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2024百人會(huì)|中國(guó)電科肖成偉:全固態(tài)電池的發(fā)展趨勢(shì)

作者:森林 2024-03-18 19:06:10 來(lái)源:新能源汽車網(wǎng)

  2024年3月15日,中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇(2024)在京開幕。圍繞“鞏固和擴(kuò)大新能源汽車發(fā)展優(yōu)勢(shì)”這一核心議題,中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇(2024)將舉辦1場(chǎng)高層論壇、1場(chǎng)國(guó)際論壇、2場(chǎng)閉門會(huì)議、10場(chǎng)主題論壇,全面強(qiáng)化高端前瞻、全球視野、跨界融合的論壇特色。

  在3月17日上午舉行的動(dòng)力電池論壇上,中國(guó)電子科技集團(tuán)第十八研究所研究員肖成偉發(fā)表了演講。

中國(guó)電科肖成偉

  中國(guó)電子科技集團(tuán)第十八研究所研究員肖成偉

  以下為演講實(shí)錄:

  尊敬的陳院士、楊院士、孫院士,各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位業(yè)界同仁,大家上午好!

  很高興受百人會(huì)的邀請(qǐng)來(lái)參加動(dòng)力電池論壇活動(dòng),剛才孫院士把全固態(tài)電池?zé)o論從趨勢(shì)還是具體的技術(shù)路線等等各個(gè)方面都做了深入的闡述,我想對(duì)于在座的各位做全固態(tài)電池的研究會(huì)提供一些新的思路和參考。

  昨天參會(huì)的各位領(lǐng)導(dǎo)和專家對(duì)全固態(tài)電池也發(fā)表了很好的指導(dǎo)性意見,無(wú)論從技術(shù)方面還是產(chǎn)業(yè)方面,我這塊內(nèi)容還是趨勢(shì)性的內(nèi)容為主,給大家做基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化提供一些參考的意見。

  分享三方面:

  一、新能源汽車和動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀

  世界主要的汽車強(qiáng)國(guó)紛紛發(fā)布跟新能源汽車相關(guān)的一些政策和規(guī)劃,新能源汽車產(chǎn)業(yè)尤其在高新技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常重要的一塊內(nèi)容,這樣一個(gè)前提下,新能源汽車在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展。2023年全球的新能源汽車銷量突破1400萬(wàn)輛,市占率快速增長(zhǎng)到16%。在中國(guó)尤其在前期補(bǔ)貼政策的支持下,包括一些科研項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的引導(dǎo)下,無(wú)論是整車還是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,2023年接近950萬(wàn)輛銷量,市占率31.6%,連續(xù)九年我們的汽車銷量超過(guò)了全球50%的比例,連續(xù)九年處于全球第一位。動(dòng)力電池銷量在2023年接近380GWh,世界前十名排名的企業(yè)里面有六家是中國(guó)的電池企業(yè),也培養(yǎng)了像寧德時(shí)代和比亞迪世界級(jí)的電池企業(yè)。

  從產(chǎn)能規(guī)模來(lái)看,到2035年,中國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)能達(dá)到全球接近70%的比例,對(duì)全球的新能源汽車發(fā)展會(huì)提供強(qiáng)力的支撐。

  二、中國(guó)涉及動(dòng)力電池的相關(guān)國(guó)家規(guī)劃、研發(fā)計(jì)劃

  中國(guó)政府發(fā)布了很多國(guó)家的規(guī)劃,包括一些研究的計(jì)劃,這里面都涉及到動(dòng)力電池的內(nèi)容。從這里來(lái)看,尤其從“十四五”期間,動(dòng)力電池還是從產(chǎn)業(yè)化、基礎(chǔ)研究等等方面進(jìn)行了一些布局,現(xiàn)在我們的量產(chǎn)鋰電子電池的能量密度達(dá)到400Wh/kg,以固液混合和全固態(tài)為主,新型的鋰離子電池方面再做進(jìn)一步支持,能量密度設(shè)定在500Wh/kg,新體系電池能量密度600Wh/kg,包括全固態(tài)鋰金屬二次電池,加快固態(tài)動(dòng)力電池的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的工作。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)的鋰離子電池的水平,三元的鋰離子電池,無(wú)論大方形、圓柱,包括軟包,包括大容量的方形等等。能量密度高的可以做到300Wh/kg,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)和在車上的配套。做大圓柱的無(wú)論4680、4695等,現(xiàn)在做的能量密度基本上可以達(dá)到200Wh/kg左右的水平,也實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),也處于配套的批量爬坡過(guò)程。

  磷酸鐵鋰,無(wú)論是長(zhǎng)刀、短刀(片電池)為代表,通過(guò)扁平化的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的疊片工藝,提高了電池內(nèi)部體積的利用率,150Ah的電池做到190Wh/kg,體積能量密度到了410Wh/L的水平。系統(tǒng)集成的角度,進(jìn)一步提高電池包的能量密度,無(wú)論通過(guò)CTB、CTC、CTP的方式,如寧德時(shí)代發(fā)布的CTP3.0可以做到255Wh/kg的電池系統(tǒng)能量密度,對(duì)電芯來(lái)說(shuō),前面講了基本可以做到300Wh/kg多一些的水平才能達(dá)到這樣一個(gè)系統(tǒng)的能量密度。能量和價(jià)格的趨勢(shì)來(lái)看,十年來(lái)能量密度快速提升,價(jià)格也是處于快速下降的階段。目前來(lái)說(shuō),磷酸鐵鋰190Wh/kg,它的價(jià)格基本降到0.4元/Wh,三元300Wh/kg的最高水平,實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),它的價(jià)格現(xiàn)在基本在0.5元/Wh左右的水平。

  從發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看,磷酸鹽這條技術(shù)路線還會(huì)持續(xù)做一些技術(shù)提升,后面我們用磷酸錳鐵鋰無(wú)論與三元還是與富鋰復(fù)合,并跟石墨做匹配的話,基本可以做到240Wh/kg,國(guó)內(nèi)很多電池系統(tǒng)在做相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)的推廣。中鎳三元高電壓的,做到270Wh/kg,現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和批量配套。高鎳三元鋰電池,可以做到300Wh/kg左右的水平,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和批量配套。這些都是液態(tài)的,下一步固液混合和全固態(tài)電池,現(xiàn)在360Wh/kg固液混合實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)和批量配套。下一步要去做400Wh/kg固液混合和400Wh/kg或者800Wh/L的全固態(tài)電池。再往后,做全固態(tài)500-600Wh/kg以上,以基礎(chǔ)研究為主。

  三、全固態(tài)電池的發(fā)展趨勢(shì)

  為什么要發(fā)展全固態(tài)電池?第一,通過(guò)用固態(tài)電解質(zhì)替代有機(jī)電解液,可顯著提高鋰電池的安全性。第二,基于固態(tài)電解質(zhì)的高穩(wěn)定性,有利于兼容更高電壓的正極材料以及更高比容量的含鋰負(fù)極材料,可進(jìn)一步提升鋰電池的能量密度。在這樣一個(gè)前提下發(fā)展全固態(tài)電池,固液混合電池現(xiàn)在很多的企業(yè)在做相應(yīng)的開發(fā)和產(chǎn)品的推廣,跟我們現(xiàn)有的液態(tài)產(chǎn)線做比較好的兼容,全固態(tài)電池涉及到無(wú)論是我們的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,還是產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。固固界面和穩(wěn)定化是比較基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題,電池工藝放大尤其是大容量的電芯現(xiàn)在還有很多技術(shù)難題,當(dāng)然現(xiàn)在還有固態(tài)電解液成本高的問(wèn)題,隨之而來(lái)帶來(lái)電池成本高的問(wèn)題,需要我們?nèi)ッ鎸?duì)解決。

  我們做的固液混合電解質(zhì)體系,清陶開發(fā)116Ah固液混合電池,能量密度368Wh/kg,循環(huán)800次,安全性通過(guò)針刺、擠壓、過(guò)充等等測(cè)試,具備量產(chǎn)配套能力。今年在上汽一些車型里面會(huì)實(shí)現(xiàn)批量配套的應(yīng)用。

  衛(wèi)藍(lán)固液混合電解質(zhì)體系,這些電解質(zhì)體系基本還是以用氧化物為主,采取原位聚合的技術(shù)路線,衛(wèi)藍(lán)開發(fā)110Ah固液混合電池,能量密度做到360Wh/kg,循環(huán)800次左右,通過(guò)熱箱、過(guò)充、擠壓、短路等等安全性測(cè)試,具備了量產(chǎn)配套能力。

  浙江鋒鋰固液混合體系,現(xiàn)在它的240Wh/kg電池產(chǎn)品已經(jīng)在東風(fēng)車型里面實(shí)現(xiàn)了批量配套和應(yīng)用,下一代開發(fā)400Wh/kg固液混合體系,正極采用高鎳三元,負(fù)極采用鋰金屬?gòu)?fù)合的技術(shù)路線,現(xiàn)在在開發(fā)和量產(chǎn)準(zhǔn)備的過(guò)程中。

  中電科藍(lán)天做的固液混合電池采用高鎳三元材料,通過(guò)納米無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)包覆三元正極材料來(lái)提高正極的安全性,開發(fā)不燃特性固態(tài)凝膠電解質(zhì),做的電池81Ah容量,比能量350Wh/kg,循環(huán)做到1200次的水平。

  對(duì)全固態(tài)電池來(lái)說(shuō)是下一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn),像日本、歐盟、美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)都紛紛發(fā)布了相應(yīng)的規(guī)劃,在共性產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面,中國(guó)還是采用產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新聯(lián)合體的形式來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的支持,而前瞻性的技術(shù)研發(fā)主要是以高校和科研院所為主。在全球范圍內(nèi)全固態(tài)電池形成了研發(fā)的熱點(diǎn)。

  前面孫院士講了一下,我們對(duì)固態(tài)電解質(zhì)以氧化物、硫化物、鹵化物和聚合物四類為主。從現(xiàn)在研發(fā)的熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)來(lái)看,電解質(zhì)角度來(lái)看,一類是硫化物,一類是聚合物復(fù)合的電解質(zhì)。

  從正極材料角度來(lái)看,超高鎳或者富鋰錳基,負(fù)極以硅基、鋰金屬或者無(wú)鋰負(fù)極,現(xiàn)在三星宣布要采用無(wú)鋰負(fù)極方式來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在這里面會(huì)涉及到很多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題,我們材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、膨脹、界面接觸、鋰枝晶生長(zhǎng)等等,需要我們做深入的基礎(chǔ)研究。從電池的安全角度來(lái)看,安全性有了一個(gè)大幅提升,但是并不等于是絕對(duì)安全的,有鋰枝晶的問(wèn)題,也存在著熱失控的風(fēng)險(xiǎn),會(huì)對(duì)電池?zé)崾Э仡A(yù)警,包括電池系統(tǒng)的熱擴(kuò)散防控做很多的工作。

  從電池系統(tǒng)集成的角度來(lái)說(shuō),現(xiàn)在全固態(tài)電池基本上還是以軟包為主,需要從外部加一個(gè)比較大的束縛力,現(xiàn)在基本做到20—30個(gè)大氣壓,甚至還要高一些。后面我們希望通過(guò)一些技術(shù)的創(chuàng)新能夠把約束力盡可能降低,是不是可以接近液態(tài)的水平,這個(gè)也需要我們做進(jìn)一步的研究和攻關(guān)。

  從生產(chǎn)的角度,全固態(tài)電池可以做成內(nèi)串的形式,外部結(jié)構(gòu)采用疊片+軟包的形式,我們可以外加比較大的約束力,來(lái)保證界面的接觸,來(lái)提高它的循環(huán)性。再有一個(gè),我們也可以沿用現(xiàn)在的濕法工藝來(lái)進(jìn)行全固態(tài)電池的生產(chǎn),跟現(xiàn)在產(chǎn)線的兼容度基本可以接近70%的水平。干法的兼容度比較低一些,要做一些設(shè)備的定制開發(fā),正負(fù)極和電解質(zhì)膜生產(chǎn)設(shè)備等等。成本目前來(lái)說(shuō)還是比較高的,材料成本1.5—2.5元/Wh,未來(lái)我們的目標(biāo)看看是不是可以降到0.8元/Wh以下。

  全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì),理想情形下,在2027年要做到400Wh/kg,1000次的循環(huán),2C的倍率性能,實(shí)現(xiàn)百輛到千輛級(jí)別的示范運(yùn)營(yíng)。根據(jù)運(yùn)營(yíng)的情況,我們做一些技術(shù)的迭代提升,包括整車設(shè)計(jì)的改進(jìn)。2030年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池和搭載車輛的小規(guī)模量產(chǎn),2035年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池大規(guī)模量產(chǎn),并實(shí)現(xiàn)普遍的使用。

  在這個(gè)基礎(chǔ)上,500-700Wh/kg全固態(tài)電池的研究工作也要跟進(jìn),在400Wh/kg的基礎(chǔ)上隨著一些新的技術(shù)做相應(yīng)的應(yīng)用。

  有幾個(gè)典型的企業(yè),一個(gè)是豐田采用了濕法工藝開發(fā)的小容量電池,在混合動(dòng)力車(HEV)里面現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了比較好的驗(yàn)證。2027、2028年要挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池在純電動(dòng)車型里面的應(yīng)用。有新聞報(bào)道,延伸到2030年投入應(yīng)用。

  三星在發(fā)論文的角度做到400Wh/kg、900Wh/L,3月份的韓國(guó)電池產(chǎn)展提出量產(chǎn)的方案,高鎳的正極材料、硫化物電解質(zhì)和無(wú)鋰負(fù)極,以900Wh/L為目標(biāo),它的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度希望2027年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),這個(gè)還是非常有挑戰(zhàn)性。

  在科技部的支持下我們進(jìn)行全固態(tài)電池的研究工作,氫能所承擔(dān)了全固態(tài)電池的研究項(xiàng)目,采用了聚合物和硫化物復(fù)合的電解質(zhì)體系,采用原位聚合的方案,電芯能量密度做到350Wh/kg、循環(huán)500次,通過(guò)針刺等相關(guān)國(guó)家安全項(xiàng)目的測(cè)試,完成裝車的示范應(yīng)用。

  同時(shí),在新體系電池方面,在液態(tài)基礎(chǔ)上做固態(tài)化,像鈉離子電池中科海鈉做的儲(chǔ)能領(lǐng)域的固態(tài)電池研究結(jié)果,高面容量正極、耐高壓固體電解質(zhì)、長(zhǎng)壽命軟包全固態(tài)鈉電池的研究工作,循環(huán)次數(shù)做到1500次左右的水平。現(xiàn)在我們用在汽車領(lǐng)域的希望能夠做到180Wh/kg的水平,現(xiàn)在有的企業(yè)已經(jīng)做了相應(yīng)的儲(chǔ)備,在一些報(bào)告里面也提出來(lái)研究的結(jié)果,甚至產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。下一面要挑戰(zhàn)的還是以固態(tài)作為主要的研究方向,采用復(fù)合的固態(tài)電解質(zhì),用鈉合金的負(fù)極氧化物的正極,我們預(yù)測(cè)比能量做到200Wh/kg以上,循環(huán)壽命做到5000次以上,如果能達(dá)到這樣一個(gè)水平,可以在電動(dòng)汽車領(lǐng)域里面有比較好的應(yīng)用。

  鋰硫電池以液態(tài)為主,也是科技部支持的研究數(shù)據(jù),我們現(xiàn)在也在做固態(tài)鋰硫電池相應(yīng)的研究工作。我們發(fā)展的態(tài)勢(shì),用復(fù)合的硫正極,鋰金屬或者合金類的負(fù)極,硫化物的氧化物的固態(tài)電解質(zhì),質(zhì)量能量密度預(yù)計(jì)能夠達(dá)到500Wh/kg,體積能量密度做到800Wh/L,壽命可以做到600次的水平。

  鋰氧、鋰空氣電池以基礎(chǔ)研究為主,基于原位凝膠化電解質(zhì)構(gòu)筑的固態(tài)鋰氧電池能量密度可達(dá)到620Wh/kg,可穩(wěn)定循環(huán)50次左右。下一步以固態(tài)鋰空氣電池為主要的研究方向開展可在真實(shí)空氣環(huán)境運(yùn)行的固態(tài)鋰空氣電池的研究工作,開發(fā)在空氣里面穩(wěn)定運(yùn)行的固態(tài)鋰空氣電池,能量密度達(dá)到800Wh/kg,循環(huán)壽命做到200次。

  同時(shí),國(guó)家布局了高比能固態(tài)電池相關(guān)的研究工作,從固液混合到全固態(tài),到新型的鋰離子電池。在這里面基礎(chǔ)研究的鋰金屬二次電池能量密度做到600Wh/kg,新體系電池下一代的鋰離子電池做到500Wh/kg,再有一個(gè),我們的固液混合做到400Wh/kg,全固態(tài)做到800Wh/L的水平,也要實(shí)現(xiàn)百輛級(jí)的配套應(yīng)用。

  后面再做一個(gè)路線圖內(nèi)容的宣傳,希望在座各位如果感興趣的話可以參與到這個(gè)工作里面。這塊工作是汽車工程學(xué)會(huì)做的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖3.0版動(dòng)力電池子路線圖,從六個(gè)方向來(lái)做路線圖的制定工作,包括:關(guān)鍵材料;動(dòng)力電池;系統(tǒng)集成;電池制造、回收及再利用;研發(fā)工具、測(cè)試評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)體系;全生命周期碳足跡和碳排放相應(yīng)的研究。全固態(tài)電池是重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容之一,要探索全固態(tài)電池的發(fā)展技術(shù)路線,來(lái)提出我們的科學(xué)問(wèn)題、工程化問(wèn)題和產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題,給國(guó)家各個(gè)部委提出一些政策的意見和發(fā)展方向的建議。同時(shí),要提出保障的意見,供政府部門做相應(yīng)的參考。

  最后做一個(gè)小結(jié),全固態(tài)電池現(xiàn)在是革命性的工作,從全球范圍內(nèi)來(lái)看是新一輪電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn),希望業(yè)內(nèi)的專家和企業(yè)家能夠群策群力,協(xié)同攻關(guān),推動(dòng)全固態(tài)電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,為全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供中國(guó)智慧和中國(guó)力量。

  謝謝大家!

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