三元鋰電池被固態電池取代的節奏正在變快.

近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所宣布,由其牽頭承擔的納米先導專項"全固態電池"課題已通過驗收,這一技術進步將進一步推動國內全固態鋰電池的規模應用.

此消息一出,立即在電池行業中引起巨大反響.

業內人士告訴第一電動網:"以目前的三元鋰電池的技術路線,動力電池能量密度單體要做到350Wh／kg的目標,在五年內基本不可能實現.而且,即便實現了,安全性也無法得到保障.因此,固態電池商業化能否突破,對汽車電動化的前景影響重大."

作為電動汽車的核心,電池領域的突破無疑將對電池乃至汽車領域的發展產生重大影響,那么,固態電池能否馬上取代三元鋰電池?距離市場化還有多遠?

三元鋰電池的天然缺陷:能量密度和穩定性相互矛盾

"某一家企業單去年一年就有60起電動汽車燃燒爆炸事故."在剛剛舉辦的中日韓鋰電論壇上,北京大學新能源材料與技術實驗室主任其魯教授透漏.

其教授認為,三元鋰電池存在很多缺陷,安全問題十分令人擔憂."無論從化學結構來講,還是從電池結構來講,三元材料都非常容易發熱.如果不能把熱量及時傳導出去,電池就有爆炸的風險.然而現階段,在電池的安全性、可靠性上,還沒有完善的解決辦法."

除安全問題外,就增加電動汽車續航角度而言,三元鋰電池的單體能量密度也已接近極限,難以被突破.電池包供應商正力蔚來常務副總裁周楠告訴第一電動:"現在,無論是行業政策,還是市場需求,新能源汽車對動力電池能量密度的要求都很高.在現有技術路線的體系下,要提高能量密度,只能提高鎳材料或者添加CA,但高鎳的熱穩定性很差.所以,傳統的電池一旦能量密度提高,也意味著穩定性的下降,電池內部熱反應會非常劇烈,安全就成了很大的問題."

正因為這樣的原因,國家"863"計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組專家肖成偉曾公開表示,三元鋰離子動力電池目前已經看到能量密度的"天花板"了,高鎳材料、碳硅負極的鋰電池單體能量密度最高應該在300Wh／kg左右,正負不超過20Wh／kg.

按照國家動力電池技術路線圖的規劃,2020年鋰離子電池的單體能量密度目標為350Wh／kg.從目前來看,這一目標已然不能實現.

而為了保證動力電池的高能量密度和安全性,固態電池研發的進展,給這個行業帶來了光和亮.

國內外企業爭相布局,固態電池成趨勢

固態電池,顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質的電池.由于固態電池電極和電解質都由固態物質制成,其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液,同時也克服了鋰枝晶現象,即使被加熱到非常高的溫度,也不會著火,因而安全性更高.搭載全固態鋰電池的汽車,自燃概率會大大降低.可以說,是下一代新能源汽車動力電池的理想對象.

目前,越來越多的國內外企業和研究機構將重心集中到了全固態鋰電池上,也有不少汽車廠商都透露過基于固態電池打造電動汽車的計劃.比如,大眾曾宣布計劃研發續航1000km固態電池;豐田汽車預計2022年完成固態電池的研發工作,并計劃于2030年實現量產;日本經濟省更是在2017年宣布出資16億日元,聯合豐田、本田、日產、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學、三菱化學等國內頂級產業鏈力量,共同研發固態電池,希望2030年實現800公里續航目標.

國家新能源汽車重點科技專項首席專家歐陽明高院士也曾指出,國內不少科研院所、企業布局固態電池領域,中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業合作,正在推進其產業化,計劃2019年量產固態電池.

作為新能源汽車的"心臟",動力電池無疑會決定新能源汽車的未來.業內人士普遍認為,動力電池未來發展路徑是電解質從液態、半固態、固液混合到固態,最終必將實現全固態的過程.這促使初創公司,大學和特斯拉等知名巨頭對電池技術的新一輪投資和研究.

豐田的時間表相對靠譜,固態電池量產可能要等到2030年

然而,固態電池想要進一步發展,尚需解決多重難題.

周楠告訴第一電動:"固態電解質是固態電池發展的關鍵,固態電池沒有液體的浸潤,同時也不需要隔膜,只用把固態電解質當成隔膜,放在正極極片和負極極片當中,那么金屬物質的材料就變得尤為關鍵."

電解質材料是全固態鋰電池技術的核心,目前固態電解質的研究主要集中在三大類材料:聚合物、氧化物和硫化物.聚合物高溫性能好,已經有商業化的應用案例;氧化物循環性能良好,適用于薄膜柔性結構;硫化物電導率最高,是未來主要方向.

不過,目前還有幾個具體難題需要克服:

一是界面的導電率,固態電池導電率要維持在在適當的水平,不能過高,也不能過低,這樣的材料非常難開發.

二是沒有找到即兼顧高倍率又能快充的復合性材料,現在用的固態電解質材料只能容納其中某一方面特性.

一位不愿具名的業內人士也表達了相同的看法.他認為:"固態電解質具有高的電阻,在功率密度方面還存在一些待解決的問題,需要從固態電解質、正負極材料上著手.電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰,一旦這些問題能夠有效解決,必將在未來掀起一場新的電池革命."

既然困難重重,固態電池在新能源汽車上的全面應用,還有多長的路要走?

歐陽明高曾表示,預計全固態鋰電池會在2025－2030年之間取得突破.今年5月,豐田動力總成部門的總經理ShinzuoAbe透露:"豐田期望在2020年以后能制造出固態電池,但若要實現固態電池的量產,還需要等到2030年以后."