3月1日,四部委印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,对电池性能、产能、安全性、材料和装备提出明确要求。面对1000亿瓦时的跨越式发展图景,产业界当如何面对"层出不穷"的新技术?本刊日前采访了中国科学院院士、清华大学材料科学与工程研究院院长南策文,他认为,全固态锂电池会极大提高安全性和性能,但在实现产业化之前,尚需不断提升现有技术。未来,随着新型材料的不断发现,锂电池技术和产业发展空间无限。
解决安全问题的"金钥匙"
《能源评论》:2017年,随着电动汽车规模的迅速扩大,安全问题得到了空前的重视。您认为,与传统锂电池相比,全固态锂电池优势在哪里?
南策文:简单来讲,传统锂离子电池是正、负极被隔膜分开,并灌入有机电解液的结构。电解液易渗出,特别遇到正负极短路或者过充等,将导致温度快速升高,电解液蒸发分解,产生大量气体,从而使电池出现安全问题,甚至导致电池燃烧爆炸。
全固态锂电池是用全固态电解质发挥二合一的功效,取代传统电池里的隔膜和电解液,从而解决安全问题。同时,采用全固态电解质后,可以使用金属锂作为负极,从而提升能量密度。
安全问题是产业发展的关键和基础,也关系电池行业生存的根本;能量密度是业界研发的一个核心,关系行业发展的前景。从解决安全问题、用现有的材料来提高能量密度角度来看,全固态锂电池可预期满足产业发展的需求,值得大力发展。
《能源评论》:基于现有技术,能否较好地解决安全问题?
南策文:现有多种技术手段用来提高锂离子电池的安全性,例如电池管理系统(BMS)。但BMS是"治标"手段,"治本"还需从电池材料本身着手。其中,采用陶瓷隔膜是提高锂离子电池安全性的一个很好的方向。就是在隔膜的基材上,涂上一层纳米陶瓷(Al2O3)颗粒涂层,增加了隔膜机械强度和耐热收缩性,减少正负极直接短路的可能性,从而提高安全性。新一代陶瓷隔膜产品是一种纳米陶瓷纤维涂覆隔膜(江苏清陶能源生产),具有更好的耐热等性能,对提高锂离子电池安全性更有效。第二代产品是活性陶瓷纤维涂覆隔膜,使用陶瓷电解质纤维,除了可以改善安全性以外,还会提升锂离子传导速率,从而提高电池倍率性能。总的思路是,先通过陶瓷隔膜,改善现有锂离子电池的安全性,逐步发展到把隔膜、电解液用全固态电解质替代,以期完全解决安全问题。
《能源评论》:这样看来,全固态电解质堪称解决电池安全的"金钥匙",基于当下的产业布局、研发情况,您认为,业界应该选择什么样的发展策略?
南策文:目前法国Bolloré、美国Sakti3和日本丰田分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术研发方向。实际上,几种方式结合起来也是一种思路,比如把无机材料跟有机材料结合起来,总体原则是要在多个方案中间进行尝试。未来更可能的发展策略是慢慢过渡,逐渐减少电解液用量,例如,从20%~30%减少到5%~10%,甚至0,从半固态逐渐发展到全固态。
虽然目前全固态电池体型"远水解不了近渴",尚无法实现产业化,但在此之前,业界一直在不断改进现有技术,逐步提高现有电池的安全性、能量密度等问题,比如完善现有材料配比、改善电解液性能、电池管理系统(BMS)等等。
科研与产业化:从1%到100%
《能源评论》:对于全固态锂离子电池的产业化日程,您有何预期?
南策文:对于产业化,国内的提法一般是到2020~2025年实现,也有专家提出来要争取在五年之内产业化。这个目标需要大家共同努力,才有可能实现。当然,也取决于产业化标准,在多大程度、多大规模上实现。比如,据报道德国宝马公司的目标是到2028年,日本丰田公司并未宣布商业化日程,但是较早就在全固态电池领域投入力度很大,一直在鼓足劲加油干。
《能源评论》:未来,全固态锂离子电池会应用于哪些领域?
南策文:全固态电池目前主要是应用于一些特殊的行业,比如对安全性有绝对要求的航空航天、医疗等。未来在动力、储能等领域具有很好的前景。
《能源评论》:全固态锂电池作为一项新技术,不可避免会有技术不够成熟、成本偏高等问题。对于认为成本偏高是其产业化最大瓶颈的看法您如何评价?
南策文:全固态锂电池的倍率性能整体偏低等问题,都是科学技术问题,需要慢慢解决。成本问题不是最大的瓶颈。实际上,任何新技术、新产品刚一开始出来,成本都较高,一旦生产技术成熟、产量上去了,成本自然而然就能下来,所以成本是工业界解决的事情,不是学术界能解决的问题。
同时,实验室研究和产业化追求的目标不一样。做研究追求1%的可能性、可行性,可以通过不断试错创新,发现新的材料,只要存在可能性,哪怕1%也可以;产业界追求的是99%甚至100%的可靠性和一致性,一点都不能差,而且各个方面都要考虑周到,所以要把1%变成99%甚至100%,中间还需要一个转化的桥梁和过程,需要慢慢从实验室、中试逐渐完善,然后放大成熟,实现完全可控。
发展没有"天花板"
《能源评论》:化学电池的突破,依赖材料科技的创新。从这个角度,您如何评价全固态锂电池研发的方向?
南策文:和一般人理解不同,锂离子电池和普通电子元器件不一样,实际上是个很复杂的系统。比如正极、负极是多种材料复合在一起的,电解液和隔膜也可是多种的混合物。
全固态电池看似简单,其实也很复杂。比如,液态锂离子电池的正极层中,包含了正极活性物质,导电剂、电解液、粘结剂等多种成分,假如换成全固态电解质,因为正极层中没有电解液渗透,多种成分的配比组合问题会很复杂。做液态锂离子电池就像我们和沙子搅水泥铺地面,加水就可以让石子、沙子与水泥调和,但是在全固态电池没有液态物质参与,如何解决固态跟固态材料的界面问题并保证有效物质的活性,挑战很大。
《能源评论》:您认为,由磷酸铁锂、三元、高镍三元再到全固态电池的技术路线,会是什么样的演进格局?
南策文:单体电池的能量密度要达到300瓦时/千克,在现有技术体系上研发新产品,难度也不小。一旦超过400~500瓦时/千克,则更需要新的突破。从技术上来说,演进路线是按照时间进行的,但不同技术水平的电池并不是你死我活的关系,可能是并存共生的格局。这意味着,并不是出现新一代电池后,其它电池就会完全淘汰,可能是一个逐渐交替的过程,而且也可能并存较长时间。以铅酸电池为例,虽然其能量密度较低,污染也较大,但到目前为止,铅酸电池并未被锂离子电池完全取代,而且发展得也挺好。原因就在于其成本低、安全性还可以,而且较好解决了回收循环利用等问题,所以至今一直还和锂离子电池并存。不同电池有各自不同特点,存在于不同的适合自身的应用领域。《能源评论》:就能量密度而言,作为排在元素周期表第3位的元素,锂金属电池理论上可以达到700瓦时/千克,这会是电池储能的极限吗?
南策文:这当然不是极限。电池的能量密度是需要综合考虑正极和负极材料,如果发现新的正极材料,比容量和电压比三元或者现有材料要高出很多,电池的能量密度还要上涨。锂电池的极限,或者天花板,至少目前从技术上还看不到。如果非要确定相对的极限,作为高出目前锂离子电池能量密度一个多数量级的锂空气电池,也许可以想象为极限(理论能量密度约为3500瓦时/千克),但700瓦时/千克不是极限。