觀察｜歐陽明高院士：警惕激進型全固態(tài)電池的顛覆風險
來源：中國能源觀察 時間：2024-02-28 14:40
中國能源新聞網(wǎng)記者 余璇
“10年來動力電池能量密度提升3倍，成本下降80%以上，我國電池產量占全球近70%，但也面臨產能過剩、行業(yè)內卷的現(xiàn)狀。2023年鋰離子電池價格腰斬，盈利的動力電池企業(yè)只有兩三家。當前行業(yè)需要提質增效，用創(chuàng)新技術穿越周期。”1月22日，在“中國全固態(tài)電池產學研協(xié)同創(chuàng)新平臺”成立大會暨中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇上，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出。
在歐陽明高看來，當前超級快充、低溫續(xù)航、體積能量密度等新需求雖有技術方案，但也面臨技術門檻不斷提高的挑戰(zhàn)。我國需要跨越創(chuàng)新周期，迎接國際新一輪電池技術競爭。
目前全球全固態(tài)電池的研發(fā)現(xiàn)狀是怎樣的？我國全固態(tài)電池發(fā)展前景如何？歐陽明高進行了深入闡述與分享。
全固態(tài)電池研發(fā)的全球“執(zhí)念”
關于固態(tài)電解質的研究，我國在前期做了大量的基礎工作，但無論是氮化鋰、硫化物還是鹵化物，都尚未達到理想狀態(tài)。
“這些固態(tài)電解質制成的電池一直無法滿足實用要求?！睔W陽明高坦言，直到1992年，隨著液態(tài)鋰離子電池誕生并迅速產業(yè)化，液態(tài)鋰離子逐步應用于電動汽車，隨后引發(fā)了新能源汽車革命。
歐陽明高表示，近10年來，以硫化物固態(tài)電解質為代表的新型固態(tài)電解質發(fā)展迅猛，離子電導率甚至超過液態(tài)電解質。
據(jù)介紹，2011年，東京工業(yè)大學Ryoji Kanno教授課題組合成了一種硫化物固態(tài)電解質Li10GeP2S12（LGPS），有效增強了鋰離子電導率，甚至電導率與有機電解液基本相當，但該固態(tài)電解質中含有鍺元素，成本比較高。
“目前已經發(fā)展了成本較低的硫化物固態(tài)電解質，其中鋰磷硫氯是應用比較多的?！睔W陽明高表示，在Ryoji Kanno教授課題組合成的固態(tài)電解質出現(xiàn)后，2012年，豐田試制了全固態(tài)電池，隨后不斷有企業(yè)加入，從而引發(fā)了新一輪全固態(tài)電池的全球競爭。
“現(xiàn)在大家越來越有共識，全固態(tài)電池是公認的下一代電池的首選方案之一，被列入中國、美國、歐盟、日本、韓國等主要地區(qū)的發(fā)展戰(zhàn)略，也成為下一代電池技術競爭的關鍵制高點?！睔W陽明高強調。
據(jù)了解，從全球全固態(tài)電池產業(yè)布局來看，我國企業(yè)占比最多，其次是日本。
日本方面，在全固態(tài)電池領域耕耘多年，技術創(chuàng)新不斷加速，量產時間表逐漸明確，雖然全固態(tài)電池企業(yè)不多，但實力很強。
“日本應該說是舉國家之力推動全固態(tài)電池商業(yè)化，他們也有‘官—產—學’聯(lián)盟，豐田、本田、日產等企業(yè)既做全固態(tài)電池研發(fā)，也在做整車生產，在電池與整車性能匹配結合方面比較有優(yōu)勢?！睔W陽明高稱。
美國方面，以初創(chuàng)公司為主，加速全固態(tài)電池產業(yè)創(chuàng)新，歐洲則是主要和美國的創(chuàng)業(yè)企業(yè)合作。
“美國與日本不同，基本上是一些創(chuàng)業(yè)企業(yè)，美國一向是以創(chuàng)業(yè)企業(yè)為主導的。”歐陽明高分析稱。
談及創(chuàng)業(yè)公司的資金支持，歐陽明高表示，美國創(chuàng)業(yè)公司一方面靠股市支撐，另外一方面靠歐洲車廠支撐。
此外，韓國全固態(tài)電池企業(yè)數(shù)量也不多，但是LG新能源、三星SDI和SK On三大電池企業(yè)力量很強，目前正持續(xù)投入研發(fā)，開始建設全固態(tài)電池生產線。
“韓國應該說是目前全球位居第二的電池產業(yè)大國，雖然其電池企業(yè)不多，但是有三家企業(yè)實力是很強的，在全固態(tài)電池方面這三家企業(yè)都取得了實質性的進展。尤其是三星，現(xiàn)在國內還有很多企業(yè)在復現(xiàn)其做出的全固態(tài)電池?！睔W陽明高坦言。
據(jù)分析，目前全球全固態(tài)電池產業(yè)路線不止一家公司布局，而是許多具有實力的公司集體布局，預計產業(yè)化時間集中在2027—2030年。換而言之，聚焦在這個時間，是有一定共識的。
亟須研發(fā)全固態(tài)電池鞏固產業(yè)鏈優(yōu)勢
那么，我國要不要發(fā)展全固態(tài)電池？這是歐陽明高闡述的關鍵問題。
“因為全固態(tài)電池具有技術顛覆的性能潛力，不是說它有這個能力，是有這個潛力?！睔W陽明高認為。
一是高安全性。從液態(tài)到固態(tài)，硫化物固態(tài)電解質的熱穩(wěn)定性可以保持到300攝氏度，液態(tài)電解質100攝氏度就要蒸發(fā)，所以硫化物固態(tài)電解質增加了200攝氏度的安全空間，對正常工作范圍更有安全保障。
二是高能量密度。雖然現(xiàn)在并沒有實現(xiàn)高能量密度，但全固態(tài)電池有這個潛力。不論是從單體電池，還是從電池模組的角度都有這個潛力，因為其可以做成雙極板，從單體和模組兩方面都可以提升能量密度。
三是高功率特性?，F(xiàn)在液態(tài)鋰離子電池的離子傳導被稱為運載模式，整個過程需要溶劑化再脫溶劑化，通俗講就是離子在液態(tài)電解質中移動需要“坐船”。但是鋰離子在固態(tài)電解液中是跳躍模式，傳導速率更高，充電速度也大幅度提高，這就是高功率特性。這種快充和現(xiàn)在的快充相比將會大不一樣，不會因為充電速度太快而析鋰。
四是溫度適應性?，F(xiàn)在液態(tài)電池在低溫環(huán)境下續(xù)航里程不理想，是因為液態(tài)電解質中鋰離子電導率和溫度直接相關，全固態(tài)電池的電解質在-30攝氏度到100攝氏度范圍內都不會凝固、氣化，所以溫度適應性更好，不需要很復雜的熱管理，也不會因為寒冷電池容量大幅下降。
五是材料選擇范圍更廣。固態(tài)電池的電化學窗口更寬，可以把不同特性結合起來，制作成電化學窗口很寬的電池，進一步提升電壓。
“以上這些特性可以同時滿足，不像液態(tài)電池一方面性能好了，另外一方面性能就不好了。比如充電倍率性能提升了，可能循環(huán)壽命就降下來了。但固態(tài)電池不是這樣的，如果充電倍率性能提升，循環(huán)壽命反而會有增長趨勢。所以全固態(tài)電池是動力電池重要的發(fā)展方向之一?！睔W陽明高強調。
記者了解到，目前我國固態(tài)電池技術路線呈現(xiàn)多元化，以固液混合為主，國際上多以全固態(tài)為主。固液混合主要是氧化物和聚合物電解質等結合，硫化物在國內并不是主導技術路線。當前國內固態(tài)電池產業(yè)鏈比較完整，部分主流電池企業(yè)都在做固液混合、半固態(tài)電池，也有企業(yè)在嘗試裝車。半固態(tài)電池的特點是固液混合電化學原理，與液態(tài)鋰離子電池相同，不屬于顛覆性技術，是提升安全性的技術之一。目前半固態(tài)電池正在試裝車，但是良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命等問題仍需解決。
從全行業(yè)看，目前我國既要發(fā)展?jié)u進型半固態(tài)技術路線，又要防范激進型全固態(tài)技術路線帶來的顛覆性風險。
“目前我國是電池發(fā)展的領先國家，就算全固態(tài)電池2030年能產業(yè)化，要想替代液態(tài)鋰離子電池50%市場份額也需要20到30年。”歐陽明高指出，就像電動汽車也就只替代了30%，全球就驚呼中國電動汽車要領先了。不需要到50%，到1%就已經預警了。2016年，新能源汽車市場占有率達到1%的時候，全球就開始向電動汽車轉向。對于汽車技術而言，1%是很重要的市場份額，不需要替代到50%，替代1%就已具有突破性意義。
歐陽明高表示，現(xiàn)在，我國液態(tài)鋰離子電池產業(yè)發(fā)展成就輝煌，10年來能量密度提升3倍，成本下降80%以上，電池產量接近全球70%，可是如今電池行業(yè)也面臨產能過剩、行業(yè)內卷。
一方面是低成本電池的成本不斷下降，且技術門檻越低，涌進來的人就越多，但仍沒有完全滿足電動車客戶的需求。比如超級快充350千瓦以上，怎么在全壽命周期內不析鋰、不影響壽命、不發(fā)生安全事故，這是很大的挑戰(zhàn)。其次，低溫續(xù)航也是一個挑戰(zhàn)。此外，還要進一步提升體積能量密度。
另一方面，鋰離子電池技術創(chuàng)新周期大概是30年，第一個10年，從手機電池到動力電池，現(xiàn)在還在繼續(xù)解決安全問題。近10年來，智能化技術逐步在電池行業(yè)應用，行業(yè)內卷亟須數(shù)字化轉型提質降本增效，電池全生命周期期待全鏈條智能化。
在歐陽明高看來，下一個10年，或者現(xiàn)在已經開始的10年，是材料換代的10年。
“由于磷酸鐵鋰和三元電池材料創(chuàng)新，鋰離子電池成為動力電池的主流，現(xiàn)在又到了新一輪材料創(chuàng)新周期，這個周期要到2030年左右，也就是說，全固態(tài)電池有可能2030年左右實現(xiàn)產業(yè)化?！睔W陽明高預測。
面對國內外競爭加劇，雖然我國電池產業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)良好態(tài)勢，但仍要居安思危。歐陽明高認為，電池行業(yè)發(fā)展方向是低碳化、智能化、固態(tài)化。
協(xié)同創(chuàng)新破解全固態(tài)電池技術難題
全固態(tài)電池目前面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，具有跨學科特性，技術門檻極高，包括材料、界面、工藝、產業(yè)鏈、設備等?！睔W陽明高指出。
首先，全固態(tài)電池產業(yè)化仍然面臨一系列的科學難題，需要從關鍵材料、界面、復合電極、單體電池不同層面進行解決。
“比方說材料層次，硫化物電解質化學穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性很差，批量生產很難?；A硫化鋰很貴，首先要把這個價格壓下去?，F(xiàn)在自己做比買要便宜80%，所以做硫化鋰需要把規(guī)模做上去，把成本壓下來?！睔W陽明高舉例稱。
其次，全固態(tài)電池的工藝設備面臨挑戰(zhàn)，必須與設備廠商同步。“全固態(tài)電池制作如果用濕法工藝，大概能保留一半的現(xiàn)有設備。如果用干法工藝，三分之二的設備都不能用了，要用新設備，所以必須要與設備廠商同步?！睔W陽明高解釋稱。
再次，產業(yè)鏈面臨風險，歐陽明高認為，我國電池產業(yè)鏈是全球最強大的，現(xiàn)在如果做全固態(tài)電池，從原料到基材生產、電芯/電池包裝配、電池生產應用，再到電池回收，全生命周期的產業(yè)鏈都會受到巨大沖擊。
“中國全固態(tài)電池的研發(fā)目前來看認識還不統(tǒng)一、力量比較分散、產學研不協(xié)調，需要聯(lián)合起來建立協(xié)同創(chuàng)新平臺，共同突破全固態(tài)電池產業(yè)化的關鍵技術。”歐陽明高呼吁。
“我們已經處于一個新的時代，人工智能的時代，不要用過去推論未來，這個時代會顛覆材料的創(chuàng)新模式?！睔W陽明高表示，人工智能正在改變材料的研發(fā)范式，將大幅度加速全固態(tài)電池的研發(fā)速度，這為2030年左右實現(xiàn)全固態(tài)電池產業(yè)化突破增加了確定性。
展望我國動力電池材料體系的研發(fā)和產業(yè)化發(fā)展趨勢，歐陽明高判斷，未來既要低成本電池，也要高比能電池，要兩頭發(fā)力。在2030年左右全固態(tài)電池產業(yè)化突破的可能性極大，我們要全力以赴，只爭朝夕，要有緊迫感，共同努力實現(xiàn)中國電池產業(yè)持續(xù)引領全球。
責任編輯：閆弘旭
