固態(tài)電池將商用 其他動力電池新技術進展如何？

1月9日，蔚來發(fā)布了固態(tài)電池包，總電量可達150kWh 電池包，裝配在 ET7上，續(xù)航里程將超過1000km。

蔚來方面表示，該電芯密度達到360Wh/kg，電池包能量密度能提升50%。

蔚來汽車官方透露，搭載這種技術的蔚來電動車預計將于2022年第四度交付。這是首款明確確定了量產(chǎn)商用固態(tài)電池的車型。

可以看到，作為最有希望的下一代電池，固態(tài)電池似乎已經(jīng)到達產(chǎn)業(yè)化應用的前夜。

被稱為下一代的電池技術有很多，除了固態(tài)電池，還有鋰空氣電池、鋰硫電池等等。

這些技術的進展如何?優(yōu)勢和短板又有哪些?

2021年1月9日，國軒高科第十屆科技大會第二天，中科院物理所研究院李泓、廈門大學教授董全峰和中國科學技術大學教授陳春華就對上述三種技術的進展狀況進行了闡述。

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固態(tài)電池有望率先量產(chǎn)

蔚來日上，蔚來透露，采用的固態(tài)電池采用了原位固態(tài)化技術。根據(jù)《電動汽車觀察家》目前掌握的信息，北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司一直在研發(fā)原位固態(tài)化技術，很有可能就是蔚來的供應商。

所謂原位固態(tài)化，通俗一點說就是把液體轉化成固體，比如說先加入液體，加入液體之后就液體能夠跟顆粒很好的浸潤包覆，然后再將液態(tài)轉化為固態(tài)。這樣也能做到原子尺度的結合，而不是宏觀的把它們(電極材料和固態(tài)電解質(zhì))壓在一起解決。

根據(jù)中科院物理所研究員李泓的介紹，原位固化是物理所的成果，他們的核心理念是，通過注液保持良好的電解質(zhì)與電極材料的原子級接觸，之后通過化學或電化學反應，將液體電解質(zhì)部分或全部轉換為固體電解質(zhì)，綜合平衡高電壓、安全性、鋰枝晶、體積膨脹和接觸內(nèi)阻等問題。

北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司作為中國科學院物理研究所固態(tài)電池技術唯一的產(chǎn)業(yè)化平臺，正致力于將這一技術進行產(chǎn)業(yè)化。

具體來看，衛(wèi)藍主要通過七方面達到這一目的。

首先，原位固態(tài)化技術，解決固固界面問題，讓固態(tài)電池充放電更快捷、持久和安全;其次，采用原子級鍵合技術，讓固態(tài)電池循環(huán)過程更穩(wěn)定;第三，采用復合金屬鋰技術，讓固態(tài)電池能量密度更高，全壽命體積膨脹更小，循環(huán)壽命更長;第四，固態(tài)電解質(zhì)技術，讓固態(tài)電池能在高溫狀態(tài)下工作，顯著提升電池安全性;第五，通過離子導電膜技術，讓固態(tài)電池電極與隔膜直接界面更穩(wěn)定，離子傳導更快捷，來支持全固態(tài)電池發(fā)展;第六，三維集流體技術，讓固態(tài)電池循環(huán)過程中的內(nèi)阻更低，電子傳導保持性更好;此外，還采用新型電池裝備，讓固態(tài)電池電芯具有新的性能，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。

當然，市場上生產(chǎn)固態(tài)電池的企業(yè)數(shù)量很多，中國除了衛(wèi)藍，還有輝能、清陶、贛鋒鋰業(yè)、寧德時代、國軒高科等，幾乎所有鋰離子電池企業(yè)都在研發(fā)固態(tài)電池。他們的具體解決方案都略有差異。

在這些企業(yè)努力下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化似乎近在咫尺。

李泓預測稱，2022-2023年，搭載混合固液電解質(zhì)電池的產(chǎn)品將會出現(xiàn)。到2025年，有可能形成百 Gwh 體量，然后再逐漸替代液態(tài)電池。不過李泓也表示，到那時液態(tài)鋰電池規(guī)模很可能達到800-1000GWh。固態(tài)電池也就是10% — 20% 的占比，所以要談固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化和占比，應該以10年時間作為發(fā)展尺度，才有可能形成一個比較高的市場占有率。

從行業(yè)發(fā)展程度也可以大致推斷，蔚來 ET7搭載的固態(tài)電池很大可能是固液混合電池，也就是半固態(tài)電池。

人類對高能量密度電池的追求是沒有止境的。不過，尺有所長、寸有所短。從目前技術進展來看，能量密度越高的鋰電池，其循環(huán)性能越差。

其中鋰空氣電池和鋰硫電池就是典型。

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鋰空氣電池難點頗多

先來看比能量最高的鋰空氣電池。

從材料來看，鋰和空氣都是自然界非常常見的物質(zhì)，在某種程度上可以說是取之不盡用之不竭。

從數(shù)據(jù)上看，非水鋰空氣電池具有高達3449Wh /kg ( 以 Li2O2計算 ) 的能量密度 , 是目前商品化鋰離子電池的5~10倍。

僅追求比能量，鋰空氣電池顯然非常合適，但是實際應用中，需要的是壽命、安全性、功率等等方面相互平衡。

目前，鋰空氣電池在比能量以外的短板就太明顯了。而且鋰空氣電池中發(fā)生的反應比較復雜，還伴隨著副反應發(fā)生。

從表現(xiàn)上來看，非水鋰空電池氧電極電化學動力學反應非常緩慢，導致充放電能量效率低、充放電過電位高、倍率性能差、可逆性差以及循環(huán)穩(wěn)定性差等特點。

廈門大學教授董全峰解釋道，鋰空氣電池與鋰離子電池最大的差異在于其活性物質(zhì)為氣體，反應后生成固態(tài)產(chǎn)物，因此必須提供足夠的空間來存儲這些產(chǎn)物，"如果沒有這個空間，高容量就無從實現(xiàn)。"

為了解決這些問題，他們采取了一系列手段，例如固相表面催化、液相表面催化、開放結構電極以及功能性阻擋層等。

董全峰表示，這些策略可以較大幅度降低充電的過電位，取得了比較好的結果，"容量可以放到10000mAh/g 以上。"

在董全峰看來，鋰空氣電池的重點是電極的氧化或充電過程，如果能夠很好地解決充電過程，鋰空氣電池就邁出了很關鍵的一步。

目前看，固相表面催化取得了比較好的化學性能，大幅降低的充電過電位，" 從原來的一點幾伏降到零點幾伏。"

但鋰空氣電池中氧氣在電解液中發(fā)生還原反應時生成的固相產(chǎn)物如果覆蓋了表面，這個反應是無法繼續(xù)進行的，就不會取得更高的放電容量。

因此誘導固相產(chǎn)物向液相中擴展生長，而同時能夠使其在充電時被分解則是最理想狀態(tài)。為了達到這個目的，董全峰的思路是液相擴展催化，取得了高容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

在結構方面，董全峰課題組結合仿生學原理，向大自然學習，設計了開放式劍麻狀結構，對氧的吸收、擴散反應都非常有利，大幅提高了電池性能。

此外，還有保護膜的問題，因為在氧氣中，金屬鋰負極的腐蝕更加嚴重。因此，他們構建多層阻氧多功能 SEI 膜，也產(chǎn)生了一定的效果，可以大幅度延長鋰空氣電池的壽命。

雖然，董全峰的一系列研究提升了鋰空氣電池的各方面性能，但是其性能距離實際應用仍然有很大距離。他認為，鋰空氣電池涉及到固體、液體、界面反應不同的新體系，增加了反應的困難，使體系更復雜。

雖然困難重重，但他對于產(chǎn)業(yè)化前景仍然很有信心，"我們可以充分借鑒燃料電池(的發(fā)展進程)。這個突破點一旦找到，會比燃料電池更快使用。"

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鋰硫電池循環(huán)壽命是短板

鋰硫電池的情況與鋰空氣電池差不多。

鋰硫電池在理論上具有2600Wh/kg 的質(zhì)量比能量和2800Wh/L 的體積比能量，且材料成本低廉、環(huán)境友好，可以滿足很多新興技術的要求，受到學術界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。

鋰硫電池僅需約30% 的理論比能量，就可以實現(xiàn)750Wh/kg 的實際比能量。而對于鋰電池來說，即使負極使用金屬鋰，在電芯制備工藝達到極限的情況下，其實際比能量也僅能達到600Wh/kg。

高比能量帶來的另一個優(yōu)勢就是成本低。

這個很好理解，要達到相同比能量，鋰硫電池材料少很多，成本自然就低很多。

從世界范圍來看，限制鋰硫電池發(fā)展的關鍵科學問題也尚未徹底解決。

鋰硫電池雖然比能量和成本表現(xiàn)突出，但是電動汽車需要的安全性、功率密度、快充性能、擱置壽命和循環(huán)穩(wěn)定性等都不能滿足。

正極材料主要影響鋰硫電池的比能量、比功率和能量轉換效率;負極材料決定了鋰硫電池的安全性能;電解質(zhì)幾乎與鋰硫電池所有性能都有密切關系;基本上所有關鍵材料都影響鋰硫電池的使用壽命。

鋰硫電池的發(fā)展嚴重受限于較差的循環(huán)壽命，主要有以下四個原因造成，一是，正極產(chǎn)生的多硫化鋰溶解并遷移至負極發(fā)生不可逆化學反應，活性物質(zhì)損失;二是，正極硫化鋰的不均勻沉積，導致電化學可逆性變差;三是，電解液在金屬鋰表面發(fā)生分解，導致電池逐漸干涸;四是，金屬鋰枝晶刺破隔膜引起短路。

針對循環(huán)壽命，中國科學技術大學教授陳春華采用蟻巢狀的碳納米纖維電極來解決，這種結構能夠有效提升電池的循環(huán)壽命，而且能夠使硫負載量達到8.6-11.5mg/cm2。要改善鋰硫電池的循環(huán)壽命，只在電極上形態(tài)做文章是不夠的，還要在電解液等方面進行改良。

電池領域的人常說的一句話是 " 按下葫蘆起了瓢 "，解決一方面短板時，往往帶來其他方面的問題，要想綜合性能平衡，還需要更多的探索。

中汽中心動力電池領域首席專家王芳也表達了類似觀點，一個新材料的出現(xiàn)到它完全走向產(chǎn)業(yè)化，從實驗室的研發(fā)到小試到大規(guī)模的生產(chǎn)，可能需要一個完整的雷達圖的評價體系?？赡軙阅?、壽命、安全和可靠性，都要滿足成熟商品的要求。最終，要評估某一個材料，比如固態(tài)電池或者鋰硫電池，能不能作為一個產(chǎn)品進入市場，要看雷達評價，要達到平衡。

通過了解這些技術可以發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池是各方面性能最接近平衡的下一代電池，蔚來的150kwh 固態(tài)電池電池包，是很近的未來。(完)