欧阳明高:全固态电池研发现状与产学研协同创
1月21日,中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)在北京举行揭牌仪式。中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高分享了题为“全固态电池的研发现状与产学研协同创新的前景展望”的报告,他提出,我国需要跨越创新周期,迎接国际新一轮电池技术竞争。
欧阳明高首先讲述了全球全固态电池的研发背景,1992年液态锂离子电池发明后迅速产业化,并在2000年后逐步应用于电动汽车,引发了新能源汽车革命。近十年来,以硫化物固态电解质为代表的新型固态电解质发展迅猛,离子电导率赶上甚至超过液态电解质。行业共识普遍认为,全固态电池是公认的下一代电池首选方案之一,被列入中国、美国、欧盟、日韩等主要国家发展战略,也成为下一代电池技术竞争的关键制高点。
从全球固态电池产业布局来看,中国企业最多,日本和韩国企业虽然不多,但实力很强。美国主要是一些创业企业。欧洲主要是和美国的创业企业合作。
电池欧阳明高介绍,日本正举国家之力推动全固态电池商业化,形成官-产-学联盟,丰田、本田、日产目前在全球既做全固态电池研发,又搞整车生产,在电池与整车性能匹配结合方面比较有优势,基本可以看作是整体行动。韩国三大电池厂在全固态电池方面也取得了实质性进展。尤其是三星,现在国内还有很多单位在复现其做出的全固态电池。
总体上,目前全固态电池产业路线图不是一家公司布局,是很多公司,且是具有实力的公司,产业化时间都是在2027-2030年。
那么,中国要不要发展全固态电池?这是欧阳明高阐释的关键问题。
固态“中国目前是电池发展的领先国家,就算全固态电池2030年能产业化,要想替代液态锂离子电池50%市场份额也至少需要二十到三十年。但是电动车现在也就只替代了30%,全球就惊呼中国车要领先了,不需要到50%,到1%就已经预警了。2016年,新能源汽车市场占有率达到1%的时候,全球开始向电动汽车转向,对于汽车技术而言,1%是很重要的市场份额,不需要替代到50%,替代1%就已具有突破性意义。”欧阳明高表示,现在,中国液态锂离子电池产业发展成就辉煌,十年来能量密度提升3倍,成本下降80%以上,电池产量接近全球70%,可是如今电池行业也面临产能过剩、行业内卷。
一方面是低成本电池的成本不断下降,技术门槛比较低,涌进来的人就多,但并没有完全满足电动车客户的需求,比如超级快充350千瓦以上,怎么在全寿命周期内不析锂、不影响寿命、不发生安全事故,这是很大的挑战。低温续航则是另一个挑战。还有体积能量密度要进一步提升。当然,不是没有技术方案,而是面临技术门槛不断提高的挑战。
另外,锂离子电池技术创新周期大概是30年。第一个十年,从手机电池到动力电池,安全问题现在还在继续解决。近十年来,智能化技术逐步在电池行业应用,行业内卷急需提质降本增效,办法是数字化转型,就是电池全生命周期全链条智能化。
下一个十年,或者现在已经开始的十年,欧阳明高认为是材料换代,由于磷酸铁锂和三元电池材料创新,锂离子电池成为动力电池的主流,现在又到了新一轮材料创新周期,这个周期要到2030年左右,也就是说,全固态电池有可能2030年左右实现产业化。
面临国内外竞争加剧,更要居安思危。欧阳明高认为,电池行业发展方向是低碳化、智能化、固态化。
技术
为什么要搞全固态电池?因为全固态电池具有技术颠覆的性能潜力,不是说它有这个能力,是有这个潜力。首先是高安全性。从液态到固态,硫化物固态电解质的热稳定性可以保持到300°C,液态电解质100°C就要蒸发,所以它增加了200°C的安全空间,对正常工作范围有安全保障。
第二是高能量密度,现在虽然并没有实现高能量密度,但是全固态电池有这个潜力。不仅从单体电池,而且从电池模组的角度也有这个潜力,因为可以做成双极板,从单体和模组两方面都可以提升能量密度。
第三是高功率特性。现在液态锂离子电池的离子传导是叫运载模式,要溶剂化,再要脱溶剂化,通俗讲就是离子在液态电解质中移动需要“坐船”,但是锂离子在固态电解液中间是跳跃模式,传递速率更高,导致充电速度大幅度提高,这就是高功率特性,这种快充和现在的快充大不一样。
第四是温度适应性。现在液态电池在低温环境下续航里程不理想。液态电解质,锂离子导率和温度直接相关,全固态电池的电解质在-30°C和100°C范围内都不会凝固,不会气化,所以温度适应性很好,不需要搞很复杂的热管理,也不会因为冬天容量大幅下降。
最后是材料选择范围更广,因为固态电池的电化学窗口宽。以上这样一些特性可以同时满足,所以全固态电池是动力电池重要的发展方向之一。
欧阳明高指出,当前中国固态电池技术路线多元化,以固液混合为主,国际上是以全固态为主。固液混合是氧化物和聚合物电解质等结合为主,硫化物在国内并不是主导技术路线。现在国内固态电池产业链比较完整,好多主流电池厂都在做固液混合、半固态,有些企业也在尝试装车。半固态电池的特点是固液混合电化学原理与液态锂离子电池相同,不属于颠覆性技术,是提升安全性的技术之一。半固态电池正在试装车,但是良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命这些问题还需要解决。
从全行业看,既要发展渐近性半固态技术路线,又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。
全固态电池目前面临的挑战是巨大的,具有跨学科特性,技术门槛极高。首先是全固态电池产业化仍然面临一系列的科学难题,需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池不同层面进行解决。其次是全固态电池的工艺设备挑战,必须与设备厂商同步。第三个问题是产业链挑战,中国电池产业链是全球最强大的,现在如果做全固态电池,从原料到基材生产、电芯/电池包装配、电池生产应用到电池回收,全生命周期的产业链都会造成巨大冲击。中国全固态电池的研发目前来看认识还不统一、力量比较分散、产学研不协调,需要联合起来建立协同创新平台,共同突破全固态电池产业化的关键技术。
展望未来,欧阳明高表示,人工智能正在改变材料的研发范式,将大幅度加速全固态电池的研发速度,这为2030左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。
中国动力电池材料体系的研发和产业化发展趋势,低成本电池很重要,这是现在的产业主体,但是同时也要高比能电池,我们要两头发力。高比能电池在2030年左右全固态电池产业化突破的可能性极大,我们要全力以赴,只争朝夕,要有紧迫感,共同努力实现中国电池产业持续引领全球。(文:杨晓红 图:中国全固态电池产学研协同创新平台)
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