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观察|欧阳明高院士:警惕激进型全固态电池的颠覆风险

2024-02-28   中国能源新闻网   阅读量:108

    中国能源新闻网记者 余璇

    “10年来动力电池能量密度提升3倍,成本下降80%以上,我国电池产量占全球近70%,但也面临产能过剩、行业内卷的现状。2023年锂离子电池价格腰斩,盈利的动力电池企业只有两三家。当前行业需要提质增效,用创新技术穿越周期。”1月22日,在“中国全固态电池产学研协同创新平台”成立大会暨中国全固态电池创新发展高峰论坛上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高指出。

    在欧阳明高看来,当前超级快充、低温续航、体积能量密度等新需求虽有技术方案,但也面临技术门槛不断提高的挑战。我国需要跨越创新周期,迎接国际新一轮电池技术竞争。

    目前全球全固态电池的研发现状是怎样的?我国全固态电池发展前景如何?欧阳明高进行了深入阐述与分享。

    全固态电池研发的全球“执念”

    关于固态电解质的研究,我国在前期做了大量的基础工作,但无论是氮化锂、硫化物还是卤化物,都尚未达到理想状态。

    “这些固态电解质制成的电池一直无法满足实用要求。”欧阳明高坦言,直到1992年,随着液态锂离子电池诞生并迅速产业化,液态锂离子逐步应用于电动汽车,随后引发了新能源汽车革命。

    欧阳明高表示,近10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,离子电导率甚至超过液态电解质。

    据介绍,2011年,东京工业大学Ryoji Kanno教授课题组合成了一种硫化物固态电解质Li10GeP2S12(LGPS),有效增强了锂离子电导率,甚至电导率与有机电解液基本相当,但该固态电解质中含有锗元素,成本比较高。

    “目前已经发展了成本较低的硫化物固态电解质,其中锂磷硫氯是应用比较多的。”欧阳明高表示,在Ryoji Kanno教授课题组合成的固态电解质出现后,2012年,丰田试制了全固态电池,随后不断有企业加入,从而引发了新一轮全固态电池的全球竞争。

    “现在大家越来越有共识,全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一,被列入中国、美国、欧盟、日本、韩国等主要地区的发展战略,也成为下一代电池技术竞争的关键制高点。”欧阳明高强调。

    据了解,从全球全固态电池产业布局来看,我国企业占比最多,其次是日本。

    日本方面,在全固态电池领域耕耘多年,技术创新不断加速,量产时间表逐渐明确,虽然全固态电池企业不多,但实力很强。

    “日本应该说是举国家之力推动全固态电池商业化,他们也有‘官—产—学’联盟,丰田、本田、日产等企业既做全固态电池研发,也在做整车生产,在电池与整车性能匹配结合方面比较有优势。”欧阳明高称。

    美国方面,以初创公司为主,加速全固态电池产业创新,欧洲则是主要和美国的创业企业合作。

    “美国与日本不同,基本上是一些创业企业,美国一向是以创业企业为主导的。”欧阳明高分析称。

    谈及创业公司的资金支持,欧阳明高表示,美国创业公司一方面靠股市支撑,另外一方面靠欧洲车厂支撑。

    此外,韩国全固态电池企业数量也不多,但是LG新能源、三星SDI和SK On三大电池企业力量很强,目前正持续投入研发,开始建设全固态电池生产线。

    “韩国应该说是目前全球位居第二的电池产业大国,虽然其电池企业不多,但是有三家企业实力是很强的,在全固态电池方面这三家企业都取得了实质性的进展。尤其是三星,现在国内还有很多企业在复现其做出的全固态电池。”欧阳明高坦言。

    据分析,目前全球全固态电池产业路线不止一家公司布局,而是许多具有实力的公司集体布局,预计产业化时间集中在2027—2030年。换而言之,聚焦在这个时间,是有一定共识的。

    亟须研发全固态电池巩固产业链优势

    那么,我国要不要发展全固态电池?这是欧阳明高阐述的关键问题。

    “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。”欧阳明高认为。

    一是高安全性。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摄氏度,液态电解质100摄氏度就要蒸发,所以硫化物固态电解质增加了200摄氏度的安全空间,对正常工作范围更有安全保障。

    二是高能量密度。虽然现在并没有实现高能量密度,但全固态电池有这个潜力。不论是从单体电池,还是从电池模组的角度都有这个潜力,因为其可以做成双极板,从单体和模组两方面都可以提升能量密度。

    三是高功率特性。现在液态锂离子电池的离子传导被称为运载模式,整个过程需要溶剂化再脱溶剂化,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是跳跃模式,传导速率更高,充电速度也大幅度提高,这就是高功率特性。这种快充和现在的快充相比将会大不一样,不会因为充电速度太快而析锂。

    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,是因为液态电解质中锂离子电导率和温度直接相关,全固态电池的电解质在-30摄氏度到100摄氏度范围内都不会凝固、气化,所以温度适应性更好,不需要很复杂的热管理,也不会因为寒冷电池容量大幅下降。

    五是材料选择范围更广。固态电池的电化学窗口更宽,可以把不同特性结合起来,制作成电化学窗口很宽的电池,进一步提升电压。

    “以上这些特性可以同时满足,不像液态电池一方面性能好了,另外一方面性能就不好了。比如充电倍率性能提升了,可能循环寿命就降下来了。但固态电池不是这样的,如果充电倍率性能提升,循环寿命反而会有增长趋势。所以全固态电池是动力电池重要的发展方向之一。”欧阳明高强调。

    记者了解到,目前我国固态电池技术路线呈现多元化,以固液混合为主,国际上多以全固态为主。固液混合主要是氧化物和聚合物电解质等结合,硫化物在国内并不是主导技术路线。当前国内固态电池产业链比较完整,部分主流电池企业都在做固液混合、半固态电池,也有企业在尝试装车。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。目前半固态电池正在试装车,但是良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命等问题仍需解决。

    从全行业看,目前我国既要发展渐进型半固态技术路线,又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。

    “目前我国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%市场份额也需要20到30年。”欧阳明高指出,就像电动汽车也就只替代了30%,全球就惊呼中国电动汽车要领先了。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,全球就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,我国液态锂离子电池产业发展成就辉煌,10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,且技术门槛越低,涌进来的人就越多,但仍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。其次,低温续航也是一个挑战。此外,还要进一步提升体积能量密度。

    另一方面,锂离子电池技术创新周期大概是30年,第一个10年,从手机电池到动力电池,现在还在继续解决安全问题。近10年来,智能化技术逐步在电池行业应用,行业内卷亟须数字化转型提质降本增效,电池全生命周期期待全链条智能化。

    在欧阳明高看来,下一个10年,或者现在已经开始的10年,是材料换代的10年。

    “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。”欧阳明高预测。

    面对国内外竞争加剧,虽然我国电池产业发展呈现良好态势,但仍要居安思危。欧阳明高认为,电池行业发展方向是低碳化、智能化、固态化。

    协同创新破解全固态电池技术难题

    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,包括材料、界面、工艺、产业链、设备等。”欧阳明高指出。

    首先,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。

    “比方说材料层次,硫化物电解质化学稳定性、空气稳定性很差,批量生产很难。基础硫化锂很贵,首先要把这个价格压下去。现在自己做比买要便宜80%,所以做硫化锂需要把规模做上去,把成本压下来。”欧阳明高举例称。

    其次,全固态电池的工艺设备面临挑战,必须与设备厂商同步。“全固态电池制作如果用湿法工艺,大概能保留一半的现有设备。如果用干法工艺,三分之二的设备都不能用了,要用新设备,所以必须要与设备厂商同步。”欧阳明高解释称。

    再次,产业链面临风险,欧阳明高认为,我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,再到电池回收,全生命周期的产业链都会受到巨大冲击。

    “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。”欧阳明高呼吁。

    “我们已经处于一个新的时代,人工智能的时代,不要用过去推论未来,这个时代会颠覆材料的创新模式。”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年左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。

    展望我国动力电池材料体系的研发和产业化发展趋势,欧阳明高判断,未来既要低成本电池,也要高比能电池,要两头发力。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。

    责任编辑:闫弘旭