鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1731次 | 2021年05月25日
固態(tài)電池的技術(shù)和應(yīng)用
從電池能量計(jì)算來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)這一塊我們現(xiàn)在初步的認(rèn)為短時(shí)間在這一塊，就是第一代和第三代的，還有第二代，中期是金屬鋰離子電池，長(zhǎng)期可能是鋰枝晶空氣電池和鋰硫電池，這一塊都是基于可充放的鋰離子電池，第一代和第二代重要是鋰離子電池，從這一條來(lái)看就是能量密度以及相關(guān)的指標(biāo)也都會(huì)有一些差別。我今天想介紹一下固態(tài)鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池的差別，第二固態(tài)鋰離子電池的應(yīng)用，第三固態(tài)電池的布局。針對(duì)鋰離子電池和鋰離子電池的情況。
固態(tài)鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池的含義?，F(xiàn)在社會(huì)上針對(duì)鋰離子電池的聲音很多，其實(shí)從我們的理解來(lái)看，到現(xiàn)在為止除了在法國(guó)巴黎街都基于PEO體系的磷酸鐵鋰固態(tài)電池有量產(chǎn)以外，剩下沒有安時(shí)級(jí)的純固態(tài)電池，現(xiàn)在看大家對(duì)這個(gè)含義我們還是要進(jìn)行一個(gè)明確。第一個(gè)叫液態(tài)鋰蓄電池或者液態(tài)鋰離子電池，第二個(gè)叫混合固液電解質(zhì)鋰蓄電池，第三個(gè)叫半固態(tài)鋰離子電池，第四個(gè)是全固態(tài)鋰離子電池。
第一個(gè)針對(duì)液態(tài)鋰離子電池這一塊，電解液中只含有液體電解質(zhì)的這種鋰蓄電池，單純從電解液角度考慮?；旌瞎桃菏请姵刂型瑫r(shí)含有液體和固體電解質(zhì)的鋰蓄電池。半固態(tài)就是電池中任一側(cè)電極只要不含電解液我們就認(rèn)為是半固態(tài)鋰離子電池。最后是全固態(tài)鋰離子電池，就是電池單體里頭沒有液體，這就叫全固態(tài)鋰離子電池。所以現(xiàn)在針對(duì)電池里頭，比如說(shuō)我用PEDF做成一種凝膠的，或者比如我用某一種高分子材料做成的叫不叫固態(tài)鋰離子電池，從我們的含義里頭似乎不叫，當(dāng)然不同的人叫不相同，他可能也出一個(gè)含義的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)我們就不說(shuō)了。
針對(duì)電池的分類里頭，液態(tài)電池、混合固液電池和全固態(tài)電池里頭有不同的含義，前面也簡(jiǎn)單講了，這里頭針對(duì)這個(gè)體系做了一個(gè)更明確的細(xì)分。液態(tài)電池和固態(tài)電池的優(yōu)劣勢(shì)比較到底有什么呢?
第一個(gè)，就是在濫用條件下容不容易著火、容不容易爆炸的情況，從目前來(lái)看，我們初步的判斷，全固態(tài)電池不可燃燒、不會(huì)爆炸、沒有泄露、沒有腐蝕分子，這只是我們的判斷，真正的數(shù)據(jù)還會(huì)要實(shí)際測(cè)試電池的數(shù)據(jù)，因?yàn)槔镱^沒有液體了，沒有體積急劇膨脹的材料了，所以我們認(rèn)為它應(yīng)該不會(huì)爆炸，可燃物基于負(fù)極金屬鋰，我們最近跟軍隊(duì)在做一個(gè)項(xiàng)目，在軍隊(duì)這一塊希望我們的電池在海水浸泡條件下做針刺會(huì)不會(huì)著火，這個(gè)我覺得現(xiàn)在我不敢說(shuō)，有可能會(huì)著火，所以針對(duì)在耐用條件下會(huì)不會(huì)著火，外部這些條件其實(shí)影響因素很大，這是第一個(gè)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第二個(gè)就是腐蝕、界面反應(yīng)問(wèn)題和高溫壽命的問(wèn)題，前面大家一直在說(shuō)針對(duì)整個(gè)的電池系統(tǒng)需不要做熱管理，王博士也一直在講假如我們做自然冷卻可不可以，現(xiàn)在的這個(gè)電池體系假如它比如說(shuō)冗余度做得足夠好的話我覺得是可以的，但是賭博固態(tài)電池來(lái)說(shuō)可能更好。關(guān)于固態(tài)電池，現(xiàn)在的從高溫到低溫基本上是線性的，所以溫度低，它的離子電導(dǎo)率會(huì)低，溫度低了以后離子電導(dǎo)率會(huì)高。
所以從固態(tài)電池本身來(lái)考慮的話，我們認(rèn)為高溫條件下它的工作可能會(huì)更好，從整個(gè)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，我們可能可以不再做冷卻系統(tǒng)，但是加熱系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)我們可能還是要的。第三個(gè)就是針對(duì)氣脹變形、壽命短，原材料純度要求高。電池充放過(guò)程中只有鋰離子在跑，其他的都不跑，所以對(duì)材料的純度要求可以相對(duì)降低。
制造成本和工藝復(fù)雜性這一塊，目前來(lái)看，從我們整個(gè)的項(xiàng)目推進(jìn)角度來(lái)看的話，我們想著盡可能能兼容現(xiàn)有的設(shè)備，制造成本盡可能降低，能量密度這一塊，液態(tài)電池大家都認(rèn)為天花板在350Wh/Kg左右，或者350Wh/Kg以下，關(guān)于固態(tài)電池可能可以做得更高，并且我們預(yù)期有可能能做到500Wh/Kg左右，當(dāng)然也是從下面一步步往上做。
下面重要是針對(duì)缺陷，就是提升大規(guī)模應(yīng)用、材料體系的發(fā)展、安全性的提高、成本具有顯著優(yōu)勢(shì)等等這些，固態(tài)電池其實(shí)現(xiàn)在在倍率性、在低溫條件下，續(xù)航性都做得不夠好。
簡(jiǎn)單歸納總結(jié)，液態(tài)電池和固態(tài)電池的差別，固態(tài)電池可以使用金屬鋰作為負(fù)極，固態(tài)電池有望達(dá)到更高的能量密度，有望做得更安全(沒有熱失控)，可以做到更低的成本，可以做到更長(zhǎng)的壽命，現(xiàn)在針對(duì)國(guó)家儲(chǔ)能這一塊，關(guān)于固態(tài)電池的要求，它的循環(huán)壽命是一萬(wàn)次以上，壽命要求20年以上，這個(gè)要求還是非常高的。針對(duì)固態(tài)電池這一塊，這是液態(tài)電池，它是基于內(nèi)部并聯(lián)結(jié)構(gòu)，它可能會(huì)做一些調(diào)整，現(xiàn)在希望做成這樣，因?yàn)楣虘B(tài)電池本身里面有鋰離子在跑，其他的都不跑，所以我們把中間的集流體做成高分子的集流體，就是我只要電子能導(dǎo)電，離子不導(dǎo)電就行。正極的活性材料可以走到這一邊，負(fù)極的活性材料可以到這邊，這樣我可以做成一個(gè)電池內(nèi)部串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，單體電池的電壓有望可以達(dá)到60V，為何說(shuō)是60V?因?yàn)?0V是直流的最高的安全電壓，這樣我可以把銅箔比較沉的取消掉，鋁箔比較高的取消掉，能量密度還可以提高，體積比能量還可以再提高。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
這是針對(duì)能量密度這一塊，重量比能量這一塊也可以看一下，目前流行的是這些，大家看一下，LLZO材料密度是5.07，最輕的是PEO-LITFSI，它的密度是0.93，電解液大概是在1到1.2，也就是說(shuō)假如我單純地把電解液換成電解質(zhì)，固態(tài)電池的能量密度一定是降低的，大家可以看一看，假如我把電解液替換成電解質(zhì)，基于現(xiàn)在的電池能量密度可以看一看，液態(tài)電池假如做到300、297，用LLZO是186，用LAGP是216，最高的是用聚合物，可以做到301，這是做整體的比較，有關(guān)電解液的不同，采用同樣固態(tài)電解質(zhì)的電芯質(zhì)量能量密度將降低。固態(tài)電解質(zhì)不具流動(dòng)性體積占比一半高于液態(tài)，導(dǎo)致體積能量密度進(jìn)一步降低。
能量密度非對(duì)等比較，鋰對(duì)固態(tài)電解質(zhì)，對(duì)NCM，對(duì)歸硅，液態(tài)電解質(zhì)對(duì)NCM這種體系的話我們認(rèn)為有可能做得高，也就是說(shuō)假如做成全固態(tài)的，所以負(fù)極一定要改。第二個(gè)關(guān)于正極這一塊，假如我還用現(xiàn)在的材料，我叫它固態(tài)電解質(zhì)是沒有優(yōu)勢(shì)的，所以我要往高電壓走，這是固態(tài)電池大概的方向。
功率密度這一塊，大家都在說(shuō)固態(tài)電池既然本體的離子電導(dǎo)率沒有那么高，它的倍比性是不是不好?他們做了極限實(shí)驗(yàn)，電池重量比能量大概是在不到20Wh/Kg，這個(gè)電池可以1500次放電，這就是全固態(tài)電池，它的電池溫度可以設(shè)得很高，沒關(guān)系，假如是液態(tài)電池就不行了，這里頭也可以看出來(lái)，假如我們要真正做到超高功率的電池的話，全固態(tài)電池其實(shí)還是有優(yōu)勢(shì)的。
我們期望全固態(tài)電池解決的問(wèn)題：防止SEI膜持續(xù)生長(zhǎng)，防止鋁箔被腐蝕，不再擔(dān)心游離過(guò)渡金屬，不再擔(dān)心過(guò)渡金屬溶解，不再擔(dān)心正極析氧，不再懼怕低溫過(guò)充析鋰，不再懼怕鋰枝晶短路，負(fù)極可以含鋰，正極可以充到高電壓，不再擔(dān)心漏液，不擔(dān)心高溫儲(chǔ)存及運(yùn)行，大大降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，不再爆炸，這是我們希望全固態(tài)電池能解決的內(nèi)容，但是真要解決了就妥了。
固態(tài)電解質(zhì)這一塊，目前全球在做研究開發(fā)的或者比如說(shuō)能買得到的固態(tài)電解質(zhì)大概是這六種，看看這個(gè)特種圖，沒有一個(gè)是非常好的或者可以直接用的。有不同的優(yōu)點(diǎn)，也有不同的缺點(diǎn)，有的就是性能好，有的就是可量產(chǎn)性好，量產(chǎn)性不好，有的比如說(shuō)在做的時(shí)候做不好，有的對(duì)水特別敏感。
看看正極材料，從現(xiàn)在來(lái)看，實(shí)心數(shù)據(jù)右邊界為2017年水平，虛框?yàn)槲磥?lái)發(fā)展?jié)摿Γ覀冋J(rèn)為現(xiàn)有的正極材料發(fā)展的空間還有這么大。正極能量密度進(jìn)一步提升的辦法是：攙雜、包覆、CEI添加質(zhì)，然后提高晶壓實(shí)密度、提高正極厚度，等等這都是操作的辦法。
再看看負(fù)極，實(shí)心區(qū)域?yàn)槟壳傲慨a(chǎn)水平，虛框?yàn)榘l(fā)展?jié)摿?。我們認(rèn)為假如做到預(yù)鋰化，我們可以把現(xiàn)有的材料基于克容量拉平，拉平到一千毫安每克，有沒有可能做得更高?可以，但是為了跟正極匹配，優(yōu)化做得比較好，我們認(rèn)為做到一千毫安每克就夠了。
固態(tài)電池的部分，固態(tài)電池分為四類，第一個(gè)是去喝物固態(tài)電池，第二個(gè)是薄膜全固態(tài)電池，第三個(gè)是硫化物全固態(tài)鋰離子電池，第四個(gè)是氧化物全固態(tài)鋰離子電池。
聚合物全固態(tài)鋰離子電池有量產(chǎn)的，聚合密度應(yīng)該在220、240，不超過(guò)260，正極用的是磷酸鐵鋰，固態(tài)電解質(zhì)用的是基于PEO的TFSI體系，這個(gè)電池目前有量產(chǎn)的，有運(yùn)營(yíng)的，也有數(shù)據(jù)，但是它的缺點(diǎn)就是在60-85度工作，我了解的是有著火和爆炸的，在60-85度工作PEO是然的，基于內(nèi)部短路，鋰之間發(fā)生的可能性是存在的。
第二個(gè)薄膜電池，薄膜電池目前我了解的，循環(huán)壽命可以做到非常長(zhǎng)，一萬(wàn)次以上，很容易，這個(gè)電池最大的缺點(diǎn)就是做不大，這個(gè)電池一般都是最大做到豪安時(shí)級(jí)別，可以做到可穿戴級(jí)別的電池。
第三個(gè)是硫化物，重要集中在日本這一塊，他們?cè)谧鲞@些工作，硫化物最大的優(yōu)點(diǎn)就是硫化物電解質(zhì)本體的離子電導(dǎo)率非常高，比液態(tài)電池電解液的離子電導(dǎo)率還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是硫化物對(duì)水非常敏感，假如基于硫化物的全固態(tài)電池一旦被別的電池或者被別的高溫的燒著了，它有可能會(huì)釋放硫化氫，臭雞蛋味的硫化氫，所以我們一直在評(píng)估、評(píng)價(jià)這個(gè)體系關(guān)于將來(lái)量產(chǎn)，基于將來(lái)的比如說(shuō)對(duì)環(huán)境的影響以及回收、梯次利用會(huì)不會(huì)有一定的瓶頸。
第四個(gè)就是氧化物，簡(jiǎn)稱為陶瓷材料，這個(gè)材料好處很多，可以耐受高電壓，可以更安全，壞處也很多，阻抗會(huì)很大，所以總體看下來(lái)，基于大家在做研究開發(fā)的全固態(tài)電池沒有一個(gè)好的。
從電池材料的技術(shù)路徑來(lái)看，假如負(fù)極不含鋰，正極一定是含鋰的，假如負(fù)極含鋰了，我可選擇的余地就要大得多。所以只有安全性、能量密度、循環(huán)壽命、日歷壽命顯著提高，成本及功率特性接近于甚至于優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池的時(shí)候，全固態(tài)電池技術(shù)才有競(jìng)爭(zhēng)力。
從整個(gè)的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，包括原材料，包括電池材料，包括應(yīng)用，包括回收，整體的我們做了一個(gè)分析，原則上鋰離子電池加預(yù)鋰化或者金屬鋰的技術(shù)，我們可以做成混合固液或者全固態(tài)的電池，針對(duì)不同應(yīng)用的固態(tài)鋰離子電池的材料體系和技術(shù)體系選擇應(yīng)該有所不同。固態(tài)電池可以采用全新的模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括剛才的熱設(shè)計(jì)，目前材料體系、電芯、模組、智能制造技術(shù)尚未確定，到現(xiàn)在為止其實(shí)全固態(tài)電池到底采用哪一種材料體系，到底采用哪一種工藝技術(shù)路線還沒有定型。
針對(duì)混合固液電解質(zhì)的電池，還有固液電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的電池做了一個(gè)更全面的描述，就是混淆固液電解質(zhì)鋰離子電池技術(shù)挑戰(zhàn)分析。大家可以簡(jiǎn)單地看一下，針對(duì)半固態(tài)的電解質(zhì)的話，一般來(lái)說(shuō)，我們希望在今年的標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)里頭，我們也和王博士一起聯(lián)合做標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，假如我們是半固態(tài)電池，我們一定要有準(zhǔn)確的辦法，把里面的電解也含量到底有多少，一定要定量出來(lái)，到了電池里頭，大家都在說(shuō)電解液的含量是20%、15%、10%還是5%，這個(gè)差別是很大的，沒有一個(gè)特別好的辦法來(lái)標(biāo)定，所以希望今年能把針對(duì)電解液的含量標(biāo)定作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能夠首先提出來(lái)。
全固態(tài)電池里頭最難做的是什么?液態(tài)電池大家都了解電解液一注進(jìn)去之后，電解液就可以把正極、負(fù)極材料、隔膜材料整個(gè)浸透，所以我們認(rèn)為基本上相當(dāng)于活性材料和非活性材料是侵到了電解液里頭，可以認(rèn)為是點(diǎn)面接觸，但是關(guān)于全固態(tài)電池來(lái)說(shuō)的話是點(diǎn)點(diǎn)接觸，所以界面電阻的解決方法是全固態(tài)電池最最關(guān)鍵的問(wèn)題。這里面我們大概地列了兩個(gè)全固態(tài)電池的界面阻抗怎么解決的辦法。
簡(jiǎn)單總結(jié)，鋰離子電池電導(dǎo)率、高耐氧化電位、兼顧力學(xué)與離子傳導(dǎo)特性、能夠在全壽命周期完全阻止鋰枝晶穿刺的聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜尚未突破。第二，固態(tài)電解質(zhì)層與電極層界面電阻較大。第三，循環(huán)過(guò)程中固態(tài)電解質(zhì)相與電極內(nèi)顆粒接觸變差。第四鋰沉積位點(diǎn)及形貌不易控制。第五，純金屬鋰電極存在較大的體積變化。第六，高速高效率全固態(tài)電池的制造工藝和裝備尚不成熟。第七，全固態(tài)電池低溫特性尚需改善。第八，全壽命周期全固態(tài)鋰離子電池安全性與熱失控行為機(jī)理不清楚。所有以上的問(wèn)題我們希望在三年內(nèi)找到解決方法，我們希望在五年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)小試，希望在八年之內(nèi)做到規(guī)?；膽?yīng)用，這是我們的遠(yuǎn)景。
第二個(gè)講一下固態(tài)鋰離子電池的應(yīng)用。
固態(tài)鋰離子電池應(yīng)用在什么地方?幾乎現(xiàn)在電池能用的地方我們認(rèn)為都可以用，因?yàn)樗彩卿囯x子電池。從儲(chǔ)能的角度上來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為應(yīng)該也是可以使用的。第三個(gè)新能源汽車這一塊，從第一代到第二代、到第三代，可能我們要做一些歸納總結(jié)，汽車上我們應(yīng)該也是可以使用的。刷是在歐洲這一塊已經(jīng)規(guī)?；瘧?yīng)用了，日本豐田也提出來(lái)了到2020年認(rèn)為固態(tài)電池是最有可能最新被用到汽車上的。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)來(lái)看，關(guān)于固態(tài)電池是前期的，我們希望有一個(gè)充分的基于全壽命周期的考慮。從標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)來(lái)說(shuō)，我們也希望隨著相關(guān)工作的推進(jìn)同步推進(jìn)。從電池的換電模式來(lái)看的話，我們只是以一個(gè)初步的想法，假如我們的固態(tài)電池，我們的體積比能量做到800Wh/Kg以上，重量比能量做到50以上的話，我們認(rèn)為做成快換的模式是有可能的，做成標(biāo)準(zhǔn)化的快，比如一定的體積，做到一定的能量可以快速地進(jìn)行更換。同時(shí)我們希望這個(gè)是基于換電模式標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，我們希望把固態(tài)電池既然在整車的底盤下面，這個(gè)空間是最安全的，我們希望固態(tài)電池和整車進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，把電芯做大，定向開發(fā)，現(xiàn)在拿了一個(gè)北汽的電池包做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，這是C30車，現(xiàn)在的電池包厚度大概是150，后面的厚度大概是260，假如換成全固態(tài)電池，能量保持不變的話，我們認(rèn)為這個(gè)體積可以控制在50毫米，也就是說(shuō)這是150，我們可以控制在50，這個(gè)對(duì)整車設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單。所以我們希望有沒有這種可能性，第一個(gè)是說(shuō)我們?cè)谡嚨牡妆P下面做一個(gè)固定的電池包，同時(shí)基于體積比能量和重量比能量的提高，做成換電的這種小的標(biāo)準(zhǔn)化的電池包這種可能性。
