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固態(tài)電池發(fā)展到哪一步了?我們與中科院科學(xué)家吳凡聊了聊

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固態(tài)電池發(fā)展到哪一步了?我們與中科院科學(xué)家吳凡聊了聊

固態(tài)電池的難點(diǎn)與可能性、如何選擇固態(tài)電池技術(shù)路線、半固態(tài)是否會(huì)是折中路線、固態(tài)電池的安全性如何……

文|經(jīng)緯創(chuàng)投

經(jīng)緯科創(chuàng)匯動(dòng)力電池專場(chǎng)又與大家見面了,我們和DeepTech戰(zhàn)略合作,邀請(qǐng)到了學(xué)界與業(yè)界的資深專家,以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來(lái)進(jìn)行交流。

本篇是我們動(dòng)力電池系列的第4篇文章,訪談對(duì)象是吳凡,他是中科院物理研究所博士生導(dǎo)師、中科院物理研究所長(zhǎng)三角研究中心科學(xué)家工作室主任、天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院首席科學(xué)家。

吳教授2007-2011年在浙江大學(xué)攻讀材料學(xué)學(xué)士,2011-2014年在美國(guó)北卡州立大學(xué)攻讀材料學(xué)博士,2014-2016年在普林斯頓大學(xué)攻讀博士后,2016-2018年在哈佛大學(xué)做研究員的科研工作。隨后毅然回國(guó),29歲成為中科院物理所最年輕的博士生導(dǎo)師之一,他自2019年1月起任中科院物理所博導(dǎo),長(zhǎng)三角物理研究中心科學(xué)家工作室主任,天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院首席科學(xué)家,入選國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、中科院海外杰出人才引進(jìn)計(jì)劃及擇優(yōu)支持、江蘇省杰出青年基金。吳教授在固態(tài)電池研究領(lǐng)域有很深的造詣,其中包括硫化物全固態(tài)/固態(tài)鋰(離子)電池材料、電芯研發(fā);正負(fù)極材料與固態(tài)電解質(zhì)界面處理;先進(jìn)材料表征與分析;高能量密度鋰(離子)電池材料、電芯研發(fā)等等。

我們與吳教授主要探討了固態(tài)電池,其中包括固態(tài)電池的難點(diǎn)與可能性、如何選擇固態(tài)電池技術(shù)路線、半固態(tài)是否會(huì)是折中路線、固態(tài)電池的安全性如何……如果你想更系統(tǒng)地了解動(dòng)力電池,請(qǐng)參考我們本期科創(chuàng)匯的其他文章(《動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?》),未來(lái)我們還會(huì)分享一系列分析研究。以下,Enjoy:

經(jīng)緯:大家對(duì)固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間預(yù)測(cè),一直在往后延期,在您看來(lái),當(dāng)下全球范圍內(nèi),像日本、歐洲、美國(guó)、中國(guó),在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)方向是怎樣的?大家正在嘗試解決什么問(wèn)題?

吳凡:固態(tài)電池的研發(fā),主要集中在中日韓美歐五個(gè)國(guó)家和地區(qū)。中國(guó)四大頭部固態(tài)電池公司(北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶、寧波鋒鋰、臺(tái)灣輝能),都是以氧化物材料為基礎(chǔ)的固液混合技術(shù)路線為主。

日本舉全國(guó)之力搭建硫化物材料技術(shù)體系。在Alca Spring, Rising2, Solid EV等國(guó)家項(xiàng)目中,日本聯(lián)合了38家研發(fā)機(jī)構(gòu),包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司,松下日立造船等電池公司,三井金屬等化學(xué)制品公司、研究所、大學(xué)一起做全固態(tài)電池研發(fā)。直到今天,豐田依然是全球范圍內(nèi),擁有硫化物全固態(tài)電池專利數(shù)量最多的公司,他們?cè)谶@方面的積累比較深厚,已經(jīng)有20多年的研發(fā)歷史。豐田最早宣稱在2018年實(shí)現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池量產(chǎn),目前宣稱推遲到2025年。

2021年10月,日本三井金屬宣布建成年產(chǎn)十噸級(jí)的硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)線,這是世界上第一條硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料的噸級(jí)生產(chǎn)線,從中可以看出日本不僅是布局,而且也有了實(shí)質(zhì)性推動(dòng)。豐田主推硫化物全固態(tài)電池在電動(dòng)車上的應(yīng)用,三井金屬提供配套的噸級(jí)硫化物材料。

韓國(guó)也是舉全國(guó)之力在推進(jìn)硫化物全固態(tài)電池開發(fā)。代表性企業(yè)有LG化學(xué)、三星、浦項(xiàng)等。三星在2022年3月宣布開始建設(shè)世界第一條全固態(tài)電池生產(chǎn)線,浦項(xiàng)配套建設(shè)年產(chǎn)能24噸級(jí)的硫化物材料生產(chǎn)線。

歐洲是最早推進(jìn)聚合物固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的地區(qū)。當(dāng)時(shí)法國(guó)的Bollole公司首次提出把聚合物固態(tài)電池用在電動(dòng)巴士(Bluebus)、電動(dòng)出租車(Bluecar)等公共交通領(lǐng)域,但是聚合物電池的缺點(diǎn)是需要在60度的高溫環(huán)境下才可以正常充放電,并且聚合物本身也有化學(xué)穩(wěn)定性差的問(wèn)題,無(wú)法適用于高電壓的正極材料,像鈷酸鋰、高鎳三元等等,熱安全性也不強(qiáng)。所以最終聚合物固態(tài)電池也沒(méi)有形成趨勢(shì)。

最近歐洲轉(zhuǎn)為以投資為主。歐洲著名的整車廠投資國(guó)外的電池企業(yè),像大眾、寶馬、奔馳都有投資相應(yīng)的美國(guó)初創(chuàng)公司,以爭(zhēng)取在下一代全固態(tài)電池上的話語(yǔ)權(quán)。

在美國(guó),固態(tài)電池主要是以初創(chuàng)公司為主。美國(guó)的體系比較復(fù)雜,不像日韓完全聚焦于硫化物,中國(guó)聚焦于氧化物固液混合。美國(guó)的公司以創(chuàng)新為主,風(fēng)格以快速融資、快速上市為主要目的,所以他們提出的概念更加吸引眼球,比如鋰金屬、硫化物等等這些風(fēng)潮,或是熱門詞匯,都會(huì)作為核心賣點(diǎn)進(jìn)行宣傳。

美國(guó)主流的幾家創(chuàng)業(yè)公司,如Ionic Materials以聚合物固態(tài)體系為主,Solid Power展示了硫化物體系的全固態(tài)電池小規(guī)模生產(chǎn)線的照片和電芯數(shù)據(jù)。Quantum Scape是以氧化物和鋰金屬為主要的技術(shù)路線。還有Solid Energy,是以鋰金屬加上電解液的電池作為主要賣點(diǎn)。

隨著電動(dòng)車的滲透率越來(lái)越高,安全性變成一個(gè)核心要素,無(wú)論是在產(chǎn)業(yè)界還是在學(xué)術(shù)界,固態(tài)電池是一個(gè)解決安全性和提升能量密度的重要方向和技術(shù)。

經(jīng)緯:對(duì)于硫化物、氧化物、聚合物三種固態(tài)電池的主要技術(shù)路線,它們的導(dǎo)電性、能量密度等等核心指標(biāo)也都各有優(yōu)劣,您覺(jué)得應(yīng)該如何全盤考慮優(yōu)劣勢(shì)?

吳凡:主流的固態(tài)電解質(zhì)材料,就是聚合物、氧化物和硫化物三種材料體系,這三種材料體系都是從1980年代就開始了研究,到現(xiàn)在接近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。所以各條技術(shù)路線上的代表性材料,其實(shí)都已經(jīng)篩選出來(lái)了。

聚合物的特點(diǎn)是易加工,與現(xiàn)有的液態(tài)電解液的生產(chǎn)設(shè)備、工藝都比較兼容,它的機(jī)械性能好,比較柔軟。

但聚合物的缺點(diǎn)也挺多的。第一,它的室溫離子電導(dǎo)率是三個(gè)材料體系中最低的,這直接導(dǎo)致它要想應(yīng)用比較難,需要加熱到60度以上的高溫,才能有比較好的離子電導(dǎo)率。

第二,聚合物的高電壓、穩(wěn)定性比較差,導(dǎo)致它沒(méi)有辦法適配于高電壓的正極材料,所以限定了它的能量密度。但固態(tài)電池的核心優(yōu)勢(shì),除了安全性之外就是能量密度,如果正極材料有限制的話,它的能量密度就沒(méi)有辦法提高,所以聚合物在這方面有缺陷。

第三,聚合物本身的安全性,也沒(méi)有硫化物與氧化物的熱穩(wěn)定性好,因?yàn)榫酆衔镌诟邷叵乱矔?huì)發(fā)生起火燃燒的現(xiàn)象,而我們對(duì)于固態(tài)電池就是希望它能徹底解決安全的問(wèn)題,因?yàn)橐簯B(tài)電池的電解液在60度就有放熱反應(yīng),再高溫到100度就有燃燒風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致安全事故。聚合物也類似,熱穩(wěn)定性普遍在200度以下,但氧化物與硫化物的熱穩(wěn)定性可較輕松達(dá)到400-600度以上。所以聚合物雖然是三條技術(shù)路線中最早開始推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用的,但到現(xiàn)在也沒(méi)有大面積鋪開,就是安全性原因?qū)е碌摹?/p>

氧化物體系的離子電導(dǎo)率比聚合物更高,氧化物的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定最好,熱穩(wěn)定性高達(dá)1000度,同時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性也都非常好。

氧化物也有一些缺點(diǎn)。第一,相對(duì)于硫化物,氧化物的室溫離子電導(dǎo)率還是偏低的,這使得在性能中會(huì)遇到容量、倍率性能受限等等一系列問(wèn)題。

第二,氧化物非常堅(jiān)硬,這個(gè)問(wèn)題更嚴(yán)重。氧化物的顆粒是以點(diǎn)接觸的形式存在,如果我們?cè)诤?jiǎn)單的室溫冷壓情況下,用氧化物做成的全固態(tài)電池是一個(gè)孔隙率非常高的電池。在液態(tài)電池中,所有的孔隙都有電解液浸潤(rùn),所以界面接觸沒(méi)有任何問(wèn)題,但在固態(tài)電池中,這些孔隙就無(wú)法導(dǎo)鋰。

用氧化物做的全固態(tài)電池,需要用1000度以上的高溫?zé)Y(jié)后才能熱壓致密化,把孔隙率降低。所以氧化物體系本身離子電導(dǎo)率低,再加上它孔隙率高,機(jī)械性能比較堅(jiān)硬造成點(diǎn)接觸的問(wèn)題,這些核心問(wèn)題都導(dǎo)致它不大可能是全固態(tài)電池。目前國(guó)內(nèi)都在研發(fā)的,就是固液混合方向,既有氧化物的固態(tài)電解質(zhì)層,又有電解液浸潤(rùn),這樣能夠填充孔隙,讓它有完好的導(dǎo)鋰通道。

最后一個(gè)是硫化物體系。硫化物是室溫離子電導(dǎo)率最高的,也是人類目前發(fā)現(xiàn)的所有固體材料中,鋰離子電導(dǎo)率唯一能超過(guò)液態(tài)電解液導(dǎo)鋰水平的固體材料,所以很多人覺(jué)得用它做全固態(tài)電池是最有價(jià)值的。

另外硫化物的機(jī)械性能比較柔軟,它在室溫冷壓的情況下,就可以高度致密化,孔隙率較低,這樣在大規(guī)模制備全固態(tài)電池的過(guò)程中,就不需要100度的高溫?zé)Y(jié),只需要正常的冷壓致密化就可以。從這些角度看,硫化物從科學(xué)原理上來(lái)說(shuō),的確是最有可能實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的材料體系。

不過(guò)硫化物也有缺點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)離子電導(dǎo)率高了以后,會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)穩(wěn)定性比較差,反應(yīng)活性高。而反應(yīng)活性高了之后,就會(huì)跟幾乎所有介質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),包括空氣。如果遇到空氣中的水分,就會(huì)反應(yīng)生成硫化氫,這是致命的有毒氣體。

此外硫化物跟電池中使用的有機(jī)溶劑都不兼容,會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng)導(dǎo)致硫化物失效。這些困難導(dǎo)致硫化物的發(fā)展沒(méi)有那么快,需要很好的隔絕空氣,以及不與極性溶劑接觸等等,這些都增加了制備硫化物全固態(tài)電池的難度。

經(jīng)緯:之前正好提到“固固接觸”的問(wèn)題,比如在氧化物材料體系上,當(dāng)下還是利用了固液混合來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如果仍然是全固態(tài)的話,要想解決固固接觸問(wèn)題可能會(huì)怎么做?比如把電極材料的粒徑做小?當(dāng)然目前肯定還沒(méi)有很好的解決方案,但是有哪些可能的研究方向?

吳凡:首先聚合物與硫化物本身的機(jī)械性能比氧化物好,沒(méi)有那么堅(jiān)硬,所以它們跟正負(fù)極極片之間,或者在極片內(nèi)部的界面接觸問(wèn)題,相對(duì)要好一些。

在電池的實(shí)際組裝過(guò)程中,像您剛才提到的粒徑匹配是一個(gè)非常重要的因素,用大顆粒,還是用大小顆粒按特殊分布方式去排列,很明顯最終的孔隙率是不一樣的,這就是通過(guò)材料本身的機(jī)械性能和粒徑尺寸分布,來(lái)從物理層面提升界面的接觸性能。

而接觸性能會(huì)直接影響極片的壓實(shí)密度,壓實(shí)密度又直接決定了整個(gè)電池的能量密度,這些都是息息相關(guān)的。

經(jīng)緯:您覺(jué)得在固態(tài)電池里,正負(fù)極材料跟現(xiàn)在的磷酸鐵鋰、三元體系,會(huì)有不一樣嗎?會(huì)用新材料或新元素嗎?

吳凡:正負(fù)極的話,如果我們保持跟現(xiàn)在液態(tài)電池一樣的材料體系,就會(huì)導(dǎo)致電池的能量密度沒(méi)有增加,甚至有可能是減少的。因?yàn)殡姵氐哪芰棵芏戎饕Q于正負(fù)極材料,固態(tài)電池中間的固態(tài)電解質(zhì)層,比隔膜電解液可能更厚、更重,這就導(dǎo)致能量密度反而會(huì)有所下降。所以我們一定要把正負(fù)極材料也做一定的升級(jí),才能把固態(tài)電池的能量密度提上來(lái)。

但是從電池PACK的角度來(lái)講,單個(gè)固態(tài)電池即使跟液態(tài)電池有著相同的能量密度,在PACK層面的總能量密度還是會(huì)比液態(tài)電池要高。

當(dāng)然,我們還是希望固態(tài)電池的單體電芯能量密度也有所增加,所以會(huì)把正負(fù)極材料做體系的升級(jí)。這不意味著升級(jí)以后的正負(fù)極材料,就只能用于固態(tài)電池,它們也可以應(yīng)用于液態(tài)電池,只不過(guò)需要解決的是正負(fù)極材料更新以后與液態(tài)電解液的兼容性和循環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題。

具體到材料體系,現(xiàn)在普遍應(yīng)用于3C產(chǎn)品的液態(tài)電池用鈷酸鋰正極,石墨或者硅碳負(fù)極。對(duì)于用在電動(dòng)車上的動(dòng)力電池,普遍使用三元、磷酸鐵鋰正極材料,和石墨或者硅碳負(fù)極。

到固態(tài)電池的話,會(huì)往更高能量密度的材料走,比如高鎳三元正極材料,往更高的鎳含量上沖刺,甚至未來(lái)可能用富鋰錳基這樣的正極材料,它的能量密度更高。

負(fù)極會(huì)從硅碳負(fù)極開始,甚至用上鋰金屬負(fù)極??赡懿粫?huì)過(guò)多地考慮石墨負(fù)極,因?yàn)槭哪芰棵芏炔惶珘?。從硅碳?fù)極為基礎(chǔ),逐漸過(guò)渡到鋰金屬負(fù)極,負(fù)極材料的理論值基本就到頭了,因?yàn)殇嚱饘偈悄芰棵芏茸罡叩呢?fù)極材料。當(dāng)然,能量密度高也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題,比如說(shuō)安全性、循環(huán)效率/壽命等等,鋰金屬會(huì)帶來(lái)穿透短路的問(wèn)題,這些都是在固態(tài)電池中要去解決的。

總的來(lái)說(shuō),正負(fù)極材料體系對(duì)于液態(tài)、固態(tài)沒(méi)有天然壁壘,不會(huì)是只能用在液態(tài)或是只能用在固態(tài),而是兩者可以通用。但它們要解決的問(wèn)題是不一樣的,無(wú)論用哪種正負(fù)極材料,都首先要考慮這些材料與固態(tài)電解質(zhì)或液態(tài)電解液的界面穩(wěn)定性問(wèn)題,是否有界面反應(yīng)等等。

經(jīng)緯:從循環(huán)壽命來(lái)看,固態(tài)電池和液態(tài)電池有哪些優(yōu)劣勢(shì)?

吳凡:對(duì)于這一點(diǎn)我們有比較深的感觸。液態(tài)電池中隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng),負(fù)極界面會(huì)形成SEI且不斷重復(fù)破裂,導(dǎo)致電解液不斷消耗,導(dǎo)致最終效率降低、容量跳水等。在正極側(cè)也會(huì)有分解反應(yīng),放出氣體脹氣等等,到一定循環(huán)圈數(shù)以后,電解液會(huì)干涸,沒(méi)有辦法再完全浸潤(rùn)所有孔隙,最終在某一個(gè)階段突然容量大跳水,這是在液態(tài)電池中非常普遍的現(xiàn)象,所以液態(tài)電池的循環(huán)壽命是有限的。

但是全固態(tài)電池如果組裝得當(dāng),界面接觸比較良好的話,實(shí)際上循環(huán)壽命非常非常長(zhǎng)。我們甚至在實(shí)驗(yàn)室里能做到5萬(wàn)圈以上的循環(huán)壽命,相比于液態(tài)電池是10倍、20倍循環(huán)壽命的拓寬,這是固態(tài)電池給我們帶來(lái)的非常好的希望。

經(jīng)緯:那如果從乘用車的使用體驗(yàn)來(lái)說(shuō),您覺(jué)得固態(tài)電池可能會(huì)帶來(lái)怎樣的變化?

吳凡:對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō),首先就沒(méi)有了安全焦慮。全固態(tài)電池在安全性上,可以根本解決這個(gè)問(wèn)題,因?yàn)榘延袡C(jī)電解液去掉了。有機(jī)電解液是起火爆炸的罪魁禍?zhǔn)?,首先它的燃點(diǎn)非常低,其次在電池循環(huán)過(guò)程中,比較容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),或者產(chǎn)生漏氣,它的化學(xué)反應(yīng)是放熱的,如果短時(shí)間內(nèi)升溫到60度以上,就會(huì)加劇熱反應(yīng)、熱失效,到100度就開始起火,再高溫度就爆炸了。

當(dāng)換成固體材料后,它是一個(gè)晶體的無(wú)機(jī)陶瓷材料,本身不可流動(dòng),也沒(méi)有滲漏,熱穩(wěn)定比較好,沒(méi)有起火燃燒爆炸的隱患,安全性大幅度提升。

另一方面,把電解液換成固態(tài)電解質(zhì)以后,更有可能實(shí)現(xiàn)鋰金屬這樣的負(fù)極材料,能大幅提升能量密度。因?yàn)殇嚱饘偬貏e容易長(zhǎng)鋰枝晶,造成穿透。在電解液的情況下,如果形成鋰枝晶,就容易造成短路,短路會(huì)導(dǎo)致大電流起火放熱,也會(huì)燃燒爆炸。而固態(tài)電解質(zhì)作為中間層,可以有希望抑制鋰枝晶穿透,所以鋰金屬就更有可能成為全固態(tài)電池的負(fù)極材料。

如果用鋰金屬作為負(fù)極,電池的能量密度將大幅上升。再加上在PACK層級(jí),用固態(tài)電池可以簡(jiǎn)化大量的非必要器件,比如冷卻系統(tǒng)、外接電路系統(tǒng)等等,能進(jìn)一步提高體積利用率。從而實(shí)現(xiàn)充一次電跑1000公里,解決用戶的里程焦慮問(wèn)題,這些對(duì)消費(fèi)者都會(huì)有很大影響。

還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低溫環(huán)境下的表現(xiàn)。目前液態(tài)電池在低溫下的性能不夠好,因?yàn)橐簯B(tài)電解液會(huì)有凝固的問(wèn)題,一旦凝固就徹底失效了。固態(tài)電池在低溫下性能也有所衰減,但因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)不會(huì)有低溫凝固的問(wèn)題,整體影響要小很多。

經(jīng)緯:剛剛聊到了很多固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì),但它會(huì)不會(huì)有劣勢(shì)?比如硫化物體系下產(chǎn)生硫化氫的問(wèn)題?

吳凡:劣勢(shì)肯定是有的。首先最核心的劣勢(shì)就是價(jià)格,現(xiàn)在的固態(tài)電池,都還在實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的孵化階段,或者是從中試到產(chǎn)業(yè)化的階段,離大規(guī)模量產(chǎn)還很早。

現(xiàn)在全球范圍內(nèi),唯一接近產(chǎn)業(yè)化的是固液混合電池。但它還是比液態(tài)電池價(jià)格高,因?yàn)槟壳耙簯B(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟。

硫化氫的問(wèn)題倒不算太大,因?yàn)樗饕窃谏a(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)。我們?cè)谏a(chǎn)電芯的過(guò)程中,首先需要生產(chǎn)硫化物材料,這個(gè)過(guò)程中就會(huì)有產(chǎn)生硫化氫的問(wèn)題,這是工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需要控制的,確保硫化物材料不接觸空氣,需要定制化加工設(shè)備、重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)線。一旦生產(chǎn)封裝完畢以后,對(duì)電芯本身會(huì)有非常嚴(yán)密的外殼保護(hù)。在正常情況下,即使交通事故很大,也不會(huì)對(duì)電芯有很強(qiáng)的破壞,在PACK層級(jí)做一個(gè)完整的保護(hù)裝置就可以。

此外,全固態(tài)電池中正極極片在高能量密度的固態(tài)電池中,會(huì)達(dá)到100微米以上,硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料的膜,基本會(huì)達(dá)到20微米這個(gè)級(jí)別,所以是5比1的體積比。再加上還有負(fù)極,所以整個(gè)電芯體積比中,硫化物可能只有十分之一的體積,它占的量是很少的。所以一旦封裝完成,硫化氫就較難產(chǎn)生,主要是在生產(chǎn)過(guò)程中有可能碰到這個(gè)問(wèn)題。

經(jīng)緯:對(duì)于固液混合來(lái)說(shuō),您覺(jué)得它會(huì)是一個(gè)過(guò)渡性的狀態(tài),還是有可能形成一種終極的技術(shù)路線,只不過(guò)不同類型適合不同場(chǎng)景?

吳凡:實(shí)際上最后所有產(chǎn)品都是看性價(jià)比,固液混合也有可能形成一種技術(shù)路徑。固液混合現(xiàn)在量變的比較成功,比如把原來(lái)15%以上的電解液含量降低到8%,那其實(shí)就降低一半了。

再配合著電芯結(jié)構(gòu)的改造等一系列措施,比如比亞迪的刀片電芯,就有可能讓電池的安全性特別好,無(wú)論穿刺、擠壓、過(guò)沖、過(guò)放、高溫等都不會(huì)起火、燃燒、爆炸,這樣子對(duì)用戶來(lái)說(shuō),就不需要關(guān)注這個(gè)東西到底是全固態(tài)還是半固態(tài),只要它不會(huì)起火燃燒,就是一個(gè)好產(chǎn)品。

固液混合在價(jià)格上和生產(chǎn)工藝上,與液態(tài)電池相比也更有可比性,所以它的確有可能真的比日本的全固態(tài)電池更有市場(chǎng)。像日韓的硫化物全固態(tài),各方面都需要重新配置。

而從應(yīng)用領(lǐng)域的角度來(lái)看,最大的三塊市場(chǎng)就是3C消費(fèi)電子、動(dòng)力電池、儲(chǔ)能,除了這三塊其實(shí)還有一些市場(chǎng),比如軍用、航空航天、特種裝備等等,這些場(chǎng)景下對(duì)安全性有非常高的要求。比如航空航天在零重力的情況下,或者在從地表到高空的極端加速過(guò)程中,需要的就是沒(méi)有液態(tài)電解液的全固態(tài)電池。所以當(dāng)細(xì)分領(lǐng)域的需求不一樣,不同技術(shù)路徑就也都是有生存空間的。

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請(qǐng)聯(lián)系原著作權(quán)人。

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固態(tài)電池發(fā)展到哪一步了?我們與中科院科學(xué)家吳凡聊了聊

固態(tài)電池的難點(diǎn)與可能性、如何選擇固態(tài)電池技術(shù)路線、半固態(tài)是否會(huì)是折中路線、固態(tài)電池的安全性如何……

文|經(jīng)緯創(chuàng)投

經(jīng)緯科創(chuàng)匯動(dòng)力電池專場(chǎng)又與大家見面了,我們和DeepTech戰(zhàn)略合作,邀請(qǐng)到了學(xué)界與業(yè)界的資深專家,以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來(lái)進(jìn)行交流。

本篇是我們動(dòng)力電池系列的第4篇文章,訪談對(duì)象是吳凡,他是中科院物理研究所博士生導(dǎo)師、中科院物理研究所長(zhǎng)三角研究中心科學(xué)家工作室主任、天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院首席科學(xué)家。

吳教授2007-2011年在浙江大學(xué)攻讀材料學(xué)學(xué)士,2011-2014年在美國(guó)北卡州立大學(xué)攻讀材料學(xué)博士,2014-2016年在普林斯頓大學(xué)攻讀博士后,2016-2018年在哈佛大學(xué)做研究員的科研工作。隨后毅然回國(guó),29歲成為中科院物理所最年輕的博士生導(dǎo)師之一,他自2019年1月起任中科院物理所博導(dǎo),長(zhǎng)三角物理研究中心科學(xué)家工作室主任,天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院首席科學(xué)家,入選國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、中科院海外杰出人才引進(jìn)計(jì)劃及擇優(yōu)支持、江蘇省杰出青年基金。吳教授在固態(tài)電池研究領(lǐng)域有很深的造詣,其中包括硫化物全固態(tài)/固態(tài)鋰(離子)電池材料、電芯研發(fā);正負(fù)極材料與固態(tài)電解質(zhì)界面處理;先進(jìn)材料表征與分析;高能量密度鋰(離子)電池材料、電芯研發(fā)等等。

我們與吳教授主要探討了固態(tài)電池,其中包括固態(tài)電池的難點(diǎn)與可能性、如何選擇固態(tài)電池技術(shù)路線、半固態(tài)是否會(huì)是折中路線、固態(tài)電池的安全性如何……如果你想更系統(tǒng)地了解動(dòng)力電池,請(qǐng)參考我們本期科創(chuàng)匯的其他文章(《動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻,誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新?》),未來(lái)我們還會(huì)分享一系列分析研究。以下,Enjoy:

經(jīng)緯:大家對(duì)固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間預(yù)測(cè),一直在往后延期,在您看來(lái),當(dāng)下全球范圍內(nèi),像日本、歐洲、美國(guó)、中國(guó),在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)方向是怎樣的?大家正在嘗試解決什么問(wèn)題?

吳凡:固態(tài)電池的研發(fā),主要集中在中日韓美歐五個(gè)國(guó)家和地區(qū)。中國(guó)四大頭部固態(tài)電池公司(北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶、寧波鋒鋰、臺(tái)灣輝能),都是以氧化物材料為基礎(chǔ)的固液混合技術(shù)路線為主。

日本舉全國(guó)之力搭建硫化物材料技術(shù)體系。在Alca Spring, Rising2, Solid EV等國(guó)家項(xiàng)目中,日本聯(lián)合了38家研發(fā)機(jī)構(gòu),包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司,松下日立造船等電池公司,三井金屬等化學(xué)制品公司、研究所、大學(xué)一起做全固態(tài)電池研發(fā)。直到今天,豐田依然是全球范圍內(nèi),擁有硫化物全固態(tài)電池專利數(shù)量最多的公司,他們?cè)谶@方面的積累比較深厚,已經(jīng)有20多年的研發(fā)歷史。豐田最早宣稱在2018年實(shí)現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池量產(chǎn),目前宣稱推遲到2025年。

2021年10月,日本三井金屬宣布建成年產(chǎn)十噸級(jí)的硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)線,這是世界上第一條硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料的噸級(jí)生產(chǎn)線,從中可以看出日本不僅是布局,而且也有了實(shí)質(zhì)性推動(dòng)。豐田主推硫化物全固態(tài)電池在電動(dòng)車上的應(yīng)用,三井金屬提供配套的噸級(jí)硫化物材料。

韓國(guó)也是舉全國(guó)之力在推進(jìn)硫化物全固態(tài)電池開發(fā)。代表性企業(yè)有LG化學(xué)、三星、浦項(xiàng)等。三星在2022年3月宣布開始建設(shè)世界第一條全固態(tài)電池生產(chǎn)線,浦項(xiàng)配套建設(shè)年產(chǎn)能24噸級(jí)的硫化物材料生產(chǎn)線。

歐洲是最早推進(jìn)聚合物固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的地區(qū)。當(dāng)時(shí)法國(guó)的Bollole公司首次提出把聚合物固態(tài)電池用在電動(dòng)巴士(Bluebus)、電動(dòng)出租車(Bluecar)等公共交通領(lǐng)域,但是聚合物電池的缺點(diǎn)是需要在60度的高溫環(huán)境下才可以正常充放電,并且聚合物本身也有化學(xué)穩(wěn)定性差的問(wèn)題,無(wú)法適用于高電壓的正極材料,像鈷酸鋰、高鎳三元等等,熱安全性也不強(qiáng)。所以最終聚合物固態(tài)電池也沒(méi)有形成趨勢(shì)。

最近歐洲轉(zhuǎn)為以投資為主。歐洲著名的整車廠投資國(guó)外的電池企業(yè),像大眾、寶馬、奔馳都有投資相應(yīng)的美國(guó)初創(chuàng)公司,以爭(zhēng)取在下一代全固態(tài)電池上的話語(yǔ)權(quán)。

在美國(guó),固態(tài)電池主要是以初創(chuàng)公司為主。美國(guó)的體系比較復(fù)雜,不像日韓完全聚焦于硫化物,中國(guó)聚焦于氧化物固液混合。美國(guó)的公司以創(chuàng)新為主,風(fēng)格以快速融資、快速上市為主要目的,所以他們提出的概念更加吸引眼球,比如鋰金屬、硫化物等等這些風(fēng)潮,或是熱門詞匯,都會(huì)作為核心賣點(diǎn)進(jìn)行宣傳。

美國(guó)主流的幾家創(chuàng)業(yè)公司,如Ionic Materials以聚合物固態(tài)體系為主,Solid Power展示了硫化物體系的全固態(tài)電池小規(guī)模生產(chǎn)線的照片和電芯數(shù)據(jù)。Quantum Scape是以氧化物和鋰金屬為主要的技術(shù)路線。還有Solid Energy,是以鋰金屬加上電解液的電池作為主要賣點(diǎn)。

隨著電動(dòng)車的滲透率越來(lái)越高,安全性變成一個(gè)核心要素,無(wú)論是在產(chǎn)業(yè)界還是在學(xué)術(shù)界,固態(tài)電池是一個(gè)解決安全性和提升能量密度的重要方向和技術(shù)。

經(jīng)緯:對(duì)于硫化物、氧化物、聚合物三種固態(tài)電池的主要技術(shù)路線,它們的導(dǎo)電性、能量密度等等核心指標(biāo)也都各有優(yōu)劣,您覺(jué)得應(yīng)該如何全盤考慮優(yōu)劣勢(shì)?

吳凡:主流的固態(tài)電解質(zhì)材料,就是聚合物、氧化物和硫化物三種材料體系,這三種材料體系都是從1980年代就開始了研究,到現(xiàn)在接近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。所以各條技術(shù)路線上的代表性材料,其實(shí)都已經(jīng)篩選出來(lái)了。

聚合物的特點(diǎn)是易加工,與現(xiàn)有的液態(tài)電解液的生產(chǎn)設(shè)備、工藝都比較兼容,它的機(jī)械性能好,比較柔軟。

但聚合物的缺點(diǎn)也挺多的。第一,它的室溫離子電導(dǎo)率是三個(gè)材料體系中最低的,這直接導(dǎo)致它要想應(yīng)用比較難,需要加熱到60度以上的高溫,才能有比較好的離子電導(dǎo)率。

第二,聚合物的高電壓、穩(wěn)定性比較差,導(dǎo)致它沒(méi)有辦法適配于高電壓的正極材料,所以限定了它的能量密度。但固態(tài)電池的核心優(yōu)勢(shì),除了安全性之外就是能量密度,如果正極材料有限制的話,它的能量密度就沒(méi)有辦法提高,所以聚合物在這方面有缺陷。

第三,聚合物本身的安全性,也沒(méi)有硫化物與氧化物的熱穩(wěn)定性好,因?yàn)榫酆衔镌诟邷叵乱矔?huì)發(fā)生起火燃燒的現(xiàn)象,而我們對(duì)于固態(tài)電池就是希望它能徹底解決安全的問(wèn)題,因?yàn)橐簯B(tài)電池的電解液在60度就有放熱反應(yīng),再高溫到100度就有燃燒風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致安全事故。聚合物也類似,熱穩(wěn)定性普遍在200度以下,但氧化物與硫化物的熱穩(wěn)定性可較輕松達(dá)到400-600度以上。所以聚合物雖然是三條技術(shù)路線中最早開始推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用的,但到現(xiàn)在也沒(méi)有大面積鋪開,就是安全性原因?qū)е碌摹?/p>

氧化物體系的離子電導(dǎo)率比聚合物更高,氧化物的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定最好,熱穩(wěn)定性高達(dá)1000度,同時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性也都非常好。

氧化物也有一些缺點(diǎn)。第一,相對(duì)于硫化物,氧化物的室溫離子電導(dǎo)率還是偏低的,這使得在性能中會(huì)遇到容量、倍率性能受限等等一系列問(wèn)題。

第二,氧化物非常堅(jiān)硬,這個(gè)問(wèn)題更嚴(yán)重。氧化物的顆粒是以點(diǎn)接觸的形式存在,如果我們?cè)诤?jiǎn)單的室溫冷壓情況下,用氧化物做成的全固態(tài)電池是一個(gè)孔隙率非常高的電池。在液態(tài)電池中,所有的孔隙都有電解液浸潤(rùn),所以界面接觸沒(méi)有任何問(wèn)題,但在固態(tài)電池中,這些孔隙就無(wú)法導(dǎo)鋰。

用氧化物做的全固態(tài)電池,需要用1000度以上的高溫?zé)Y(jié)后才能熱壓致密化,把孔隙率降低。所以氧化物體系本身離子電導(dǎo)率低,再加上它孔隙率高,機(jī)械性能比較堅(jiān)硬造成點(diǎn)接觸的問(wèn)題,這些核心問(wèn)題都導(dǎo)致它不大可能是全固態(tài)電池。目前國(guó)內(nèi)都在研發(fā)的,就是固液混合方向,既有氧化物的固態(tài)電解質(zhì)層,又有電解液浸潤(rùn),這樣能夠填充孔隙,讓它有完好的導(dǎo)鋰通道。

最后一個(gè)是硫化物體系。硫化物是室溫離子電導(dǎo)率最高的,也是人類目前發(fā)現(xiàn)的所有固體材料中,鋰離子電導(dǎo)率唯一能超過(guò)液態(tài)電解液導(dǎo)鋰水平的固體材料,所以很多人覺(jué)得用它做全固態(tài)電池是最有價(jià)值的。

另外硫化物的機(jī)械性能比較柔軟,它在室溫冷壓的情況下,就可以高度致密化,孔隙率較低,這樣在大規(guī)模制備全固態(tài)電池的過(guò)程中,就不需要100度的高溫?zé)Y(jié),只需要正常的冷壓致密化就可以。從這些角度看,硫化物從科學(xué)原理上來(lái)說(shuō),的確是最有可能實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的材料體系。

不過(guò)硫化物也有缺點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)離子電導(dǎo)率高了以后,會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)穩(wěn)定性比較差,反應(yīng)活性高。而反應(yīng)活性高了之后,就會(huì)跟幾乎所有介質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),包括空氣。如果遇到空氣中的水分,就會(huì)反應(yīng)生成硫化氫,這是致命的有毒氣體。

此外硫化物跟電池中使用的有機(jī)溶劑都不兼容,會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng)導(dǎo)致硫化物失效。這些困難導(dǎo)致硫化物的發(fā)展沒(méi)有那么快,需要很好的隔絕空氣,以及不與極性溶劑接觸等等,這些都增加了制備硫化物全固態(tài)電池的難度。

經(jīng)緯:之前正好提到“固固接觸”的問(wèn)題,比如在氧化物材料體系上,當(dāng)下還是利用了固液混合來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如果仍然是全固態(tài)的話,要想解決固固接觸問(wèn)題可能會(huì)怎么做?比如把電極材料的粒徑做???當(dāng)然目前肯定還沒(méi)有很好的解決方案,但是有哪些可能的研究方向?

吳凡:首先聚合物與硫化物本身的機(jī)械性能比氧化物好,沒(méi)有那么堅(jiān)硬,所以它們跟正負(fù)極極片之間,或者在極片內(nèi)部的界面接觸問(wèn)題,相對(duì)要好一些。

在電池的實(shí)際組裝過(guò)程中,像您剛才提到的粒徑匹配是一個(gè)非常重要的因素,用大顆粒,還是用大小顆粒按特殊分布方式去排列,很明顯最終的孔隙率是不一樣的,這就是通過(guò)材料本身的機(jī)械性能和粒徑尺寸分布,來(lái)從物理層面提升界面的接觸性能。

而接觸性能會(huì)直接影響極片的壓實(shí)密度,壓實(shí)密度又直接決定了整個(gè)電池的能量密度,這些都是息息相關(guān)的。

經(jīng)緯:您覺(jué)得在固態(tài)電池里,正負(fù)極材料跟現(xiàn)在的磷酸鐵鋰、三元體系,會(huì)有不一樣嗎?會(huì)用新材料或新元素嗎?

吳凡:正負(fù)極的話,如果我們保持跟現(xiàn)在液態(tài)電池一樣的材料體系,就會(huì)導(dǎo)致電池的能量密度沒(méi)有增加,甚至有可能是減少的。因?yàn)殡姵氐哪芰棵芏戎饕Q于正負(fù)極材料,固態(tài)電池中間的固態(tài)電解質(zhì)層,比隔膜電解液可能更厚、更重,這就導(dǎo)致能量密度反而會(huì)有所下降。所以我們一定要把正負(fù)極材料也做一定的升級(jí),才能把固態(tài)電池的能量密度提上來(lái)。

但是從電池PACK的角度來(lái)講,單個(gè)固態(tài)電池即使跟液態(tài)電池有著相同的能量密度,在PACK層面的總能量密度還是會(huì)比液態(tài)電池要高。

當(dāng)然,我們還是希望固態(tài)電池的單體電芯能量密度也有所增加,所以會(huì)把正負(fù)極材料做體系的升級(jí)。這不意味著升級(jí)以后的正負(fù)極材料,就只能用于固態(tài)電池,它們也可以應(yīng)用于液態(tài)電池,只不過(guò)需要解決的是正負(fù)極材料更新以后與液態(tài)電解液的兼容性和循環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題。

具體到材料體系,現(xiàn)在普遍應(yīng)用于3C產(chǎn)品的液態(tài)電池用鈷酸鋰正極,石墨或者硅碳負(fù)極。對(duì)于用在電動(dòng)車上的動(dòng)力電池,普遍使用三元、磷酸鐵鋰正極材料,和石墨或者硅碳負(fù)極。

到固態(tài)電池的話,會(huì)往更高能量密度的材料走,比如高鎳三元正極材料,往更高的鎳含量上沖刺,甚至未來(lái)可能用富鋰錳基這樣的正極材料,它的能量密度更高。

負(fù)極會(huì)從硅碳負(fù)極開始,甚至用上鋰金屬負(fù)極??赡懿粫?huì)過(guò)多地考慮石墨負(fù)極,因?yàn)槭哪芰棵芏炔惶珘?。從硅碳?fù)極為基礎(chǔ),逐漸過(guò)渡到鋰金屬負(fù)極,負(fù)極材料的理論值基本就到頭了,因?yàn)殇嚱饘偈悄芰棵芏茸罡叩呢?fù)極材料。當(dāng)然,能量密度高也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題,比如說(shuō)安全性、循環(huán)效率/壽命等等,鋰金屬會(huì)帶來(lái)穿透短路的問(wèn)題,這些都是在固態(tài)電池中要去解決的。

總的來(lái)說(shuō),正負(fù)極材料體系對(duì)于液態(tài)、固態(tài)沒(méi)有天然壁壘,不會(huì)是只能用在液態(tài)或是只能用在固態(tài),而是兩者可以通用。但它們要解決的問(wèn)題是不一樣的,無(wú)論用哪種正負(fù)極材料,都首先要考慮這些材料與固態(tài)電解質(zhì)或液態(tài)電解液的界面穩(wěn)定性問(wèn)題,是否有界面反應(yīng)等等。

經(jīng)緯:從循環(huán)壽命來(lái)看,固態(tài)電池和液態(tài)電池有哪些優(yōu)劣勢(shì)?

吳凡:對(duì)于這一點(diǎn)我們有比較深的感觸。液態(tài)電池中隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng),負(fù)極界面會(huì)形成SEI且不斷重復(fù)破裂,導(dǎo)致電解液不斷消耗,導(dǎo)致最終效率降低、容量跳水等。在正極側(cè)也會(huì)有分解反應(yīng),放出氣體脹氣等等,到一定循環(huán)圈數(shù)以后,電解液會(huì)干涸,沒(méi)有辦法再完全浸潤(rùn)所有孔隙,最終在某一個(gè)階段突然容量大跳水,這是在液態(tài)電池中非常普遍的現(xiàn)象,所以液態(tài)電池的循環(huán)壽命是有限的。

但是全固態(tài)電池如果組裝得當(dāng),界面接觸比較良好的話,實(shí)際上循環(huán)壽命非常非常長(zhǎng)。我們甚至在實(shí)驗(yàn)室里能做到5萬(wàn)圈以上的循環(huán)壽命,相比于液態(tài)電池是10倍、20倍循環(huán)壽命的拓寬,這是固態(tài)電池給我們帶來(lái)的非常好的希望。

經(jīng)緯:那如果從乘用車的使用體驗(yàn)來(lái)說(shuō),您覺(jué)得固態(tài)電池可能會(huì)帶來(lái)怎樣的變化?

吳凡:對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō),首先就沒(méi)有了安全焦慮。全固態(tài)電池在安全性上,可以根本解決這個(gè)問(wèn)題,因?yàn)榘延袡C(jī)電解液去掉了。有機(jī)電解液是起火爆炸的罪魁禍?zhǔn)祝紫人娜键c(diǎn)非常低,其次在電池循環(huán)過(guò)程中,比較容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),或者產(chǎn)生漏氣,它的化學(xué)反應(yīng)是放熱的,如果短時(shí)間內(nèi)升溫到60度以上,就會(huì)加劇熱反應(yīng)、熱失效,到100度就開始起火,再高溫度就爆炸了。

當(dāng)換成固體材料后,它是一個(gè)晶體的無(wú)機(jī)陶瓷材料,本身不可流動(dòng),也沒(méi)有滲漏,熱穩(wěn)定比較好,沒(méi)有起火燃燒爆炸的隱患,安全性大幅度提升。

另一方面,把電解液換成固態(tài)電解質(zhì)以后,更有可能實(shí)現(xiàn)鋰金屬這樣的負(fù)極材料,能大幅提升能量密度。因?yàn)殇嚱饘偬貏e容易長(zhǎng)鋰枝晶,造成穿透。在電解液的情況下,如果形成鋰枝晶,就容易造成短路,短路會(huì)導(dǎo)致大電流起火放熱,也會(huì)燃燒爆炸。而固態(tài)電解質(zhì)作為中間層,可以有希望抑制鋰枝晶穿透,所以鋰金屬就更有可能成為全固態(tài)電池的負(fù)極材料。

如果用鋰金屬作為負(fù)極,電池的能量密度將大幅上升。再加上在PACK層級(jí),用固態(tài)電池可以簡(jiǎn)化大量的非必要器件,比如冷卻系統(tǒng)、外接電路系統(tǒng)等等,能進(jìn)一步提高體積利用率。從而實(shí)現(xiàn)充一次電跑1000公里,解決用戶的里程焦慮問(wèn)題,這些對(duì)消費(fèi)者都會(huì)有很大影響。

還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低溫環(huán)境下的表現(xiàn)。目前液態(tài)電池在低溫下的性能不夠好,因?yàn)橐簯B(tài)電解液會(huì)有凝固的問(wèn)題,一旦凝固就徹底失效了。固態(tài)電池在低溫下性能也有所衰減,但因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)不會(huì)有低溫凝固的問(wèn)題,整體影響要小很多。

經(jīng)緯:剛剛聊到了很多固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì),但它會(huì)不會(huì)有劣勢(shì)?比如硫化物體系下產(chǎn)生硫化氫的問(wèn)題?

吳凡:劣勢(shì)肯定是有的。首先最核心的劣勢(shì)就是價(jià)格,現(xiàn)在的固態(tài)電池,都還在實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的孵化階段,或者是從中試到產(chǎn)業(yè)化的階段,離大規(guī)模量產(chǎn)還很早。

現(xiàn)在全球范圍內(nèi),唯一接近產(chǎn)業(yè)化的是固液混合電池。但它還是比液態(tài)電池價(jià)格高,因?yàn)槟壳耙簯B(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟。

硫化氫的問(wèn)題倒不算太大,因?yàn)樗饕窃谏a(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)。我們?cè)谏a(chǎn)電芯的過(guò)程中,首先需要生產(chǎn)硫化物材料,這個(gè)過(guò)程中就會(huì)有產(chǎn)生硫化氫的問(wèn)題,這是工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需要控制的,確保硫化物材料不接觸空氣,需要定制化加工設(shè)備、重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)線。一旦生產(chǎn)封裝完畢以后,對(duì)電芯本身會(huì)有非常嚴(yán)密的外殼保護(hù)。在正常情況下,即使交通事故很大,也不會(huì)對(duì)電芯有很強(qiáng)的破壞,在PACK層級(jí)做一個(gè)完整的保護(hù)裝置就可以。

此外,全固態(tài)電池中正極極片在高能量密度的固態(tài)電池中,會(huì)達(dá)到100微米以上,硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料的膜,基本會(huì)達(dá)到20微米這個(gè)級(jí)別,所以是5比1的體積比。再加上還有負(fù)極,所以整個(gè)電芯體積比中,硫化物可能只有十分之一的體積,它占的量是很少的。所以一旦封裝完成,硫化氫就較難產(chǎn)生,主要是在生產(chǎn)過(guò)程中有可能碰到這個(gè)問(wèn)題。

經(jīng)緯:對(duì)于固液混合來(lái)說(shuō),您覺(jué)得它會(huì)是一個(gè)過(guò)渡性的狀態(tài),還是有可能形成一種終極的技術(shù)路線,只不過(guò)不同類型適合不同場(chǎng)景?

吳凡:實(shí)際上最后所有產(chǎn)品都是看性價(jià)比,固液混合也有可能形成一種技術(shù)路徑。固液混合現(xiàn)在量變的比較成功,比如把原來(lái)15%以上的電解液含量降低到8%,那其實(shí)就降低一半了。

再配合著電芯結(jié)構(gòu)的改造等一系列措施,比如比亞迪的刀片電芯,就有可能讓電池的安全性特別好,無(wú)論穿刺、擠壓、過(guò)沖、過(guò)放、高溫等都不會(huì)起火、燃燒、爆炸,這樣子對(duì)用戶來(lái)說(shuō),就不需要關(guān)注這個(gè)東西到底是全固態(tài)還是半固態(tài),只要它不會(huì)起火燃燒,就是一個(gè)好產(chǎn)品。

固液混合在價(jià)格上和生產(chǎn)工藝上,與液態(tài)電池相比也更有可比性,所以它的確有可能真的比日本的全固態(tài)電池更有市場(chǎng)。像日韓的硫化物全固態(tài),各方面都需要重新配置。

而從應(yīng)用領(lǐng)域的角度來(lái)看,最大的三塊市場(chǎng)就是3C消費(fèi)電子、動(dòng)力電池、儲(chǔ)能,除了這三塊其實(shí)還有一些市場(chǎng),比如軍用、航空航天、特種裝備等等,這些場(chǎng)景下對(duì)安全性有非常高的要求。比如航空航天在零重力的情況下,或者在從地表到高空的極端加速過(guò)程中,需要的就是沒(méi)有液態(tài)電解液的全固態(tài)電池。所以當(dāng)細(xì)分領(lǐng)域的需求不一樣,不同技術(shù)路徑就也都是有生存空間的。

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