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锂电池将被固态电池取代?还有很长的路要走
发布时间: 2018-11-01

导读: 以目前的三元锂电池的技术路线,动力电池能量密度单体要做到350Wh/kg的目标,在五年内基本不可能实现。而且,即便实现了,安全性也无法得到保障。因此,固态电池商业化能否突破,对汽车电动化的前景影响重大。

三元锂电池被固态电池取代的节奏正在变快。

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所宣布,由其牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题已通过验收,这一技术进步将进一步推动国内全固态锂电池的规模应用。

此消息一出,立即在电池行业中引起巨大反响。

业内人士告诉第一电动网:“以目前的三元锂电池的技术路线,动力电池能量密度单体要做到350Wh/kg的目标,在五年内基本不可能实现。而且,即便实现了,安全性也无法得到保障。因此,固态电池商业化能否突破,对汽车电动化的前景影响重大。”

作为电动汽车的核心,电池领域的突破无疑将对电池乃至汽车领域的发展产生重大影响,那么,固态电池能否马上取代三元锂电池?距离市场化还有多远?

三元锂电池的天然缺陷:能量密度和稳定性相互矛盾

“某一家企业单去年一年就有60起电动汽车燃烧爆炸事故。”在刚刚举办的中日韩锂电论坛上,北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁教授透漏。

其教授认为,三元锂电池存在很多缺陷,安全问题十分令人担忧。“无论从化学结构来讲,还是从电池结构来讲,三元材料都非常容易发热。如果不能把热量及时传导出去,电池就有爆炸的风险。然而现阶段,在电池的安全性、可靠性上,还没有完善的解决办法。“

除安全问题外,就增加电动汽车续航角度而言,三元锂电池的单体能量密度也已接近极限,难以被突破。电池包供应商正力蔚来常务副总裁周楠告诉第一电动:“现在,无论是行业政策,还是市场需求,新能源汽车对动力电池能量密度的要求都很高。在现有技术路线的体系下,要提高能量密度,只能提高镍材料或者添加CA,但高镍的热稳定性很差。所以,传统的电池一旦能量密度提高,也意味着稳定性的下降,电池内部热反应会非常剧烈,安全就成了很大的问题。”

正因为这样的原因,国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组专家肖成伟曾公开表示,三元锂离子动力电池目前已经看到能量密度的“天花板”了,高镍材料、碳硅负极的锂电池单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右,正负不超过20Wh/kg。

按照国家动力电池技术路线图的规划,2020年锂离子电池的单体能量密度目标为350Wh/kg。从目前来看,这一目标已然不能实现。

而为了保证动力电池的高能量密度和安全性,固态电池研发的进展,给这个行业带来了光和亮。

国内外企业争相布局,固态电池成趋势

固态电池,顾名思义是一种使用固体电极和固体电解质的电池。由于固态电池电极和电解质都由固态物质制成,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,即使被加热到非常高的温度,也不会着火,因而安全性更高。搭载全固态锂电池的汽车,自燃概率会大大降低。可以说,是下一代新能源汽车动力电池的理想对象。

目前,越来越多的国内外企业和研究机构将重心集中到了全固态锂电池上,也有不少汽车厂商都透露过基于固态电池打造电动汽车的计划。比如,大众曾宣布计划研发续航1000km固态电池;丰田汽车预计2022年完成固态电池的研发工作,并计划于2030年实现量产;日本经济省更是在2017年宣布出资16亿日元,联合丰田、本田、日产、松下、GS汤浅、东丽、旭化成、三井化学、三菱化学等国内顶级产业链力量,共同研发固态电池,希望2030年实现800公里续航目标。

国家新能源汽车重点科技专项首席专家欧阳明高院士也曾指出,国内不少科研院所、企业布局固态电池领域,中科院宁波材料所跟赣锋锂业合作,正在推进其产业化,计划2019年量产固态电池。

作为新能源汽车的“心脏”,动力电池无疑会决定新能源汽车的未来。业内人士普遍认为,动力电池未来发展路径是电解质从液态、半固态、固液混合到固态,最终必将实现全固态的过程。这促使初创公司,大学和特斯拉等知名巨头对电池技术的新一轮投资和研究。

丰田的时间表相对靠谱,固态电池量产可能要等到2030年

然而,固态电池想要进一步发展,尚需解决多重难题。

周楠告诉第一电动:“固态电解质是固态电池发展的关键,固态电池没有液体的浸润,同时也不需要隔膜,只用把固态电解质当成隔膜,放在正极极片和负极极片当中,那么金属物质的材料就变得尤为关键。”

电解质材料是全固态锂电池技术的核心,目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料:聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高温性能好,已经有商业化的应用案例;氧化物循环性能良好,适用于薄膜柔性结构;硫化物电导率最高,是未来主要方向。

不过,目前还有几个具体难题需要克服:

一是界面的导电率,固态电池导电率要维持在在适当的水平,不能过高,也不能过低,这样的材料非常难开发。

二是没有找到即兼顾高倍率又能快充的复合性材料,现在用的固态电解质材料只能容纳其中某一方面特性。

一位不愿具名的业内人士也表达了相同的看法。他认为:“固态电解质具有高的电阻,在功率密度方面还存在一些待解决的问题,需要从固态电解质、正负极材料上着手。电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面都存在不小的挑战,一旦这些问题能够有效解决,必将在未来掀起一场新的电池革命。”

既然困难重重,固态电池在新能源汽车上的全面应用,还有多长的路要走?

欧阳明高曾表示,预计全固态锂电池会在2025-2030年之间取得突破。今年5月,丰田动力总成部门的总经理Shinzuo Abe透露:“丰田期望在2020年以后能制造出固态电池,但若要实现固态电池的量产,还需要等到2030年以后。”

已在电池行业深耕十几年的周楠向第一电动坦言:“从跟以往的经验来看,丰田计划和实际情况基本上是能达到一致的。也许在最近这几年里,他们就能够推出固态电池,但具体产能是怎么样,成本能不能适应市场,还要打一个大大的问号。”