未來電池產(chǎn)業(yè)瞄準(zhǔn)全固態(tài)電池

　　過去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，已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代動力電池的主要研發(fā)方向。

　　近日，以“綠色新動力，世界新動能”為主題的2023世界動力電池大會在四川省宜賓市開幕。本次大會邀請了多位知名院士及專家出席，匯聚了300余位來自行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及跨國企業(yè)的重要嘉賓，聚焦下一代動力電池、全固態(tài)電池等行業(yè)熱點話題，深度剖析動力電池行業(yè)勢態(tài)與發(fā)展前景。

　　中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主席萬鋼在開幕式致辭中指出，要加大下一代動力電池技術(shù)研發(fā)的力度，科學(xué)判斷下一代動力電池技術(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，推進產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與示范運行，同時開展市場和技術(shù)評估，為下一代動力電池規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供先行經(jīng)驗。

　　那么，什么是下一代動力電池?又為何要推動下一代動力電池研發(fā)呢?

　　動力電池能量密度已接近“天花板”

　　電池材料直接決定了動力電池的能量密度、安全性和成本，而其中能量密度又是動力電池的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，我國已形成以三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池為主的動力電池發(fā)展路線，國內(nèi)三元鋰離子電池能量密度可超過300瓦時/千克，磷酸鐵鋰離子電池能量密度可超過200瓦時/千克，均達到世界先進水平。

　　動力電池具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于小型電器中。當(dāng)前，動力電池已在移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等產(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汽車中試用，成為當(dāng)前電動汽車的主要動力電源之一，并將在航空航天、儲能等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　然而，隨著動力電池技術(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偏低，低溫性能也有待提高。同時，動力電池市場細(xì)分化趨勢愈發(fā)明顯，電池產(chǎn)品的差異化水平進一步提高，動力電池技術(shù)路線創(chuàng)新也能更好地滿足多元化的場景應(yīng)用需求。因此，下一代動力電池應(yīng)運而生。

　　“與鋰離子電池相比，下一代動力電池可以降低30%—40%的材料成本。”LG新能源副總裁、下一代電池研究院院長孫權(quán)男說，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力電池

　　相關(guān)專家表示，過去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，已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代動力電池的主要研發(fā)方向。

　　全固態(tài)電池號稱是鋰離子電池的“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)或鋰離子電池來說“優(yōu)勢太大”。

　　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。

　　再次，全固態(tài)電池還具有更長的壽命。因為固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性可以減緩電池的失活和退化過程，延長電池的使用壽命，并阻止金屬鋰的電極枝晶生長，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，需要更換整個電池結(jié)構(gòu)框架，實現(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，實現(xiàn)難度相對較小。“全固態(tài)電池是距離我們最近的下一代動力電池”已成為科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的共識。

　　“我們發(fā)現(xiàn)，在全球頂級期刊上發(fā)表的與全固態(tài)電池技術(shù)相關(guān)的論文正呈指數(shù)級增長，可以說當(dāng)前正處于該項技術(shù)商業(yè)化的前夕。”中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高說，現(xiàn)在全球已經(jīng)有無數(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。

　　全固態(tài)電池發(fā)展面臨挑戰(zhàn)但前景廣闊

　　當(dāng)然，下一代動力電池距離實際應(yīng)用仍有一段很長的路要走。中國工程院外籍院士、加拿大皇家科學(xué)院院士、加拿大國家工程院院士孫學(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，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產(chǎn)生有毒氣體，同時伴隨著電解質(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、儲存、運輸和后處理過程等嚴(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，往往需要對其進行高溫?zé)Y(jié)，否則會導(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)還存在鋰枝晶生長問題。

　　盡管下一代動力電池尚存諸多有待解決的技術(shù)難題，產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；瘧?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力電池的發(fā)展前景。他們一致認(rèn)為，全固態(tài)電池的進一步開發(fā)是實現(xiàn)電動汽車電池高安全性、長循環(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)

　　來源：科技日報