动力电池技术下一步路在何方？欧阳明高给出详细答案

近年来,随着国内外电动汽车产业的快速发展,作为核心零部件的动力电池产业备受关注,各家企业不仅要扩张产能规模确保产量供应,还面临着持续提升产品能量密度等关键指标的“攻坚战”。当前国内外动力电池技术进展如何?有哪些值得关注的前瞻性技术?未来数年的发展节奏是怎样的?近期,中国电动汽车百人会执行副理事长、中国科学院院士欧阳明高对上述行业关心的重点话题从技术角度进行回应,对业内外人士全面了解当前动力电池技术水平概况提供了重要参考。

问题：安全、续驶里程长、寿命长等是消费者选购新能源汽车时考虑的关键性指标,动力电池是决定这些指标的核心零部件,近年来,在消费者需求及相关部门的政策法规推动下,安全、长寿命、高比能量的动力电池已成为产业需求的主流。比如2017 年3 月份, 国家工信部等四部委联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》, 指出到2020 年, 要求新型锂离子动力电池单体比能量超过300 瓦时/公斤。目前国内动力电池技术在这些方面进展如何?达到哪些指标?

欧阳明高:按照规划,2020 年要实现动力电池能量密度300 瓦时/公斤目标。目前承担新能源汽车专项项目的有三个团队:宁德时代新能源、天津力神和合肥国轩。这三个团队目前采用的技术路线大同小异,即正极采用高镍三元,负极是硅碳,这种电池目前技术指标已经接近应用要求,到2020 年, 比能量300瓦时/公斤的电池的产业化已经取得了实质性突破,现在从比能量角度看都已经达到,例如宁德时代新能源的电池研究成果的循环寿命基本在1000 次左右,能量密度达到304瓦时/公斤,其他两家也差不多。当然还有部分企业安全性标准还没有完全满足。用300瓦时/ 公斤的单体电池大概能做出200-210 瓦时/公斤的电池系统, 因为基本是软包电池,而非方形电池。国内在去年年底、今年年初,动力电池的能量密度单体达到230 瓦时/ 公斤左右,系统大约150 瓦时/ 公斤左右。到2018、2019 年还需要再提高50-70 瓦时/公斤,我认为是可以做到的。至于单体350 瓦时/ 公斤、系统260 瓦时/公斤是我们力争的目标。

如何落实2025年400瓦时/公斤的目标?

问题:刚刚您提到,实现2020年300瓦时/公斤的目标在技术上已经有重大突破。再往后展望五年, 到2025 年动力电池将力争实现哪些目标?将采用何种技术路线?您认为哪种前瞻技术最值得关注?目前中国在这些前瞻技术领域有无研究?

欧阳明高:面向2025年产业化, 我们希望冲击单体电池能量密度达到400瓦时/公斤的目标。300瓦时/ 公斤的实现改变的是负极,从碳变成硅碳, 到400瓦时/公斤要变的是正极,目前可选的正极材料有好几种,现在新能源汽车重点专项取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料,有两个单位承担了前沿基础项目,一个是物理所,改善了富锂锰基正极循环的电压衰减,达到的指标是正极循环100 周之后电压衰减降到了2% 以内,这是一个重大的进展。另外一个是北京大学的团队,首次研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极,实现400 瓦时/公斤应该是没有问题的,甚至可能更高。这更为开发比能量大于500瓦时/公斤的新型锂离子电池提供了可能,但循环尚存在一定不确定性。

更加前沿的技术是固态电池。目前国内有多家研究机构和产业单位在做, 包括中科院青岛能源所、宁波材料所, 物理所等,也包括宁德时代新能源、中航锂电等。最近宁波材料所与赣锋锂业合作,投资5 亿元人民币,致力于推进固态电池产业化,计划2019 年量产, 2020 年产品进入电动汽车市场。固态电池无疑是2017 年全球电池领域最热的一个技术名词。

全固态锂电池技术何以在全球大热?

问题:固态电池与我们听到的全固态锂电池是否是一回事?什么才是全固态锂电池?如何理解这些概念上的区别?

欧阳明高:全固态锂电池,这几个词每一个字都不能少、不能变, “全固态”与“固态”不同,“锂电池”和“锂离子电池”不是一个概念。所谓“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态, 不含任何液态组分的锂电池,所以我们全称是“全固态电解质锂电池”。根据其是否可以反复充放,可进一步分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池, 一次电池其实已经有用的。全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和锂金属电池,这两个概念又要区别,所谓全固态金属锂电池的负极用的是锂金属, 目前在用的动力电池的负极多为碳、硅碳或者钛酸锂。

全固态锂电池的概念比锂离子电池出现得更早,锂离子电池只有25 年左右的历史,是日本人发明的,真正用于车上也就10 多年,很年轻但是进步很快。早期所指的全固态锂电池,都是以金属锂为负极的全固态金属锂电池。这就是以前的概念。

问题:固态锂离子电池跟全固态锂电池的具体区别是什么?

欧阳明高:固态电池,不一定是全都是固态电解质,还有一点液态, 是液态与固态混合的,差别在于混合的比例是多少。真正的固态锂离子电池,其电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质;所谓半固态,就是固态电解质、液态电解质各占一半, 或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的,所以还有准固态锂电池,即主要为固态,少量是液态。

问题:全固态锂电池有哪些特点特别是优势?为什么能引起全球动力电池产业的关注和投入研发?

欧阳明高:主要因素是它能解决目前困扰动力电池发展的两大关键问题,即安全性差和能量密度低。全固态锂电池有几个潜在的技术优势,首先, 它安全性高,由于采用高热稳定性的固态电解质,代替了易燃的常规有机溶剂电解液,电池燃烧问题可以得到有效解决。第二,能量密度高,由于金属锂的容量超高,基于相同正极时, 固态金属锂电池与常规液态锂离子电池相比,其能量密度可以得到大幅提升。需要说明的是,由于固体电解质密度和使用量高于液态电解质,在正负极材料相同时,全固态锂电池优势不明显。第三,正极材料选择的范围宽, 因为全固态锂电池可以直接采用金属锂为负极,不要求正极结构中必须含锂,一些高容量的贫锂态材料也可以作为正极;此外,无机固态电解质宽的电压窗口也为高电压正极材料的应用提供了可能。第四,系统比能量高, 由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于电池系统成组效率和能量密度的提高。

真正的全固态金属锂电池技术尚未成熟

问题:从您介绍的优势来看,全固态锂电池能解决当前动力电池产品的不少不足之处。但它为何还没有大规模应用于市场?主要存在哪些问题?您如何评价这类技术的整体发展水平?

欧阳明高:它的第一个问题是固态电解质材料的离子电导率偏低。现在有三种固态电解质,一种是聚合物, 一种是氧化物,一种是硫化物。现在有用聚合物电解质的电池,搭载于法国的一些车辆上,它的问题就是需要加热到60 度,离子电导率才上来,电池才能正常工作。目前氧化物电解质一般比液态的还要低很多。只有硫化物固体电解质的一些指标接近液态电解质,比如丰田就是用硫化物的固体电解质,所以固体电解质主要的突破是在硫化物的固体电解质。

第二个问题就是固/ 固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的,渗透进去即可。但是固体和固体接触性和稳定性就是它的很大的一个问题。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高,但是仍然有界面接触性和稳定性问题。

第三个问题是金属锂的可充性问题。在固态电解质中,锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性甚至安全性等还需要研究。当然还有一个问题, 就是制造成本偏高。

基于上述问题,特别是固态界面接触性、稳定性和金属锂的可充性问题, 真正意义上的全固态金属锂电池技术, 现在仍然还是不成熟的,还存在技术不确定性。目前展现出或者有突破的、有性能优势和产业化前景的主要是固态锂离子电池和固态聚合物锂电池。

问题:目前国内外关于固态锂电池的研究进展如何?有哪些值得关注的企业或技术突破?

欧阳明高:现在固态锂电池持续升温,美国、欧洲、日本、韩国、中国都在投入。各个国家心态不太一样。例如美国,以小公司、创业型公司为主。美国有两家公司值得关注,都是初创公司,一个是S-akit3,其最新研发的电池有望使电动汽车的续驶里程达到500 公里,现在还处于初级阶段。还有一个Solid—State。美国主要立足于颠覆性技术。日本则专注于无机固体电解质的大容量的固态锂电池,最著名的是丰田公司,其产品将在2022 年实现其商品化。丰田做的不是全固态锂金属电池, 而是固态锂离子电池,其负极是石墨类, 用硫化物电解质,高电压正极,单体电池容量15 安时,电压是十几伏,我认为这是靠谱的。所以在日本,并没有颠覆,还是基于锂离子电池,正负极还可以用以前的一些材料或技术。韩国专注于无机固体电解质的大容量固态锂电池的研发工作,也采用石墨类负极而不是金属锂负极,与日本相似。中、日、韩三国的情况类似,因为我们已有了很庞大的锂离子电池产业链,不希望推倒重来。

如何评价动力电池各技术路线的前景?

问题:针对当前国内外动力电池领域的技术发展现状,请您综合评估一下各种技术路线或研究方向的前景。

欧阳明高:第一,锂离子动力电池有望于2020 年前实现300 瓦时/公斤目标,目前国内外技术研发基本处于同一水平,但安全性研究尚待加强。这种电池的核心是安全性。

第二,作为实现远期目标的两类新体系,锂硫、锂空气电池方面,目前国内外进展相对缓慢,2017 年没有看到突破性的进展。从原理来看,锂硫电池的重量比能量跟体积比能量基本相当, 所以它的体积比能量要提上来是有相当难度的。新能源乘用车特别是轿车对体积比能量的要求可能比重量比能量还要重要,虽然有400 瓦时/ 公斤的电池, 体积比能量也只有400 瓦时/ 升,这对于轿车而言不太好用。一般情况下, 锂离子电池的重量比能量能达到300瓦时/ 公斤,体积比能量就可以达到600 瓦时/ 升。锂空气电池集合了锌空气电池、氢燃料电池、锂二次电池的所有难点。相比而言氢燃料电池更具竞争优势。

第三,固态电池的研发产业化持续升温,但受到固/ 固界面稳定性和金属锂负极可充性两大问题的制约,真正的全固态锂电池技术还没有成熟,但是以无机硫化物作为固态电解质的锂离子电池出现突破。总体看固态电池发展的路径,电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态,最后到全固态。至于负极,会从石墨负极到硅碳负极再到合金化负极,我们现在正在从石墨负极向硅碳负极转型,最后有可能采用金属锂负极,但是目前还存在技术不确定性。

第四,中国在高容量富锂正极材料方面于2017 年取得了一些突破,基于高容量富锂正极和高容量硅碳负极的革新型锂离子电池比锂硫和锂空气电池更具可行性。

问题:根据各种技术进展的分析,您如何判断未来动力电池技术的发展趋势?预计将按照怎样的节奏推进?

欧阳明高:我们专家组对动力电池技术的发展趋势做了一次优化迭代,(但这不是国家电池技术路线图的依据,仅供参考),具体如下:

2020 年,实现动力电池比能量300 瓦时/ 公斤、比功率1000 瓦时/ 公斤, 循环1000 次以上,成本0.8 元/ 瓦时以内的目标是确定的,相对应的材料是高镍三元,现在国内动力电池用的镍、钴、锰的比例由3:3:3 转向6:2:2, 再转变为8:1:1,即镍变成8,钴的比例进一步降到1 甚至是0.5。负极要从碳负极向硅碳负极转型。这是我们当前的技术变革。

到2025 年,正极材料性能进一步提升,富锂锰基材料目前取得重要突破, 当然还会有其他材料。2020-2025 年, 我们要努力实现动力电池比能量从300 瓦时/ 公斤上升至400 瓦时/ 公斤, 每瓦时成本从0.8 元以内降到0.6 元以内。此时一般性价比的纯电动轿车合理的续驶里程是300—400 公里。

到2030 年,希望在电解质方面取得突破,也就是2025-2030 年最大的突破可能在电解质,固态电池会实现规模化、产业化,电池单体比能量有望冲击500 瓦时/ 公斤。2030 年,常规的电动汽车续驶里程应该可以达到500 公里以上。当然需要其它技术的配合。如果电耗极大,例如冬天百公里电耗高达三四十度,电池再好也实现不了。现在电动车越做越大,例如大型SUV,车身重、风阻系数大,是一个值得改进的问题。