過(guò)去10年，液態(tài)鋰離子電池的能量密度已經(jīng)提升了2—3倍，目前已經(jīng)接近理論上限。而全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜，更安全、能量密度更高、循環(huán)性能更強(qiáng)，已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代動(dòng)力電池的主要研發(fā)方向。
近日，以“綠色新動(dòng)力，世界新動(dòng)能”為主題的2023世界動(dòng)力電池大會(huì)在四川省宜賓市開(kāi)幕。本次大會(huì)邀請(qǐng)了多位知名院士及專家出席，匯聚了300余位來(lái)自行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及跨國(guó)企業(yè)的重要嘉賓，聚焦下一代動(dòng)力電池、全固態(tài)電池等行業(yè)熱點(diǎn)話題，深度剖析動(dòng)力電池行業(yè)勢(shì)態(tài)與發(fā)展前景。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席萬(wàn)鋼在開(kāi)幕式致辭中指出，要加大下一代動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)的力度，科學(xué)判斷下一代動(dòng)力電池技術(shù)路線，重視新材料和以全固態(tài)電池為代表的新體系電池的基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)，系統(tǒng)解決新體系電池關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成等方面的技術(shù)難題，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與示范運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)展市場(chǎng)和技術(shù)評(píng)估，為下一代動(dòng)力電池規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供先行經(jīng)驗(yàn)。
那么，什么是下一代動(dòng)力電池?又為何要推動(dòng)下一代動(dòng)力電池研發(fā)呢?
動(dòng)力電池能量密度已接近“天花板”
電池材料直接決定了動(dòng)力電池的能量密度、安全性和成本，而其中能量密度又是動(dòng)力電池的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，我國(guó)已形成以三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池為主的動(dòng)力電池發(fā)展路線，國(guó)內(nèi)三元鋰離子電池能量密度可超過(guò)300瓦時(shí)/千克，磷酸鐵鋰離子電池能量密度可超過(guò)200瓦時(shí)/千克，均達(dá)到世界先進(jìn)水平。
動(dòng)力電池具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于小型電器中。當(dāng)前，動(dòng)力電池已在移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等產(chǎn)品中部分代替了傳統(tǒng)電池。大容量鋰離子電池也已在電動(dòng)汽車(chē)中試用，成為當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿﹄娫粗?，并將在航空航天、?chǔ)能等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
然而，隨著動(dòng)力電池技術(shù)的不斷革新，傳統(tǒng)材料很難滿足電池降本增效、提高能量密度等需求，例如目前的磷酸鐵鋰離子電池，能量密度已接近“天花板”，且其比能量仍然相對(duì)偏低，低溫性能也有待提高。同時(shí)，動(dòng)力電池市場(chǎng)細(xì)分化趨勢(shì)愈發(fā)明顯，電池產(chǎn)品的差異化水平進(jìn)一步提高，動(dòng)力電池技術(shù)路線創(chuàng)新也能更好地滿足多元化的場(chǎng)景應(yīng)用需求。因此，下一代動(dòng)力電池應(yīng)運(yùn)而生。
“與鋰離子電池相比，下一代動(dòng)力電池可以降低30%—40%的材料成本。”LG新能源副總裁、下一代電池研究院院長(zhǎng)孫權(quán)男說(shuō)，LG新能源正持續(xù)投入研發(fā)基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰硫電池和鋰金屬電池，以攻克當(dāng)前鋰離子電池的能量密度限制。
全固態(tài)電池是距離我們最近的下一代動(dòng)力電池
相關(guān)專家表示，過(guò)去10年，液態(tài)鋰離子電池的能量密度已經(jīng)提升了2—3倍，目前已經(jīng)接近理論上限。而全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜，更安全、能量密度更高、循環(huán)性能更強(qiáng)，已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代動(dòng)力電池的主要研發(fā)方向。
全固態(tài)電池號(hào)稱是鋰離子電池的“終極形態(tài)”，原因在于真正的固態(tài)電池相比現(xiàn)在的液態(tài)或鋰離子電池來(lái)說(shuō)“優(yōu)勢(shì)太大”。
首先，全固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，而固態(tài)電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)電性能，能提供更高的電池能量密度。
其次，與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池相比，全固態(tài)電池最突出的優(yōu)點(diǎn)是安全性。傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池中的電解質(zhì)易燃、易揮發(fā)，一旦發(fā)生泄漏或短路，可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。而固態(tài)電解質(zhì)是固體材料，具有較高的熱穩(wěn)定性和抗燃性，能夠有效降低電池泄漏和熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
再次，全固態(tài)電池還具有更長(zhǎng)的壽命。因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性可以減緩電池的失活和退化過(guò)程，延長(zhǎng)電池的使用壽命，并阻止金屬鋰的電極枝晶生長(zhǎng)，減少電極的體積膨脹和損壞，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
最后，全固態(tài)電池能夠成為下一代動(dòng)力電池主要研發(fā)方向的一大重要因素，便是更新?lián)Q代成本低。鋰硫電池、鋰空氣電池等的技術(shù)創(chuàng)新，需要更換整個(gè)電池結(jié)構(gòu)框架，實(shí)現(xiàn)難度較大。
而全固態(tài)電池的技術(shù)創(chuàng)新主要在于電解液的革新，電池的正極與負(fù)極可繼續(xù)沿用當(dāng)前材料，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較小。“全固態(tài)電池是距離我們最近的下一代動(dòng)力電池”已成為科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。
“我們發(fā)現(xiàn)，在全球頂級(jí)期刊上發(fā)表的與全固態(tài)電池技術(shù)相關(guān)的論文正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，可以說(shuō)當(dāng)前正處于該項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化的前夕。”中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高說(shuō)，現(xiàn)在全球已經(jīng)有無(wú)數(shù)相關(guān)行業(yè)人員投入了全固態(tài)電池的研發(fā)，隨著電池技術(shù)的不斷完善與創(chuàng)新，新材料的探索效率不斷提高，有效縮短了研發(fā)周期，全固態(tài)電池正從概念走向現(xiàn)實(shí)。
全固態(tài)電池發(fā)展面臨挑戰(zhàn)但前景廣闊
當(dāng)然，下一代動(dòng)力電池距離實(shí)際應(yīng)用仍有一段很長(zhǎng)的路要走。中國(guó)工程院外籍院士、加拿大皇家科學(xué)院院士、加拿大國(guó)家工程院院士孫學(xué)良表示，當(dāng)前全固態(tài)電池的正極、電解質(zhì)、負(fù)極的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)還需改進(jìn)，材料間兼容性、界面穩(wěn)定性仍需提升，電池整體的安全管理策略及工程化制備技術(shù)尚不成熟，這些都是需要攻克的難關(guān)。
相比于結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，電池材料上的改進(jìn)更緩慢，是當(dāng)前全固態(tài)電池亟須破解的主要難題。
例如，在全球范圍內(nèi)，日韓企業(yè)起步較早，多“押注”硫化物全固態(tài)電池路線。然而，硫化物電解質(zhì)的空氣穩(wěn)定性差，當(dāng)其暴露于空氣中就會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，同時(shí)伴隨著電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和電化學(xué)性能的衰減，因而硫化物電解質(zhì)的合成、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和后處理過(guò)程等嚴(yán)重依賴惰性氣體或干燥室。此外，歐美等地將目光瞄向了聚合物全固態(tài)電池。然而，聚合物電解質(zhì)在室溫條件下離子電導(dǎo)率較低，使得聚合物全固態(tài)電池充電需要在高溫環(huán)境下完成，極大地限制了其商業(yè)化應(yīng)用。
我國(guó)多數(shù)企業(yè)走的是氧化物全固態(tài)電池路線。大多數(shù)氧化物電解質(zhì)具有較寬的電化學(xué)穩(wěn)定“窗口”和更好的氧化穩(wěn)定性，但為了保證剛性氧化物電解質(zhì)與陰極材料的界面良好接觸，往往需要對(duì)其進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的界面化學(xué)副反應(yīng)。此外，有些氧化物電解質(zhì)還存在鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。
盡管下一代動(dòng)力電池尚存諸多有待解決的技術(shù)難題，產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用仍面臨一定的挑戰(zhàn)，但相關(guān)專家依舊看好下一代動(dòng)力電池的發(fā)展前景。他們一致認(rèn)為，全固態(tài)電池的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)電池高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高能量密度目標(biāo)的必要策略。(記者陳 科 通訊員 胡 健)
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