4月28日上午,在于重庆举办的第十六届国际电池技术交流会中,全球新能源电池龙头宁德时代首席科学家吴凯在《车用全固态电池研发及产业化进展》演讲中表示,全固态电池的成熟度指标,若用1-9数字表示,宁德时代目前的成熟度在4的水平,目标到2027年到7-8的水平。
“2027年,宁德时代全固态电池小批量生产机会很大,但受成本等因素制约,大规模生产尚不能实现。”吴凯表示。
今年以来,全固态电池不断掀起热议,而此次重庆国际电池技术交流会,也专门开设了全固态电池技术讨论专场,会场中座无虚席,不少人席地而坐,足以显示市场和公众对这一崭新电池技术的关注。
“十余年来,我国动力电池行业已在核心技术、市场规模、成本价格方面取得先发优势。但是我们也注意到消费者对动力电池还有这更高的要求和期待,寻找高能量密度和高安全兼得的动力电池是我们的主要研发方向,也是一项长期的工作。在各条技术路线上,全固态电池具有巨大的潜力,是下一代动力电池重要发展方向。”在演讲中,吴凯表示。
从国家层面上来看,中国、美国、日本、韩国、欧盟均出台相关发展规划和战略,各国重兵投入,其本质是希望能够在全固态电池技术上率先取得突破,来改变目前动力电池的市场格局。
从产业链布局来看,上游基础材料及设备,中游全固态电池研发和制造,下游应用,我国企业参与的最多,产业链上企业都很有热情,但是我们也要清醒的看到,海外企业在全固态电池专利布局上具有一定优势,需要尽快迎头赶上。
在吴凯看来,全固态电池之所以吸引了全世界的投入,其核心价值在于其能够在安全底座保证的前提下较大幅度的提升能量密度,帮助动力电池在应用中有明显改善,而其他体系要达到这样的效果比较困难。
据介绍,世界范围内的研究,对固态电池按照电解质区分,主要是3个路线,聚合物、氧化物和硫化物。理想的电解质需要拥有较好的离子电导率,对高电压正极、锂金属负极有较好的电化学稳定性,并且制造安全和便捷,当然也要兼顾成本的可负担性。
吴凯认为,目前来看,解决方案进展比较快的硫化物路线,率先量产的可行性较大。但他也承认,目前我们所研究的路线中,没有一种电解质十全十美,比如聚合物电解质的离子电导率和氧化稳定性都较差,氧化物电解质太坚硬,会导致刚性界面接触问题。硫化物电解质容易与空气中的水产生有毒气体,制备工艺复杂且成本较高。当然在各国科学家的努力下,各个路线都有一些针对性的技术出来。
全固态电池需要解决四大层面问题
今年1月,欧阳明高院士表示,全固态电池市占份额替代1%,就已具有突破性意义。
“我们也一直在向着这个方向努力。我们认为要实现这个目标,要率先解决四大问题。“吴凯说。
第一是固固界面的问题。正极材料与电解质之间固固界面接触不充分,阻碍离子传输;负极在充放电过程体积膨胀大,导致固-固界面的动态损伤,难以修复,持续恶化固-固界面。这些都严重影响全固态电池的循环寿命和倍率性能。
第二是锂金属负极的应用问题,使用锂金属负极可以使全固态电池能量密度高的优势充分发挥。但是锂金属的高活性和其表面钝化层的锂离子扩散能垒较高,会促进锂枝晶的形成,枝晶会引发短路并造成电池失效,我们需要充分了解固态枝晶形成与生长的机理,并加以克服。
第三是针对最有希望的硫化物电解质路线,硫化物电解质在空气中不稳定的主要原因是容易发生化学反应, 电解质在空气中水分子的作用下会发生水解生成有毒的H2S气体,在水解的过程中电解质结构还会发生坍塌, 离子电导率急剧下降。另外硫化物电解质的合成成本问题,其原材料硫化锂价格高,而制备这些原材料的特殊工艺也增加了成本负担。这些都将是全固态电池推广中的障碍。
第四是全固态电池的生产难题,极片制造工艺不成熟,湿法工艺的核心是粘接剂与溶剂选取,如果溶剂与电解质化学不兼容,可能降低电解质的离子电导率。干法工艺存在膜片分散性、均匀性挑战。在电芯致密化成型过程中,电芯内部存在孔隙缺陷,致密度低会降低固态电池性能发挥,极片边缘受压导致搭接短路等问题也需要解决。
宁德时代已经建立10Ah级全固态电池验证平台,3年后真正量产
据吴凯介绍,宁德时代针对固态电池已经有十余年的研发积累,目前我们组建了一支近千人的全固态电池研发团队,也取得了一些进展和经验。
针对正极的界面问题,宁德时代研发了单晶正极多层级全包覆技术,第一层无机氧化物包覆层可以抑制界面副反应,第二层固体电解质包覆层,提升界面离子扩散。多层设计可以大幅提升界面结构稳定性,目前高面容三元正极克容量可达230mAh/g。我们还研发了多功能复合粘结剂,帮助稳定极片导电网络。复合正极可以实现6000次循环。
针对锂金属负极使用时候的锂枝晶问题,宁德时代认为相变自填充技术是可行方案,相变介质可通过改变其固/液物理状态灵活修复固态电解质缺陷,达到增强电解质结构,抑制锂枝晶的效果,锂金属临界电流密度有效提升至20mA/cm2。我们通过引入合金金属改变界面层的亲锂性,可以诱导锂金属均匀沉积到表面。同时优化锂金属负极的多相导锂界面,构筑界面离子传输“高速公路”,使锂金属负极循环平均库伦效率>99.9%。
针对硫化物电解质的环境稳定性问题,宁德时代开发表面疏水层可逆包覆技术,实现高空气稳定性电解质的制备,包覆后电解质可在-40℃露点环境稳定,包覆层还可以在电池制备过程中除掉,并且几乎不影响电解质材料的性能。同时我们也在开发新型合成路线和低含锂量材料,目前电解质的价格,1公斤都在5万以上,新的合成方案可以降低量产成本。
针对制造工艺的难点,宁德时代打通了干/湿法极片制备和电芯一体化成型工艺方案,创新了高柔性核壳结构粘结剂、纤维化过程量化控制技术、超薄电解质转印技术、等静压一体成型技术等,已经建立10Ah级全固态电池验证平台。
“全固态电池的研发和量产是一项非常艰巨的工作,我们为此也是集聚了各方力量,广泛的与产业链上的各方、高校等开展联合攻关。从全固态电池的技术成熟度和制造成熟度来看,有望在未来3年逐步进入成熟期,真正开启量产化进程。”吴凯说。
0到1的原创性创新
最后谈到对全固态电池的思考时,吴凯表示,全固态电池是新质生产力的典型代表。首先,具有革命性突破的技术创新是新质生产力的内在动力,全固态电池的研发不是1到2、2到3的渐进性创新,而是0到1的原创性创新,原创性创新往往拥有很高的势能,能够开辟出新的赛道,并对产业全局产生关键影响。
其次,生产要素创新性配置是催生新质生产力的重要保障,全固态电池的研发和制造用传统的研发试错方法或者企业的封闭式的单打独斗是行不通的,我们需要大量运用人工智能、大数据等手段,更广泛的开展多种资源的协调、多条线路的协同和众多团队的合作,将各类优质生产要素能够以更高的效率流向关键核心技术领域,这样才能够进一步加快科技创新效率。
最后,现代化产业体系是新质生产力要素的产业载体。全固态电池为代表的新能源产业链,我们认为应该具备低碳、高效、高质量、高附加值、强标准、自主可控、可持续等特征,将牢牢占据市场领先地位,成为汽车强国、制造强国、质量强国的重要支撑。
澎湃新闻记者 森宁
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