李泓:固态锂电池开发面临四个挑战

  新浪汽车讯 2017年1月14-15日,中国电动汽车百人会论坛(2017)在钓鱼台国宾馆举行,论坛将聚焦电动汽车行业供给侧改革和创新发展,探寻技术突破、创新发展的路径和办法,引导企业走上靠技术突破和商业模式创新建立竞争优势的轨道,探讨实现产业可持续发展的政策等。中国科学院物理研究所研究员 李泓发表演讲:

中国科学院物理研究所研究员 李泓中国科学院物理研究所研究员 李泓

  尊敬的各位嘉宾上午好!今天很高兴有机会再次在电动汽车百人会上介绍固态电池方面的进展,去年我们在报告中提出,我们设想未来的终极电动汽车有可能是固态锂空气电池,那个时候在这方面的认识还不足,过去几年通过几个团队的努力取得了几个进展,一个是简单提一下,我们现在对固态电池的理解,第二是介绍一下研发进展。这是最近中日美三国政府提出的动力电池的发展目标,从技术的指标上,核心指标是能量密度,越提越高,从300瓦时每公斤,一直到500瓦时每公斤,包括美国DOE还有中国的重点专项,纳米材料、基因组都提出了很高的指标要求。

     怎么样实现这些超高能量密度的指标,同时还要兼顾动力电池使用时的安全性、寿命、成本,这是摆在很多研发人员面前的问题。

     技术分析的角度,目前主要的动力电池还是正极材料匹配人造石墨这一类的负极材料,接下来提高能量密度,很可能要把硅负极引入,体积膨胀是很难解决的问题,接下来是把硅负极用金属锂替代,1972年研发到现在,历时50多年,有非常多的挑战,关键的几个问题是目前大多数的研发还是在有机的溶剂中,在有机溶剂中第一个问题是它不像石墨负极锂进和出,是非均匀的析出。第二是自发和电解液发生反映,体积变化也比较大。逐步导致锂离子电池VCR膜也不能稳定存在,安全性、自放电等方面还不能满足需求,非常多的企业和研发团队把希望寄托在全固态锂电方面。固态电池和业态电池在微观上也是三层结构,只是把现在的隔膜电解液替换为固态电解质,这是典型的照片,没有太本质的区别,核心是有可能负极使用了金属锂,在这种情况下,在正极这一侧,原来的液体可以充分浸润正极颗粒,在正极侧接触,这是难度非常大的。从大家预期的优点上,如果使用了金属锂,现在容易燃烧和爆炸的液态电解质,另外使用寿命等等都会延长,模块配置等都是大家期望的,在实践中这些数据有待进一步的检验,在2007年的时候,日本的NEDO2008年公布了这样的路线图,在他们看来在远期的2030年,很多的电池形态是以全固态形式出现,包括金属锂、锂硫和锂空气电池,这些路线在不断修改中,但是大体是提高安全性的策略,就是固态化。

     2016年,美国APER的两千万美元的项目,全部支持各类固体电解质的开发,以及固体电解质的制造技术,现在在中国,在过去两三年的推动下,从事固态电池开发的团队非常多,展示的单位不多,具备能力开发的小团队,从南到北非常多的研发团队为主,企业包括宁德时代新能源,苏州新陶还有珈伟股份等,我不一一介绍了。

     目前总体而言,全固态锂电池开发面临四个挑战,一个是在电极层面,怎么样满足正负极课题和固体电解质的离子传输,特别是循环过程中,第二是循环过程中正负极材料不能像液体那样保持非常好的接触。还有金属锂电极的体积变化还有锂固体的变化。

     接下来介绍一下,2013年中科院决定采取纳米先导专项。这里提出要做长续航的动力电池,通过提升能量密度来延长电动汽车的续驶里程,提出了300瓦时每公斤的指标,跟现在国家的任务是一致的。在这里包括第三代锂离子电池技术,包括现一代度固态电池,锂硫和锂空电池,包括12家科研单位,24PI400人,一直在动态的管理中。

     再简单地说一下整个先导项目取得的进展,在样品的层面研制了一些高能量密度的锂离子、锂空、锂硫,还打造了高水平的诊断分析平台,金属锂表面引入无机的磷酸锂做这个事情,提高它的稳定性,这是由化学所的郭博士做的。他们最近开发了聚醚丙烯酸脂这是一个非常重要的突破。

     在材料方面,宁波材料所、上硅所为代表的团队,已经开发了一系列的氧化物和硫化物的粉体、陶瓷片以及融性膜,已经达到了几十公斤级一个批次的水平,已经开始对社会提供样品和供货。在这个基础之上,宁波材料所的一个团队研发了氧化物的小容量的全固态进入锂电池,火烤的条件下还能工作,但是把它放大还需要进一步的材料的设计,目前还有一些困难。

  作为一个过渡的技术,现在还有一种把固体电解质和液体电解质混合在一起的,含有少量的固体电解质的,混合固液电解质,严格意义上讲,只要含有液体就不是全固体的电解质,室温可以满足,同时在80度高温下也能满足要求,将来实现在PEC设计上也能满足。

     也通过了气研中心的研究报告,这些电池也通过了汽研中心的安全性测试,有一份完整的测试报告,这是其中一个细节。全固态锂硫也进行了开发,现在的稳定性也达到了非常好的水平。

     另外聚合物按PPC/LLZO聚合物无机符合电解质体系,这个膜现在大面积应用,用这个膜做的产品,目前最新的水平,匹配811的正极,能量密度达到300瓦时每公斤,还做了深海,最近做了8000米和11000米的舱,体现了独特的耐压的优势。上海硅酸盐所一直在开发这个材料,从电导来讲也达到了世界先进水平,开发了磷酸铁锰,目前这个达到了世界先进水平。物理所陈老师在1976年开始做淡化率,到今年是40年研究固态电池,我们在这个过程中陆续开发了一些无机材料和聚合物电解质以及一些基础研究。过去四年提出了一种新的方案,就是利用现有的电池的装备,然后通过原位把液体固态化的技术,来实现一种固态电池的设计。目前用金属锂做负极,也得到了10安时的单体,这个是与宁德时代新能源合作的一个结果。

     通过这个第三方测试,目前初步研究的结果能量密度可以做到390瓦时每公斤最高水平,这个可以继续发展,因为正极材料150安时每克,60度和90度之间还可以正常工作,这是我们发展的方向。应化所还开发了一种防水的固态锂空气电池,放在水里面照样能工作,将来适合于柔性的固态锂空气电池,这是纸状折叠的,把它编制在衣服上,能够进行工作和发电,最近刚发表在先进材料上面,这是在这方面的一些研究进展。

     总体来说,我们长远考虑,从提高安全性追求全固态金属锂,逐渐增加固体电解质,和负极中的锂含量,这是新的体系。目前科学院正在这方面做进一步的开发,从少量液体一直到全固态陆续研究这个事情,主要是想兼顾全固态锂电池的优点和液态锂电池的优点,希望能够取长补短,逐步改善现有电池的技术

     我们初步的预期,除了PU已经在美国商业化以外,其它的电池最早在2020年实现小批量的量产,以后随着技术的进步,逐渐进入这个市场,当然首先满足其它领域的应用,其它指标达标以后,进入动力电池的领域,那会更晚一些。

     全固态电池2020年到2025年首批进入这个市场,这是预期。在这个过程中,有很多的基础科研问题和科研技术仍然要突破,现在只是展示了一个希望,从综合指标上看,还远远不能满足动力电池的技术,我们希望一步步往前走,逐步改善现有锂电池兼顾能量密度和安全性方面的挑战。

  谢谢大家!

责任编辑:刘万睿

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