5月24日，第一電動網在深圳舉行“動力電池：電動汽車新需求——2016動力電池產業(yè)發(fā)展論壇”，力圖理清動力電池產業(yè)格局及需求方向，探討新時期的動力電池挑戰(zhàn)和應對之策。寧德時代新能源科技股份有限公司(CATL)研究院總監(jiān)梁成都博士發(fā)表了《全固態(tài)鋰金屬電池的挑戰(zhàn)與進展》的演講，他認為全固態(tài)動力電池的商品化至少還需要3-5年，從現在看來還有材料、結構及電池設計等諸多基礎問題等待解決。
寧德時代新能源科技股份有限公司(CATL)研究院總監(jiān)梁成都
梁成都博士介紹，全固態(tài)電池的研究主要有三個主題方向，一是聚合物電解質的方向；二是基于氧化物電解質的方向，三是基于硫化物電解質的方向。歐洲公司在進行以聚合物為固態(tài)的研究，日本豐田、索尼、松下公司等是基于陶瓷類電解質加聚合物的研究，全固態(tài)電池當前并沒有完全實現產業(yè)化。從總體分布來看，固態(tài)電解質研究分布在兩個地區(qū)，一是美洲，美國做固體的比較多；二是亞洲，集中在東南亞，做電池研究、生產、開發(fā)以中國、日本、韓國為主。
全固態(tài)電池最關鍵的是離子傳導問題及界面兼容問題，正極一般里面加有電子導體和離子導體，中間的固體電解質起著隔膜作用。在電池的充放電過程中，離子導電性起關鍵作用，對電池的容量發(fā)揮，循環(huán)充放電性能，功率等特性有顯著影響。
梁成都博士說：“固體電解質大概分為三類，一是聚合物，二是氧化物、磷酸鹽，三是硫化物。CATL在全固態(tài)電池的開發(fā)方面有很多年的研究和積累，同時大電池的設計和研發(fā)經驗豐富，我們設計和國際上有一些區(qū)別，那就是在提高離子導電性、電池能量密度方面做了一些工作，目前處于比較早的研究階段。CATL認為全固態(tài)電池真正能把能量密度做上去，做到300-500Wh/Kg的能量密度的話，單次充電續(xù)航里程會大大提高。這樣對于電池的循環(huán)壽命要求可能稍微短一點?！?
聚合物固態(tài)電池最大優(yōu)勢是安全耐用，就算電池經受穿釘，照樣可以使用，切開、剪開、折彎照樣可以工作，中間沒有液體，不會有流動性。發(fā)生危險后，沒有那么強的燃燒性，其單體能量密度和傳統的鋰離子電池相比，還是有明顯的優(yōu)勢。法國Bolleri 公司已經將其商業(yè)化(化學體系為Li/PEO/LFP)，已經在英國倫敦投放了3500輛城市租賃車。但是聚合物固體電解質的導電性與溫度的關系很大，需要一個加熱元器件，溫度升高后，導電性變好，升高溫度需要消耗能量，這樣導致整體Pack的有效能量密度顯著下降。同時由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實際使用時，需要和大功率的超級電容器配合使用。更明顯的缺陷是基于PEO的聚合物固態(tài)電解質電化學穩(wěn)定窗口較窄，一般在4V以下，對應的正極材料選擇只能是LFP。這樣其總體能量密度很難達到300Wh/kg。
很多國內外公司和研究院所對氧化物固態(tài)電解質也有較多研究。其中做的較深入的為美國橡樹嶺國家實驗室，采用LIPON做固態(tài)電解質，設計制作的固態(tài)薄膜鋰金屬電池，其循環(huán)壽命非常好，循環(huán)幾萬次都沒問題，但一旦做成大電池，使用厚電極設計的時候，循環(huán)性能就會顯著下降，無法達到應用需求。另外對于氧化物固體電解質，其離子電導率還是不夠，一系列已知的氧化物固態(tài)電解質的室溫離子導電率基本都達不到10-3 S/cm 的級別，和實際應用還有距離。
基于硫化物固體電解質，明顯的優(yōu)勢在于其室溫離子導電性接近現在的液體電解質，單從離子導電性的水平來看，已經接近應用的水平。日本公司最近幾年在硫化物方面的研究比較多。硫化物也是CATL的重要研發(fā)方向，主要優(yōu)點在于離子導電性較高；電化學窗口比較寬，拓寬了正極材料的選擇范圍，因而在電池化學體系選擇方面更加多樣性。
梁成都博士表示，對硫系全固態(tài)電池來說，正極界面和負極界面存在界面反應的問題。對于正極界面，可以采用正極包覆修飾方法解決，而負極界面可以在鋰金屬表面形成一層穩(wěn)定的緩沖層。實際應用中離子導電性還存在接觸的問題，采用熱壓方式改善界面接觸來提高電池體系的整體離子導電性。硫化物接觸空氣和水的穩(wěn)定性較差，遇到水會放出劇毒的硫化氫氣體，并且很臭，如果車里出現這個問題，人承受不了。CATL對這個材料進行了改進研究，提高了它的穩(wěn)定性，朝產業(yè)化更進一步。但制造方面是一個很大的挑戰(zhàn)，生產流程、工藝方式和傳統的鋰離子電池的生產方式完全不一樣。CATL進行一系列的材料研究和工藝開發(fā)，在固態(tài)電池的產業(yè)化方向進行了積極布局。
“說到電池的生產工藝，大家希望全固態(tài)電池可以早點出來，但問題是現在連生產設備都沒有，這是一個挑戰(zhàn)。純固態(tài)的生產工藝過程，將來可能需要一系列的工作，即使現在把化學體系的研究完成了，從生產設備開發(fā)到設計出可使用的電池，至少還要3-5年的時間。化學體系本身還需要一個持續(xù)優(yōu)化的過程，所以我們認為基本在五年左右，當然不排除當中會有突破性的東西出來。”
當前的市場需求希望采用全固態(tài)電池來解決傳統鋰離子電池的安全問題，并且提高能量密度，使車可以開得越來越遠，同時電池成本降下去，CATL認為全固態(tài)在未來實現車用是有希望的，但是大家需要耐心等待技術成熟。
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