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      中國固態電池研發落后嗎?

      發布時間:2022-07-08 10:56:41   來源:中國汽車報網    瀏覽次數:

      前段時間,國內網絡上有多篇文章提及,中國固態電池技術落后國外,這個說法流傳很廣。固態電池分為多種技術路線,日本、韓國企業和研究機構主要走硫化物路線,歐洲偏重聚合物固態電池,中國主要聚焦氧化物路線,美國則以創業公司為主,同時推進多條路線。

      固態電池的硫化物與氧化物路線是兩個不同的發展方向,路線不同可比性不強。中國主要走氧化物路線,惟有美國的初創公司同時推進多條路線,對其也有所涉及。那么,中國的固態電池研發真的落后嗎?《中國汽車報》記者通過采訪了解到,近年來,中國在固態電池研發上進步顯著,從一些指標來看已處于全球領先水平。

      行業摸索出多種技術路線

      20年前,索尼量產第一款鋰電池后,全球各大企業和機構掀起探索鋰電池發展的浪潮,分別從不同的技術角度進行研發,磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰、三元鋰材料等多種技術路線先后問世。電芯的種類也不統一,方型、圓柱、軟包等多種形式的動力電池紛紛配套裝車。經過多年的實踐,磷酸鐵鋰、三元鋰材料電池成為市場上的主流產品,軟包電池的市場份額有限,方型、圓柱電池被廣泛接受。“固態電池的發展現狀與當年的鋰電池有點相似,各種技術路線的固態電池均有企業和機構涉足,大家都在摸索著前進。”中科院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員說。

      據介紹,固態電池主要有三種,它們分別有不同的特點。聚合物固態電池出現的比較早,這與其容易加工有一定的關系。聚合物固態電池的工藝與現有的鋰電池比較接近,各項性能指標也和目前鋰電池使用的電解液有類似之處。不同的是,聚合物固態電池可以制備大容量電芯,機械特性較軟。

      聚合物固態電池的缺點也非常明顯,離子電導率較低,必須加熱才能上升,聚合物較柔軟,鋰枝晶容易穿透電解質,造成短路;聚合物是有機物,與磷酸鐵鋰兼容性好,跟三元鋰材料兼容性不好,導致能量密度無法提升。

      氧化物固態電池的導電率比聚合物高,但機械性能堅硬,如果用其制作電解質片,較易脆裂,與正極活性材料的固-固接觸也不太好,導致從面接觸變成點接觸,界面損耗過大。

      硫化物固態電池的接觸性好,整體的離子電導率性能非常好,是現今人類所發明的所有固態電池材料中惟一能超過液態電解液離子電導率水平的材料。但硫化物固態電池在空氣中穩定性較差,與空氣、有機溶劑、正負極活性材料反應都很強,這導致其界面穩定性較差。

      三種固態電池都有難以克服的缺點,在此背景下,有些企業從半固態電池出發,尋找商業化解決之路。最近,國軒高科推出了一款半固態電池引起廣泛關注。據悉,其正極材料顆粒表面包覆固態電解質,負極采用硅材料,中間使用了新型高安全功能隔膜,以及高安全的液態電解液,能量密度達到360Wh/kg。

      中南大學冶金學院教授張永柱說:“目前氧化物體系進展最快,硫化物體系緊隨其后,高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段,硫化物和聚合物體系都已取得長足進展。”

      全球竟備賽“戰火”燃起

      “集中力量辦大事”是我國科研攻關的重要法寶之一。如今,日本也學習了中國的做法,在固態電池研發上以舉國之力尋求突破,希望獲取優勢地位。據日本媒體報道,日本經濟產業省和日本新能源產業技術開發機構,組織豐田、本田、日產、松下等23家汽車、電池和材料企業,以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構共同參與相關技術的研發。

      豐田公司于2010年率先推出硫化物固態電池。崔光磊曾去日本考察固態電池研發情況,他告訴記者:“豐田還沒有實用性的固態電池面世或實現產業化。”

      今年4月,日產在線上召開了全固態電池技術說明會,表示將于2024年在日本橫濱建立首家全固態電池試點工廠,首款配裝固態電池的量產車有望2028年正式推向市場。日產的固態電池采用什么體系,這次發布會上并沒有公開說明。

      韓國10大財團的生產總值占該國GDP的70%,LG新能源、三星SDI、SK創新和現代汽車致力于固態電池研發,自然也形成了以舉國之力開展攻關局面。2018年11月,LG新能源、三星SDI和SK創新聯手成立了專門的研發基金,聚焦無機固態電解質電池,打造下一代電池產業生態系統。現代集團還投資了材料技術公司Ionic Materials布局固態電池,并通過南陽研發中心旗下的電池研發團隊進行固態電池研發,目前已達到一定的技術水平,預計2025年可實現固態電池量產。

      2020年3月,三星SDI在《Nature Energy》上發表相關文章稱,利用銀碳復合的無鋰負極材料,硫化物全固態電池可實現60℃下1000多次循環,這是目前公開數據中性能最好的硫化物全固態電池。

      與日、韓不同,美國涌現出很多固態電池初創型科技公司,比較著名的有Cymbet、Quantum Scape、Solid Power、Polyplus、24M、Sakti3等。這與美國的科技創新模式有著密切關系,如今在市場占據一席之地的谷歌、特斯拉、臉書等都是從初創型公司發展而來。

      張永柱告訴記者,歐洲也加快了研發固態電池的腳步。2021年5月,寶馬集團和福特汽車宣布聯合向固態電池初創企業Solid Power投資1.39億美元;2021年12月,戴姆勒和Stellantis表示將對固態電池制造商Factorial Energy進行戰略投資,并與其展開業務合作。

      我國相關基礎研究最活躍

      歐、美、日、韓在固態電池上頻頻發力,國內企業和科研機構也在努力,并取得了一定的成績。中科院物理所研究員李泓告訴記者,2010~2019年,中國在固態電池領域取得了飛速進步,WOS論文數量從2010~2014年的794篇上升至2015~2019年的3369篇,增長了約3倍,在兩個5年期均穩居世界首位。

      具體而言,從表征學術影響力的論文被引頻次來看,中國從上述前5年的世界第2位提升至后5年的第1位;從代表重要成果的高被引論文來看,中國從上述前5年的5篇增長到后5年的52篇,相應的排名也從世界第3位提升到第1位。“過去10年,中國是固態電池領域發表SCI論文最多的國家;在各類電解質材料、各類固態電池的基礎研究方面是全球最活躍的國家;在一些關鍵的基礎科學問題、材料設計、電池解決方案方面提出了原創想法,具有重要的價值。”李泓說。

      據悉,2015~2021年,中國科學院物理研究所提出了原位固態化、納米固態電解質包覆正極材料、界面預鋰化方案、低膨脹納米硅碳負極材料、界面熱復合等綜合解決方案,目前已研制出能量密度達到360Wh/kg的固態鋰離子電池,循環性達到800次以上,并滿足其他各類指標要求,預計2022年底可實現批量裝車。

      李泓還向記者介紹了我國在固態電池研發上的一系列最新成果。中國科學院物理研究所深入研究了氧化物固態電解質與金屬鋰和正極的熱失控行為,以及利用材料基因組算法預測新的固態電解質LiAl-SO。上海空間電源研究所2021年開發了全新的Li<sub>3</sub>Zr<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>PO<sub>12</sub>氧化物電解質,是目前氧化物離子電導率最高且電化學窗口最寬的材料,具有非常重要的應用前景。中國科技大學馬騁團隊開發了Li<sub>2</sub>ZrCl<sub>6</sub>電解質,能夠適應5V正極,離子電導率達到了0.8mS/cm。該電解質還可以液相合成,未來也具有重要的應用前景。中國科學院物理研究所吳凡團隊開發了水穩定的硫化物電解質,離子電導率達到了1mS/cm。吉林大學于吉紅團隊開發了空氣穩定的鋰離子交換沸石 X(LiX)膜電解質,為固態鋰空氣電池研究打下了關鍵基礎。中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊團隊開發了安全增強聚碳酸丙酯基全固體聚合物電解質,即使在120℃下也能充放電。中國科學院化學研究所郭玉國團隊開發了光聚合制備的聚醚-丙烯酸酯互穿網絡(ipn-PEA)電解質,具有高機械強度(約12GPa)和高室溫離子電導率0.22mS/cm。南開大學陳軍團隊開發了復合聚合物電解質,離子電導率為0.26mS/cm。

      除了這些科研機構外,記者嘗試與部分知名固態電池研發企業聯系,或許出于保密等原因,對方都婉拒了本報的采訪要求。

      李泓說:“過去5年來,我國固態鋰電池基礎科學研究和關鍵技術攻關保持著持續發展、高速增長的動力。未來2~3年,混合固液動力電池將率先進入市場,未來6~8年,全固態電池將有望開發成功。”


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