固態電池持續升溫、正極材料取得突破 歐陽明高詳解動力電池技術新進展
電池性能的提升、技術路線的選擇，一直是新能源汽車行業關注的焦點。日前，在中國電動汽車百人會舉辦的熱點問題交流會上，中國科學院院士、清華大學汽車工程系教授、中國電動汽車百人會執行副理事長歐陽明高對外介紹了動力電池的技術進展與發展趨勢。
歐陽明高重點提到，當前固態電池的研發和產業化正在持續升溫，但受到固/固界面穩定性和金屬鋰負極可充性兩大問題的制約，真正的全固態鋰金屬負極電池還沒有成熟；與此同時，作為新型電池的鋰硫、鋰空氣電池，目前進展相對緩慢，而我國基於高容量富鋰正極和高容量硅碳負極的革新型鋰離子電池方面則取得了一些突破。此外，他還談到，至2020年，鋰離子動力電池有望實現300Wh/kg的目標，目前國內外相關技術研發基本處於同一水平。
■固態電池「進展最大、最多」
固態電池無疑是2017年全球電池領域最熱的一個技術名詞，由於這一領域「年度進展最大、技術進展多」，成為歐陽明高的重點介紹對象。
歐陽明高介紹說：「『全固態』與『固態』不一樣，『鋰電池』和『鋰離子電池』也不是一個概念。全固態鋰電池，這個詞每一個字都不能少、不能變。所謂『全固態鋰電池』是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態，不含任何液態組分的鋰電池，所以全稱是『全固態電解質鋰電池』。根據是否能反覆充放，它可進一步細分成全固態鋰一次電池和全固態鋰二次電池，而根據負極是否直接使用金屬鋰為活性物質，全固態鋰二次電池又分成全固態鋰離子電池和全固態金屬鋰電池，前者的負極採用石墨或硅、錫等合金化反應材料為負極，後者的負極用的是鋰金屬，而我們現在使用的負極材料主要是碳、硅碳或者鈦酸鋰。」
雖屬前沿技術，但全固態鋰電池概念比鋰離子電池出現得更早，國內已有多家研究機構和產業單位投入到前者的研發中。據歐陽明高介紹，中科院青島能源所開發的聚合物固態電池，能量密度達到300Wh/kg；中科院寧波材料所開發的無機固態鋰電池，能量密度達到240Wh/kg，此外，該機構正與贛鋒鋰業合作推進其產業化，產品計劃2019年量產。
全固態鋰電池之所以在業界受到廣泛關注，主要是因為它有望解決目前困擾行業發展的兩大關鍵問題，即可提高產品的安全性和能量密度。
對此，歐陽明高表示：「全固態鋰電池有幾個潛在的技術優勢。第一是安全性高，因為採用高熱穩定性的固態電解質，代替了易燃的常規有機溶劑電解質，避免引發電解液燃燒問題；第二，能量密度高，由於金屬鋰的超高容量，基於相同正極時，固態金屬鋰電池與常規液態鋰離子電池相比，能量密度將大幅提升；第三，正極材料選擇的範圍寬，因為負極是鋰金屬，正極不含鋰也可以採用；第四，系統比能量高，由於電解質無流動性，可方便地通過內串聯組成高電壓單體，利於電池系統成組效率和能量密度的提高。」
■正極材料技術取得突破
不過，全固態鋰電池目前的主要技術難點還沒有被攻克。據歐陽明高介紹，一是固態電解質材料的離子電導率偏低，目前固體電解質的研究主要集中於三大類材料，即聚合物、氧化物、硫化物，它們的電導率均低於常規液態電解質；二是固/固界面接觸性和穩定性差，主要由於固體電解質缺乏柔韌性和流動性，固體電解質/電極間界面阻抗大，界面相容性差，同時充放電過程中材料的體積變化還易導致界面分離；三是金屬鋰的可充性較差，金屬鋰在液態電解液中反覆充放電時易出現粉化、枝晶生長等問題，枝晶生長造成的電池短路還可能引發安全事故；四是製造成本偏高，製備工藝複雜，且固體電解質成本較高。正是受制於以上問題，真正意義上的全固態金屬鋰電池技術並未成熟，還存在不確定性。他表示，目前展現出或者有突破、有性能優勢和產業化前景的主要是固態鋰離子電池。
國際上，固態鋰電池的研究也正在持續升溫，關於固態鋰電池技術的國外發展動態是：美國、歐洲、日本、韓國都在投入，但各個國家發展狀態則不太一樣。歐陽明高稱：「美國以小公司、創業型公司為主，比如S-akit3、Solid—State兩家公司，立足於顛覆性技術；日本以豐田為主，基本上是研究固態鋰離子電池，將在2022年實現商品化，所以在日本並沒有顛覆性研究，大部分採用石墨類負極，並非金屬鋰負極；韓國也是採用石墨類負極，這與日本的情況類似。」
目前，作為前沿技術的固態電池技術，尚不具備產業化發展條件。會上，歐陽明高還介紹了國內動力電池的另一主要技術進展。
2025年單體電池要達到的技術目標是比能量400Wh/kg，這就需要研究機構和企業在正極材料方面做出改進。「目前可選的正極有好幾種，現在新能源汽車重點專項取得突破性進展的是高容量富鋰錳基正極材料，有兩個單位承擔了前沿基礎項目，一個是（中科院）物理所，他們改善了富鋰錳基正極循環的電壓衰減，達到了100周後電壓衰減降至2％以內的指標，應該說這是一個重大進展。另外一個是北京大學的團隊，首次研製出比容量400mAh/g的富鋰錳基正極，對於達到400Wh/kg的目標應該是沒有問題的，甚至可能更高。」歐陽明高表示。
■對發展趨勢有了新預判
單體電池在2020年的技術目標是300Wh/kg。目前，在新能源汽車專項中，寧德時代、天津力神、合肥國軒基本上採用了大同小異的技術路線，即正極材料採用高鎳三元，負極材料採用硅碳負極。歐陽明高介紹說：「三個團隊中，寧德時代能量密度達到304Wh/kg，循環壽命基本上在1000次左右，安全性也通過全部測試；力神和國軒的產品循環壽命和能量密度也差不多，目前的技術指標已接近應用要求，也就是說2020年要實現產業化的300Wh/kg單體電池取得了實質性突破。」
根據以上研發進展，國家「863」計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組對動力電池的發展趨勢作了一個新的預判（不作為國家電池技術路線圖的依據）。其中，有幾個關鍵的時間節點值得注意。
比如，2020年，單體電池比能量要達到300Wh/kg、比功率1000Wh/kg，循環1000次以上，成本降至0.8元/Wh。再比如，到2025年，正極材料方面會進一步提升性能，比如採用富鋰錳基材料，屆時，單體電池比能量要達到400Wh/kg、比功率1300Wh/kg，循環2000次以上，成本降至0.6元/Wh以內。歐陽明高表示，屆時常規性價比的純電動轎車，合理續駛里程為300～400公里。
此外，到2030年，電解質方面取得突破也被寄予希望，也就是固態電池將會規模產業化。歐陽明高表示，電池單體比能量有望衝擊500Wh/kg，與此同時，常規性價比車型的續駛里程將達到500公里以上。
（編輯：龐國霞）
