中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2021年3月11-12日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“第二屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會(huì)”在湖南長(zhǎng)沙成功召開(kāi)。期間，我們邀請(qǐng)到與會(huì)專家、學(xué)者做客“對(duì)話”欄目進(jìn)行專訪。本期為您分享的人物專訪是來(lái)自中南大學(xué)冶金學(xué)院、加拿大NRC國(guó)立研究院的張永柱教授。
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張永柱教授
中國(guó)粉體網(wǎng)記者：張教授，首先請(qǐng)您介紹一下目前全球各國(guó)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的布局情況？中國(guó)在固態(tài)電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面處于什么發(fā)展水平？
張教授：固態(tài)電池是電池產(chǎn)業(yè)的核心，未來(lái)突破產(chǎn)品安全性、能量密度和循環(huán)壽命性能方面，有潛力產(chǎn)生質(zhì)的突破，因此日、韓、美、英等各個(gè)國(guó)家和全球知名企業(yè)紛紛布局，全力發(fā)展固態(tài)電池。
日本申請(qǐng)的專利數(shù)量居全球首位，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面同樣領(lǐng)先于其他國(guó)家。日本針對(duì)全固態(tài)電池的研發(fā)主線，已經(jīng)從最初的探索高性能的電解質(zhì)材料，逐步轉(zhuǎn)移到解決諸如電芯的試制、制造工藝的開(kāi)發(fā)、充放電循環(huán)壽命等課題之上。研究重點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入了根據(jù)不同的應(yīng)用，嘗試正極材料和負(fù)極材料的適當(dāng)組合，以及嘗試實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的制造工藝開(kāi)發(fā)的階段。
韓國(guó)研究固態(tài)電池的企業(yè)主要有三星SDI、LG和現(xiàn)代汽車等，其中三星、LG和SK創(chuàng)新選擇成立聯(lián)合基金共同開(kāi)發(fā)固態(tài)電池。現(xiàn)代沒(méi)有參加以上的三家聯(lián)盟，而是選擇自主開(kāi)發(fā)、與高校合作和外部投資的方式進(jìn)入固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)鏈。在專利方面，韓國(guó)分布相對(duì)比較集中，三星SDI、LG和現(xiàn)代占比50%以上；在技術(shù)路徑方面均以硫化物電解質(zhì)為主。
在能源部（DOE）科學(xué)基金的推動(dòng)下，美國(guó)固態(tài)電池研究取得了重大進(jìn)展；眾多初創(chuàng)公司，如Quantum Scape、SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials等，這些初創(chuàng)公司以其在固態(tài)電池技術(shù)的先進(jìn)性，分別得到了寶馬、大眾、現(xiàn)代等汽車巨頭和多家風(fēng)投基金的投資，確保了美國(guó)進(jìn)入全球固態(tài)電池研究水平的前列。從技術(shù)路徑來(lái)看，初創(chuàng)公司以聚合物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)為主，負(fù)極多采用鋰金屬。
國(guó)內(nèi)企業(yè)不及日美韓等起步早，但隨著鋰電技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)有越來(lái)越多的企業(yè)參與到了固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中來(lái)。國(guó)內(nèi)專利布局的企業(yè)包括江蘇清陶能源、比亞迪、桑頓新能源、贛鋒鋰業(yè)、北京衛(wèi)藍(lán)、國(guó)軒高科、C公司等。此外，如珈偉股份、萬(wàn)向、中電力神、鵬輝能源、橫店?yáng)|磁等也都宣布涉足固態(tài)電池領(lǐng)域，但大部分企業(yè)仍處于規(guī)劃布局階段。
國(guó)內(nèi)在固態(tài)電池生產(chǎn)及應(yīng)用方面也取得了顯著的成績(jī)：
2020年7月29日，總投資55億，清陶宣布世界第一款10GWH固態(tài)電池在江西省宜春市投入量產(chǎn)。
據(jù)瀟湘晨報(bào)2020年11月12日?qǐng)?bào)道，由浙江鋒鋰新能源科技有限公司投建，全球首條0.3GWH混合固液電解質(zhì)鋰電池產(chǎn)線即將在寧波國(guó)家高新區(qū)試機(jī)投產(chǎn)。
2021年3月合眾旗下新能源汽車哪吒U正式上市，天際ME7樣車使用了固態(tài)電池，并將于2022年投入批量生產(chǎn)。
目前國(guó)外固態(tài)電池依然處在研發(fā)狀態(tài)，離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用尚有一定的距離。
中國(guó)粉體網(wǎng)記者：在各種固態(tài)電解質(zhì)材料體系中，您認(rèn)為哪種的前景最廣闊？不同材料體系的固態(tài)電池量產(chǎn)，面臨著哪些難題？
張教授：
主要的技術(shù)路線有：
（1）聚合物路徑：2011年，Bolloré實(shí)現(xiàn)聚合物固態(tài)電池的裝車。Ionic Materials近期較受矚目，已獲得三星SDI、Dyson、萬(wàn)向123等投資。國(guó)內(nèi)如CATL、珈偉股份也取得一定進(jìn)展。
（2）氧化物路徑：薄膜型以LiPON為電解質(zhì)，受制于容量，主要應(yīng)用于微型電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域；非薄膜型氧化物包括LLZO、LATP、LLTO等，國(guó)內(nèi)如輝能、清陶、衛(wèi)藍(lán)等企業(yè)有一定進(jìn)展，并嘗試打開(kāi)消費(fèi)電子市場(chǎng)。
（3）硫化物路徑：由于硫化物潛力最大，鋰電巨頭（CATL、SDI、SKI、LG、松下）紛紛選擇以其為主要技術(shù)路徑。然而其開(kāi)發(fā)難度最大，進(jìn)展并不順利。投入最大的是豐田，早在2008年就開(kāi)始研發(fā)，目前計(jì)劃于2022年推出固態(tài)電池車型，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
固態(tài)電池的發(fā)展技術(shù)路線，從電解質(zhì)的角度會(huì)從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合，到固態(tài)，最后到全固態(tài)。負(fù)極會(huì)從石墨負(fù)極、硅碳負(fù)極，最后有可能到達(dá)金屬鋰負(fù)極，但目前無(wú)法確認(rèn)。
由于各種技術(shù)路線依然處于研發(fā)階段，各有利弊，目前尚無(wú)法判斷，排序及定論其優(yōu)劣。全固態(tài)鋰電池，由于技術(shù)(導(dǎo)電性能差，充電時(shí)間長(zhǎng))，經(jīng)濟(jì)成本高，加工困難等原因，2025-2030年依然難以取代鋰離子電池市場(chǎng)。
中國(guó)粉體網(wǎng)記者：請(qǐng)問(wèn)張教授，您認(rèn)為，固態(tài)鋰電池大規(guī)模取代傳統(tǒng)的液態(tài)電池還需多久？在此之前，還需要克服哪些挑戰(zhàn)？
張教授：為什么有人說(shuō)馬上量產(chǎn)，有人卻說(shuō)需要10-20年？目前市面上宣傳的那些量產(chǎn)的“固態(tài)電池”，并不是全固態(tài)電池，而是一種“混合固液電解質(zhì)鋰電池”系列(半固態(tài)電池)。半固態(tài)電池，通常是一側(cè)電極采用固態(tài)電解質(zhì)，而另一側(cè)電極仍用液態(tài)電解質(zhì)。嘗試半固態(tài)電池的，很多是出于快速商業(yè)應(yīng)用的考慮，比如豐田將目標(biāo)定于研發(fā)電車用的全固態(tài)電池，但也表示會(huì)從 “半固態(tài)電池” 開(kāi)始逐步進(jìn)入市場(chǎng)。而C公司所說(shuō)的量產(chǎn)需要十年，指的是全固態(tài)電池，這是電池的終極目標(biāo)。關(guān)于固態(tài)電池的具體量產(chǎn)時(shí)間，行業(yè)預(yù)計(jì)2025年半固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，全固態(tài)到2030年前后有一定突破。
一方面現(xiàn)在半固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)主要在于安全性，能量密度和快充性能仍需要時(shí)間來(lái)研發(fā)突破。另一方面固態(tài)電池的上下游供應(yīng)鏈尚未完全確定，大多仍沿用原先正負(fù)極供應(yīng)商。同時(shí)全固態(tài)電池的技術(shù)，仍然有很多基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題尚未解決，量產(chǎn)時(shí)間會(huì)在半固態(tài)電池之后的5-15年。
要解決電池的能量密度問(wèn)題，消滅里程焦慮，最后的方案是固態(tài)電池。雖然固態(tài)電池有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于成本高、產(chǎn)能低，一直遲遲未得到普及。固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)程可能沒(méi)有大家想的那么快，2019年C公司就表示，正在進(jìn)行全固態(tài)電池的研發(fā)工作，也制作出了樣品，但是要完全商品化還需要10年時(shí)間，也就是說(shuō)離量產(chǎn)還很遠(yuǎn)。每一次電池技術(shù)變革，都是一次產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的機(jī)會(huì)。固態(tài)電池技術(shù)將持續(xù)進(jìn)步，在不久的將來(lái)為新能源的發(fā)展書(shū)寫(xiě)更輝煌的篇章。
全固態(tài)鋰電池，由于技術(shù)(導(dǎo)電性能差，充電時(shí)間長(zhǎng))，經(jīng)濟(jì)成本高，加工困難等原因，2025-2030年依然難以取代鋰離子電池市場(chǎng)。
1) 固態(tài)鋰電池已進(jìn)入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機(jī)構(gòu)都在開(kāi)發(fā)固態(tài)鋰電池。包括韓國(guó)三星、日本豐田和我國(guó)C公司在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入。
2) 長(zhǎng)期使用時(shí)穩(wěn)定性不理想也是長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。固態(tài)電池在服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)與界面會(huì)隨時(shí)間發(fā)生退化，但退化對(duì)電池綜合性能的影響機(jī)制尚不明確，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效應(yīng)用。
3) 只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問(wèn)題，才能開(kāi)展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。目前，各種新技術(shù)“百家爭(zhēng)鳴”，一些固態(tài)電池技術(shù)有了最新突破。
4) 已有部分電池進(jìn)入裝車測(cè)試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問(wèn)題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。
5) 對(duì)全固態(tài)電池來(lái)講，我們認(rèn)為整個(gè)電池規(guī)�；苽溲b備是亟待突破的，國(guó)內(nèi)在這一塊還是有所欠缺的，這一塊我相信對(duì)很多設(shè)備企業(yè)是一個(gè)機(jī)遇。
總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些，在產(chǎn)業(yè)化方面，因?yàn)橐恍╆P(guān)鍵技術(shù)涉及到各個(gè)企業(yè)核心技術(shù)而無(wú)法獲取，導(dǎo)致基于工程化應(yīng)用方面的技術(shù)還是需要進(jìn)行進(jìn)一步探究。
中國(guó)粉體網(wǎng)記者：張教授，您是怎樣看未來(lái)固態(tài)電池的發(fā)展方向？
張教授：總而言之，世界正在努力達(dá)到碳中和(2060)及節(jié)能減排的要求，新能源電池市場(chǎng)將從GWH邁入TWH時(shí)代，未來(lái)產(chǎn)業(yè)界需要擴(kuò)大原材料，市場(chǎng)需要擴(kuò)大各種各樣的改良的液態(tài)鋰電池，半固態(tài)電池，以及全固態(tài)電池的生產(chǎn)，以便滿足不同層次市場(chǎng)客戶的需求。任何一種電池包括固態(tài)電池，不可能一統(tǒng)天下。
通過(guò)上述分析，產(chǎn)業(yè)界通常認(rèn)為未來(lái)二十年，傳統(tǒng)液態(tài)電池包括半固態(tài)電池具有良好發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用戶應(yīng)用市場(chǎng)基礎(chǔ)，依然會(huì)保持其市場(chǎng)的盟主地位。乘用車以三元材料及磷酸鐵鋰電池平分秋色為主，大巴及重型卡車朝著氫燃料電池方向發(fā)展。鋰電池的形狀將逐步過(guò)渡到以大容量的方型鋁殼和軟包為主，方便CTP形式的PACK無(wú)模組電源。以便減少重量，體積和成本，且大幅增加汽車的安全性能，提高能量密度和續(xù)航里程。
未來(lái)二十年固態(tài)電池新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)：
2021-2025年是固態(tài)電池起步年，固態(tài)電池在產(chǎn)品及設(shè)備大型化，量產(chǎn)及降低成本方面，在開(kāi)拓市場(chǎng)應(yīng)用方面，在商業(yè)化運(yùn)作方面還有許多大山要跨越。
2021-2025年滿足車用技術(shù)要求的固態(tài)電池小批量面世，部分主機(jī)廠會(huì)率先搭載應(yīng)用研究；
2022年將成為固態(tài)電池元年，固態(tài)電池比能量達(dá)到290Wh/kg，接近高鎳三元體系，但安全性非常好，即2022年會(huì)開(kāi)始小批量應(yīng)用；
2022-2030年則進(jìn)入市場(chǎng)培育期，電池能量密度從300Wh/kg達(dá)到400Wh/kg，屆時(shí)普通的純電動(dòng)轎車的里程達(dá)到300-500公里，這期間固態(tài)電池會(huì)獲得一部分車用電池市場(chǎng)；
2035年步入市場(chǎng)成熟期，預(yù)計(jì)固態(tài)電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，單體電池比能量有望沖擊500Wh/Kg，常規(guī)的性價(jià)比車型應(yīng)該可以達(dá)到500公里。固態(tài)電池占車用電池市場(chǎng)主流，和車用燃料電池共存。
中國(guó)粉體網(wǎng)記者：張教授，請(qǐng)問(wèn)您目前的主要研究方向是什么？近年來(lái)，有哪些研究成果？
張教授：我本人海外團(tuán)隊(duì)研發(fā)生產(chǎn)“混合固液電解質(zhì)鋰電池”系列半固態(tài)聚合物大容量軟包電池，具有安全，體積小，重量輕，成本低，裝車簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。主要的成果就是將材料，設(shè)備及生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化了。試生產(chǎn)克服了工程及量產(chǎn)化方面的問(wèn)題，目前處于尋找合作及商業(yè)化應(yīng)用階段。中南大學(xué)校友們也有涉及鋰硫電池(李劼，賴延清，陳康華教授)，氧化物固態(tài)電池(陳偉東，比亞迪)方面的團(tuán)隊(duì)。國(guó)內(nèi)企業(yè)在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化方面已經(jīng)超過(guò)海外公司了。我們十分期待與國(guó)內(nèi)外同行的專家學(xué)者和企業(yè)一起交流合作，共同推進(jìn)新能源事業(yè)發(fā)展。謝謝大家的支持和鼓勵(lì)。
中國(guó)粉體網(wǎng)記者：感謝張教授接受我們的專訪。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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