根本途径。

对此,苏州清陶新能源科技有限公司总经理何泓材介绍,固态电解质不可燃、稳定性好、力学强度高,从材料本质上提升了电池安全,同时,正负极材料的选择非常灵活,可以选择高容量高电压材料,显著提升电池能量密度。此外,固态电池工业简单,材料成本更低,且可以缩减电池包安全防护冗余设计、简化温控系统,系统地降低成本。

事实上,固态电池并不是一个全新概念。“大家耳机所使用的微型锂电池,就是一个固态电池。”在中国科学院上海硅酸盐研究所能源材料研究中心主任温兆银看来,固态锂电池很早就已进入市场,只是与现在动力电池追求的体系有所不同。

何泓材进一步介绍,早在上世纪70年代就出现了固态电池,1991年左右固态电池实现了商业化。“只不过那时候是以薄膜电池形态出现。”在他看来,全固态薄膜电池具有原子级别的完美界面,里面的正极和电解质膜都是近乎致密无缺陷的状态,通过薄膜化方式可以解决电极层内部锂离子和电子传输问题。当然,全固态薄膜电池也存在缺点:容量小,成本高。不过,全固态薄膜电池的商业应用,证明了固态电池技术的可行性。

在业内人士看来,当前350wh/kg已经接近液态电池能量密度的极限 ,未来电池能量密度要进一步提升至500wh/kg,乃至600wh/kg,固态电池具有明显优势,将成为行业未来的发展方向。

“全固态电池5-10年内实现商业化应用”

记者注意到,固态电池是当前行业研究的热点。中国、日本、韩国、欧洲、美国等国家和地区都有所布局,也受到丰田、大众、宝马等车企的追捧。台湾辉能科技、苏州清陶、北京卫蓝新能源等公司更是在固态电池研发上走在了世界前列。

固态电池的根本特征在于用固态电解质替代液态电解液。实现完全替代的全固态电池,目前还处于小规模试制阶段。目前讨论较多的固态电池,更多是指半固态电池、准固态电池或固液混合电池。

向晋坦言,固态电池技术,尤其是全固态电池技术还面临诸多技术挑战,包括固界面问题、高性能电池材料开发及工程化问题,尚未形成规模化的原材料和产业制造体系、成本相对较高也影响了固态电池的量产。 

“大家在固态电池上做了很多工作。但到目前为止,固态电池还不能满足混合动力或电动汽车的要求。”何泓材介绍,固态电解质替代液态电解液,其技术核心和壁垒是材料的创新开发。目前主要探索出了三种固态电池体系:聚合物、硫化物和氧化物,它们各有优缺点。比如,聚合物界面好、工艺简单,但导电率低,电压不稳定;硫化物电导率高、电化学窗口宽,但工艺难度大,对水分敏感;氧化物电导率高、稳定性好,但界面差,大容量电池难以实现。

“单一体系的固态电解质还需进一步突破,复合的固态电解质体系与现有的成熟技术最兼容,是产业化的优选方案。”在何泓材看来,混合固液或半固态电池,是电解液从液态向全固态过渡的必然环节,没有全固态电池需要解决的一系列瓶颈,可以实现产业化。

向晋预计,混合固液电池有望在5年内实现规模化量产,而全固态电池预计在5至10年内实现商业化应用。

“不能走液态电池老路”

行业要发展,标准需先行。

“液体含量低于多少,才算固态电池?5%还是10%?应该怎么测量?”向晋提醒道,我国液体电池的标准化工作起步较晚,在尺寸方面没有做好顶层设计,2017年出台的标准电池型号高达145种,尺寸过多并不利于电池产业化和商业化应用。因此,固态电池不能走液态电池的老路。他呼吁,固态电池要尽早开展标准化工作,这对行业发展、规模化制造、梯次利用回收和换电模式意义重大。

向晋透露,由国内主要固态电池企业联合起草的半固态电池中电解液含量测试团体标准,将于年底发布。

“长期来看,355、390、590模组是很重要的尺寸。针对固态电池本身的特点,还可以做一些大尺寸的设计。刀片电池基于安全考虑,做得比较长、比较薄。固态电池安全性很好,可以考虑做长、做厚,以提高系统的成组效率。配合整车,把固态电池做得跟底盘一样大,也是一个方向。”何泓材认为,电池企业和车企紧密合作,是实现固态动力电池产业化的必要条件。固态电池属于新兴产业,需要车企给予一个试错容错的空间,提升材料、工艺创新的整体性能。只有应用到车上,匹配系统集成,固态电池商业应用才能成为现实。

向晋同样表示,固态电池的发展需要整个产业共同努力,从上游的材料、装备企业,到下游的整车厂,要齐心协力才能使固态电池产业做得更快、更好。

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