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電動汽車安全問題始終是消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在電池?zé)崾Э剡^程中，電解液發(fā)揮了很大的助推作用，且當(dāng)前液態(tài)電池能量密度和成本均已逼近“天花板”。如果將液體的電解液替換成固態(tài)的電解質(zhì)，能從根源上解決安全問題，同時(shí)電池的穩(wěn)定性也將更好、壽命更長。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，固態(tài)電池是動力電池未來的發(fā)展趨勢。
然而，盡管市場對固態(tài)電池抱有極高期待，但距離車載應(yīng)用還有一定距離。北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技公司副總經(jīng)理向晉呼吁，固態(tài)電池應(yīng)盡快完善頂層設(shè)計(jì)，對電池尺寸、性能測試、安全指標(biāo)等內(nèi)容開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，提前搭建起標(biāo)準(zhǔn)體系，以推動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
“解決安全問題的根本途徑”
采用有機(jī)電解液的鋰離子電池，在過度充電、內(nèi)部微短路等異常情況下，電解液極易發(fā)熱、分解、脹氣，帶來安全隱患，進(jìn)而燃燒甚至爆炸。
為解決安全問題，業(yè)界一直想方設(shè)法攻關(guān)。比如，在電解液中添加諸多添加劑，在高分子隔膜表面涂覆氧化鋁陶瓷涂覆層，選擇更安全的正極材料等。在江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司副總裁劉明看來，上述解決方法只能局部緩解問題，而全固態(tài)電化學(xué)儲能器件，以固態(tài)電解質(zhì)替代有機(jī)電解液，才是解決安全問題的根本途徑。
對此，蘇州清陶新能源科技有限公司總經(jīng)理何泓材介紹，固態(tài)電解質(zhì)不可燃、穩(wěn)定性好、力學(xué)強(qiáng)度高，從材料本質(zhì)上提升了電池安全，同時(shí)，正負(fù)極材料的選擇非常靈活，可以選擇高容量高電壓材料，顯著提升電池能量密度。此外，固態(tài)電池工業(yè)簡單，材料成本更低，且可以縮減電池包安全防護(hù)冗余設(shè)計(jì)、簡化溫控系統(tǒng)，系統(tǒng)地降低成本。
事實(shí)上，固態(tài)電池并不是一個(gè)全新概念。“大家耳機(jī)所使用的微型鋰電池，就是一個(gè)固態(tài)電池。”在中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心主任溫兆銀看來，固態(tài)鋰電池很早就已進(jìn)入市場，只是與現(xiàn)在動力電池追求的體系有所不同。
何泓材進(jìn)一步介紹，早在上世紀(jì)70年代就出現(xiàn)了固態(tài)電池，1991年左右固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。“只不過那時(shí)候是以薄膜電池形態(tài)出現(xiàn)。”在他看來，全固態(tài)薄膜電池具有原子級別的完美界面，里面的正極和電解質(zhì)膜都是近乎致密無缺陷的狀態(tài)，通過薄膜化方式可以解決電極層內(nèi)部鋰離子和電子傳輸問題。當(dāng)然，全固態(tài)薄膜電池也存在缺點(diǎn)：容量小，成本高。不過，全固態(tài)薄膜電池的商業(yè)應(yīng)用，證明了固態(tài)電池技術(shù)的可行性。
在業(yè)內(nèi)人士看來，當(dāng)前350wh/kg已經(jīng)接近液態(tài)電池能量密度的極限，未來電池能量密度要進(jìn)一步提升至500wh/kg，乃至600wh/kg，固態(tài)電池具有明顯優(yōu)勢，將成為行業(yè)未來的發(fā)展方向。
“全固態(tài)電池5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用”
記者注意到，固態(tài)電池是當(dāng)前行業(yè)研究的熱點(diǎn)。中國、日本、韓國、歐洲、美國等國家和地區(qū)都有所布局，也受到豐田、大眾、寶馬等車企的追捧。臺灣輝能科技、蘇州清陶、北京衛(wèi)藍(lán)新能源等公司更是在固態(tài)電池研發(fā)上走在了世界前列。
固態(tài)電池的根本特征在于用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解液。實(shí)現(xiàn)完全替代的全固態(tài)電池，目前還處于小規(guī)模試制階段。目前討論較多的固態(tài)電池，更多是指半固態(tài)電池、準(zhǔn)固態(tài)電池或固液混合電池。
向晉坦言，固態(tài)電池技術(shù)，尤其是全固態(tài)電池技術(shù)還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括固界面問題、高性能電池材料開發(fā)及工程化問題，尚未形成規(guī)?；脑牧虾彤a(chǎn)業(yè)制造體系、成本相對較高也影響了固態(tài)電池的量產(chǎn)。
“大家在固態(tài)電池上做了很多工作。但到目前為止，固態(tài)電池還不能滿足混合動力或電動汽車的要求。”何泓材介紹，固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解液，其技術(shù)核心和壁壘是材料的創(chuàng)新開發(fā)。目前主要探索出了三種固態(tài)電池體系：聚合物、硫化物和氧化物，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如，聚合物界面好、工藝簡單，但導(dǎo)電率低，電壓不穩(wěn)定；硫化物電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬，但工藝難度大，對水分敏感；氧化物電導(dǎo)率高、穩(wěn)定性好，但界面差，大容量電池難以實(shí)現(xiàn)。
“單一體系的固態(tài)電解質(zhì)還需進(jìn)一步突破，復(fù)合的固態(tài)電解質(zhì)體系與現(xiàn)有的成熟技術(shù)最兼容，是產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)選方案。”在何泓材看來，混合固液或半固態(tài)電池，是電解液從液態(tài)向全固態(tài)過渡的必然環(huán)節(jié)，沒有全固態(tài)電池需要解決的一系列瓶頸，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
向晉預(yù)計(jì)，混合固液電池有望在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，而全固態(tài)電池預(yù)計(jì)在5至10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
“不能走液態(tài)電池老路”
行業(yè)要發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)需先行。
“液體含量低于多少，才算固態(tài)電池？5%還是10%？應(yīng)該怎么測量？”向晉提醒道，我國液體電池的標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較晚，在尺寸方面沒有做好頂層設(shè)計(jì)，2017年出臺的標(biāo)準(zhǔn)電池型號高達(dá)145種，尺寸過多并不利于電池產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用。因此，固態(tài)電池不能走液態(tài)電池的老路。他呼吁，固態(tài)電池要盡早開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，這對行業(yè)發(fā)展、規(guī)?；圃?、梯次利用回收和換電模式意義重大。
向晉透露，由國內(nèi)主要固態(tài)電池企業(yè)聯(lián)合起草的半固態(tài)電池中電解液含量測試團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，將于年底發(fā)布。
“長期來看，355、390、590模組是很重要的尺寸。針對固態(tài)電池本身的特點(diǎn)，還可以做一些大尺寸的設(shè)計(jì)。刀片電池基于安全考慮，做得比較長、比較薄。固態(tài)電池安全性很好，可以考慮做長、做厚，以提高系統(tǒng)的成組效率。配合整車，把固態(tài)電池做得跟底盤一樣大，也是一個(gè)方向。”何泓材認(rèn)為，電池企業(yè)和車企緊密合作，是實(shí)現(xiàn)固態(tài)動力電池產(chǎn)業(yè)化的必要條件。固態(tài)電池屬于新興產(chǎn)業(yè)，需要車企給予一個(gè)試錯(cuò)容錯(cuò)的空間，提升材料、工藝創(chuàng)新的整體性能。只有應(yīng)用到車上，匹配系統(tǒng)集成，固態(tài)電池商業(yè)應(yīng)用才能成為現(xiàn)實(shí)。
向晉同樣表示，固態(tài)電池的發(fā)展需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)共同努力，從上游的材料、裝備企業(yè)，到下游的整車廠，要齊心協(xié)力才能使固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)做得更快、更好。
