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固态电池或成未来动力电池的发展方向

作者:孙世刚 | 作者单位:中国科学院

在目前主流的液态锂电池体系中,我国在全球动力电池产业版图上占据举足轻重的地位,全球排名前十的动力电池企业有6家来自中国。美国、欧盟、日韩等国家和地区想要争夺对动力电池的话语权,意图从全固态电池切口进入,实现换道超车。其中,日本更是举全国之力推动全固态电池的商业化,已形成官—产—学联盟,丰田、本田、日产汽车等日系车企已在全固态电池方面进行深度布局。

固态电池是指电池结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件,由“正极材料+负极材料”和固态电解质组成。在工作原理上,固态锂电池和传统的锂电池并无区别:传统的液态锂电池中间为液态电解质,锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电,而固态电池最大的改变就是把这种液体变成固体,更准确点是一种胶体,类似于“薄膜”,夹在正负极之间,电像小蚯蚓一样在薄膜之间钻来钻去,相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。若按照电解质形态来划分,动力电池主要可分为液态电池、半固态电池以及全固态电池。

在全球范围内,下一代电池技术的竞争制高点主要集中在全固态电池技术领域,其中硫化物电解质占据重要地位。全固态电池具有较强的温度适应性。现有的液态锂离子电池在低温环境下的续航里程不理想,因为液态电解质的锂离子电导率和温度直接相关。然而,全固态电池的电解质在–30℃和100℃的范围内都不会凝固和气化,所以有着很好的温度适应性,不需要进行很复杂的热管理,也不会因为冬季气温低其容量就大幅下降。与传统锂电池相比,全固态电池最突出的优点是安全性。固态电解质不可燃烧,极大地提高电池的安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象,降低了电池组对于温度的敏感性,根除安全隐患。

迄今为止,经过科学家的不断努力,固态电池技术应该说已经没有了不可逾越的技术瓶颈,但也仍然存在着技术难题有待解决。目前发展固态电池存在的技术难点一方面是固态电池不使用电解液,离子电导率会大幅降低,从而使得想快速的充电很难实现;另一方面,固体电解质界面接触性差(固体—固体),内阻较大,还没有特别好的解决办法。此外,即使解决了固态电池材料问题,由于固态电池工艺很复杂,产业链上下游不完整,制造成本偏高,也难以大规模生产。但在行业多方布局和行业看好之下,固态电池产业仍有望获得超速发展。

衡量全固态电池产业化的标准应当是这类电池的市场份额至少达到1%。就算全固态电池在2030年实现产业化,它要想替代液态锂离子电池50%的市场份额也需要20—30年时间。不过,我们要看到,电动车现在也就只替代了(燃油车)30%的市场份额,其他国家就已经惊呼中国品牌的车要领先了。这说明,市场份额不需要达到50%,达到1%就已经是一种预警了。对于汽车技术而言,1%是很重要的市场份额,全固态电池(对原有电池技术)替代1%就已经具有突破性意义。

全固态电池技术有不同技术路线,且各有利弊,国际上多以硫化物全固态电池为主要技术路线。而在我国,当前固态电池技术路线呈现多元化发展趋势,半固态电池、全固态电池均有布局,发展重点是半固态(固/液混合)电池。我国对固/液混合电池布局早,产业链完整,各企业正在尝试装车。从行业全局看,我们既要发展渐进型半固态技术路线,又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。

未来我国动力电池产业既需要低成本产品,又需要高比能产品,需要两头发力。在高比能电池方面,2030年左右实现全固态电池产业化突破的可能性极大,行业各方应全力以赴,共同推动中国电池产业的高质量发展,形成持续引领全球电池行业之势。(作者系中国科学院院士)

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2024年, 第6期
刊出日期:2024.06
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