鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1041次 | 2021年11月19日
固態(tài)電池技術(shù)難題如何攻破？
特斯拉之所以能夠在高性能汽車領(lǐng)域獨(dú)當(dāng)一面，是因?yàn)樗秒姵毓芾砑夹g(shù)將鈷酸鋰小電池馴化得“狼性”十足，耐力有余。但顯然，不是所有公司都是特斯拉。
我國的電動(dòng)汽車行業(yè)依然很難脫離政策扶持、去獨(dú)立應(yīng)對市場考驗(yàn)，最大的原因就是電池動(dòng)力和續(xù)航綿軟如羊，而這中間有一座液態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)電池之間的技術(shù)高墻。
不過從2016下半年以來能源行業(yè)的發(fā)展來看，這堵墻正在逐漸被拆解。
十一月二十八日，清陶能源科技有限公司推出了通過陶瓷復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)打造全固態(tài)鋰離子電池的技術(shù)，利用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的全固態(tài)電池在實(shí)驗(yàn)室階段能夠達(dá)到400MJ/kg的能量密度。
這比當(dāng)前主流應(yīng)用的鋰離子電池（能量密度100~220Wh/kg）高出了一倍，這意味著同質(zhì)量下的電池續(xù)航能力也有了相應(yīng)量級(jí)的提升。清陶能源將在2017年九月份推出量產(chǎn)方法，量產(chǎn)階段的能量密度可以達(dá)到300MJ/kg，提前實(shí)現(xiàn)國家提出對2020年提出的標(biāo)準(zhǔn)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
清陶能源發(fā)展有限公司的前身是清陶能源科技有限公司，由中科院院士、清華大學(xué)材料研究院院長南策文領(lǐng)銜的高層次人才團(tuán)隊(duì)投資5000萬元興建，重要生產(chǎn)鋰離子電池所需的隔膜材料和電池自動(dòng)化裝備。
本次清陶能源推出的全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)也同樣脫胎于清華大學(xué)的研究成果，而其成立清陶新能源材料研究院，也是希望從材料、器件、裝備多個(gè)維度開展全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的工作。
清陶能源向記者表示，真正意義上的全固態(tài)電池，有別于聚合物電池、薄膜電池、凝膠電池等概念，是目前學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)的未來發(fā)展方向，國外包括博世、豐田、東芝、蘋果等知名公司都在這個(gè)領(lǐng)域有所布局。
顧名思義，全固態(tài)鋰離子電池是結(jié)構(gòu)中不含液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的儲(chǔ)能器件。全固態(tài)鋰離子電池對應(yīng)的是液態(tài)鋰離子電池，后者就是目前在新能源汽車、手機(jī)、筆記本、無人機(jī)等設(shè)備當(dāng)中廣泛采用的技術(shù)，電解質(zhì)都是有機(jī)液體。也因其電解質(zhì)的液態(tài)屬性，要非常嚴(yán)格的封裝技術(shù)，造成這類電池在能量密度、柔韌性、安全性等方面都受到很大的限制。
據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，液態(tài)鋰離子電池的能量密度每年的平均改善率僅為3%-5%，這也是造成國產(chǎn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)止步不前的重要原因；而同樣受限于電池的能量密度，搭載空間有限的無人機(jī)產(chǎn)品，也被限制在40分鐘左右的續(xù)航范圍內(nèi)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
既然限制電池技術(shù)發(fā)展的是電解質(zhì)，那么全固態(tài)電池作為解決之道自然而然成為能源行業(yè)的研究方向。
據(jù)記者了解，全固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)勢重要有以下方面：
高能量密度
目前全固態(tài)電池的能量密度可達(dá)400Wh/kg以上，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池（能量密度100~220Wh/kg），有了一倍左右的提升。這意味著質(zhì)量體積不變的前提下，該產(chǎn)品可將手機(jī)待機(jī)時(shí)間、無人機(jī)飛行時(shí)間和電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程延長一倍；
可實(shí)現(xiàn)柔性/微型化
由于沒有電解液，全固態(tài)電池的封裝工藝大幅優(yōu)化，電池脫離了剛性外殼和尺寸的束縛。這一技術(shù)將為柔性電子技術(shù)的發(fā)展插上騰飛的翅膀。全固態(tài)電池、柔性顯示技術(shù)、柔性電路板技術(shù)的協(xié)同，將實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的可任意彎曲、折疊。同時(shí)，電池的微型化將給半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域帶來一場新的變革；
安全可靠
三星Note7手機(jī)爆炸事件的重要原因是電池?zé)崾Э卦斐傻碾娊庖簞×曳磻?yīng)，而全固態(tài)鋰離子電池則完全摒棄了易燃易爆電解液，安全性得到不少提升。
據(jù)北汽新技術(shù)研究院副院長榮輝介紹，傳統(tǒng)燃油動(dòng)力車一旦發(fā)生撞擊事故，造成汽車起火燃燒，會(huì)有5-6秒左右的逃生時(shí)間，而電動(dòng)汽車由于電池的瞬間釋能特性，給乘客留下的逃生時(shí)間只有1秒左右，所以這就要求電池的安全性極為可靠。而全固態(tài)電池用固態(tài)電解質(zhì)材料替代了電解液，可以承受切割、撞擊、釘刺、擠壓等比較嚴(yán)苛的考驗(yàn)，很大程度地防止安全隱患。
新能源汽車率先被全固態(tài)電池寵幸的行業(yè)
雖然在清陶能源的規(guī)劃當(dāng)中，全固態(tài)鋰離子電池將在明年九月份投入量產(chǎn)，但首先應(yīng)用的領(lǐng)域并非當(dāng)年炙手可熱的新能源汽車，而是無人機(jī)、智能手環(huán)等對續(xù)航要求提升最為迫切的產(chǎn)品，有關(guān)在新能源汽車上的投放預(yù)計(jì)在2020年。
清陶能源董事長馮玉川介紹，這個(gè)考慮不是技術(shù)問題，而是價(jià)格和成本問題。在手機(jī)、無人機(jī)產(chǎn)品當(dāng)中，電池成本占到的比例非常低，從傳統(tǒng)鋰離子電池升級(jí)為全固態(tài)電池，成本上漲30-50元，廠商和市場并不會(huì)敏感。
而據(jù)記者了解，有關(guān)新能源汽車來說，僅電池成本就能達(dá)到十幾萬，全固態(tài)電池的投放必然造成成本進(jìn)一步新增，這有關(guān)市場的接受程度是個(gè)很大的考驗(yàn)。
“我們并不想太強(qiáng)調(diào)情懷，我們本身就是一家比較重視合理發(fā)展的公司，包括我們最先做陶瓷隔膜，做電池的生產(chǎn)裝備，都是讓汽車能夠先實(shí)現(xiàn)正常的營收?！瘪T玉川說。
當(dāng)然，除了價(jià)格，應(yīng)用問題也占據(jù)到了很大一部分原因。全固態(tài)電池在整車的應(yīng)用上并非像手機(jī)和無人機(jī)那樣，以單組或多組的形式出現(xiàn)，其關(guān)系到復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)，以及更為嚴(yán)格的技術(shù)考驗(yàn)。
甚至如北汽新技術(shù)研究院副院長榮輝所說，或許在整體的應(yīng)用形式上，還要根據(jù)車企的需求做出設(shè)計(jì)。
“現(xiàn)在大部分新能源車，是把發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱摘下去，加很多電池在里面，這不是一個(gè)好方式，因?yàn)槠囁俣确浅？欤坏┍皇^打破，就是個(gè)大問題，假如想不被打破那就必須用很厚的鋼板，這對車身重量又是個(gè)壓力?！睒s輝說，“有沒有可能在電解質(zhì)這個(gè)階段，你和我（北汽）結(jié)合得更緊密，我把某些零件開放給你，你把這個(gè)電池芯做到我的零件里去，相當(dāng)于你給我供應(yīng)的不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電池，而是根據(jù)我的要求，根據(jù)我的設(shè)計(jì)，你就給我設(shè)計(jì)電池，你實(shí)際給我的是一個(gè)零件，這個(gè)零件里包括的是電池?！?/p>
鑒于汽車應(yīng)用的復(fù)雜，以及清陶能源有關(guān)發(fā)展理念的踐行，清陶能源的全固態(tài)電池將在2020年投入到新能源汽車的使用，率先的投放量將會(huì)是20萬臺(tái)。
固態(tài)電池技術(shù)難題如何攻破？
在新型能源的探索方向上，太陽能、風(fēng)能、氫燃料動(dòng)力鋰電池等技術(shù)一度百花齊放。
清陶能源的發(fā)起人、清華大學(xué)材料研究院院長南策文認(rèn)為，從能源利用效率上說，上述能源雖然更為清潔環(huán)保，但是能源分布過于分散且并不持續(xù)，使得開發(fā)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換這類能源的器件和相關(guān)材料顯得緩不濟(jì)急。
隨著新能源汽車和智能終端的迅速普及，有關(guān)高能量密度電池的需求十分迫切。
資料顯示，2016年第一季度，我國鋰離子電池的電芯產(chǎn)量為13.5GWh，同比上升95.7%，其中車用電池產(chǎn)量的占比上升最快，從2015年Q1的19.6%上升到2016年Q1的55.3%。
國內(nèi)外都已經(jīng)在嘗試跨越半固態(tài)電池這個(gè)階段，開始攻克全固態(tài)電池這座技術(shù)城堡。十一月二十四日，三井金屬公布了下一代的鋰離子二次電池的“全固態(tài)電池”所用的硫化物固態(tài)電解質(zhì)。三井金屬是豐田、本田等大型跨國車企的電池供應(yīng)商，這意味著豐田和本田將發(fā)展自身引以為傲的氫燃料動(dòng)力鋰電池的同時(shí)，同時(shí)推動(dòng)全固態(tài)電池的發(fā)展。
而清陶能源的全固態(tài)電池的技術(shù)核心在于，電解質(zhì)部分使用的陶瓷固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)，正極使用的是鈷酸鋰，負(fù)極為鋰金屬負(fù)極。此外，有關(guān)全固態(tài)電池常溫下的導(dǎo)電瓶頸，清陶能源也給出了解決方法：
利用摻雜調(diào)控、新增鋰空位，以及復(fù)合等手段，解決了全固態(tài)電池在常溫下的導(dǎo)電不良問題，使其和液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電效率達(dá)到了同一個(gè)量級(jí)。
在國內(nèi)，除了清陶能源，還有許多研究機(jī)構(gòu)和公司著手在研發(fā)“全固態(tài)電池”，并取得一定的成果。
據(jù)媒體報(bào)道，目前國內(nèi)做全固態(tài)電池比較領(lǐng)先的團(tuán)隊(duì)為：
中科院物理研究所陳立泉、李泓老師團(tuán)隊(duì)；我國科學(xué)院寧波研究所許曉雄博士的團(tuán)隊(duì)；中南創(chuàng)發(fā)“全固態(tài)電池”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
據(jù)了解，中科院寧波材料在聚合物研究已經(jīng)取得一定成績，其用石墨做負(fù)極，用硫化物復(fù)合電解質(zhì)，用鈷酸鋰做正極，4Ah的電池，能量密度是240瓦時(shí)/公斤。而只要克服了界面阻抗過大造成的導(dǎo)電不良等問題，以及電芯技術(shù)關(guān)鍵材料取得突破，上述研究機(jī)構(gòu)的全固態(tài)電池就有望在2019年前后投入商業(yè)化使用。
屆時(shí)，在汽車智能化和互聯(lián)網(wǎng)化一路飛起的國產(chǎn)電動(dòng)汽車，將沖破電池的動(dòng)力和續(xù)航瓶頸，若再與特斯拉一決高下，必然多了幾分勝算。
