CATL研究院梁成都:全固态动力电池的商品化还需要3-5年

第一电动网 综合报道

5月24日,第一电动网在深圳举行“动力电池:电动汽车新需求——2016动力电池产业发展论坛”,力图理清动力电池产业格局及需求方向,探讨新时期的动力电池挑战和应对之策。宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)研究院总监梁成都博士发表了《全固态锂金属电池的挑战与进展》的演讲,他认为全固态动力电池的商品化至少还需要3-5年,从现在看来还有材料、结构及电池设计等诸多基础问题等待解决。

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宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)研究院总监梁成都

梁成都博士介绍,全固态电池的研究主要有三个主题方向,一是聚合物电解质的方向;二是基于氧化物电解质的方向,三是基于硫化物电解质的方向。欧洲公司在进行以聚合物为固态的研究,日本丰田、索尼、松下公司等是基于陶瓷类电解质加聚合物的研究,全固态电池当前并没有完全实现产业化。从总体分布来看,固态电解质研究分布在两个地区,一是美洲,美国做固体的比较多;二是亚洲,集中在东南亚,做电池研究、生产、开发以中国、日本、韩国为主。

全固态电池最关键的是离子传导问题及界面兼容问题,正极一般里面加有电子导体和离子导体,中间的固体电解质起着隔膜作用。在电池的充放电过程中,离子导电性起关键作用,对电池的容量发挥,循环充放电性能,功率等特性有显著影响。

梁成都博士说:“固体电解质大概分为三类,一是聚合物,二是氧化物、磷酸盐,三是硫化物。CATL在全固态电池的开发方面有很多年的研究和积累,同时大电池的设计和研发经验丰富,我们设计和国际上有一些区别,那就是在提高离子导电性、电池能量密度方面做了一些工作,目前处于比较早的研究阶段。CATL认为全固态电池真正能把能量密度做上去,做到300-500Wh/Kg的能量密度的话,单次充电续航里程会大大提高。这样对于电池的循环寿命要求可能稍微短一点。”

聚合物固态电池最大优势是安全耐用,就算电池经受穿钉,照样可以使用,切开、剪开、折弯照样可以工作,中间没有液体,不会有流动性。发生危险后,没有那么强的燃烧性,其单体能量密度和传统的锂离子电池相比,还是有明显的优势。法国Bolleri 公司已经将其商业化(化学体系为Li/PEO/LFP),已经在英国伦敦投放了3500辆城市租赁车。但是聚合物固体电解质的导电性与温度的关系很大,需要一个加热元器件,温度升高后,导电性变好,升高温度需要消耗能量,这样导致整体Pack的有效能量密度显著下降。同时由于聚合物固态电池的功率性能较差,所以在实际使用时,需要和大功率的超级电容器配合使用。更明显的缺陷是基于PEO的聚合物固态电解质电化学稳定窗口较窄,一般在4V以下,对应的正极材料选择只能是LFP。这样其总体能量密度很难达到300Wh/kg。

很多国内外公司和研究院所对氧化物固态电解质也有较多研究。其中做的较深入的为美国橡树岭国家实验室,采用LIPON做固态电解质,设计制作的固态薄膜锂金属电池,其循环寿命非常好,循环几万次都没问题,但一旦做成大电池,使用厚电极设计的时候,循环性能就会显著下降,无法达到应用需求。另外对于氧化物固体电解质,其离子电导率还是不够,一系列已知的氧化物固态电解质的室温离子导电率基本都达不到10-3 S/cm 的级别,和实际应用还有距离。

基于硫化物固体电解质,明显的优势在于其室温离子导电性接近现在的液体电解质,单从离子导电性的水平来看,已经接近应用的水平。日本公司最近几年在硫化物方面的研究比较多。硫化物也是CATL的重要研发方向,主要优点在于离子导电性较高;电化学窗口比较宽,拓宽了正极材料的选择范围,因而在电池化学体系选择方面更加多样性。

梁成都博士表示,对硫系全固态电池来说,正极界面和负极界面存在界面反应的问题。对于正极界面,可以采用正极包覆修饰方法解决,而负极界面可以在锂金属表面形成一层稳定的缓冲层。实际应用中离子导电性还存在接触的问题,采用热压方式改善界面接触来提高电池体系的整体离子导电性。硫化物接触空气和水的稳定性较差,遇到水会放出剧毒的硫化氢气体,并且很臭,如果车里出现这个问题,人承受不了。CATL对这个材料进行了改进研究,提高了它的稳定性,朝产业化更进一步。但制造方面是一个很大的挑战,生产流程、工艺方式和传统的锂离子电池的生产方式完全不一样。CATL进行一系列的材料研究和工艺开发,在固态电池的产业化方向进行了积极布局。

“说到电池的生产工艺,大家希望全固态电池可以早点出来,但问题是现在连生产设备都没有,这是一个挑战。纯固态的生产工艺过程,将来可能需要一系列的工作,即使现在把化学体系的研究完成了,从生产设备开发到设计出可使用的电池,至少还要3-5年的时间。化学体系本身还需要一个持续优化的过程,所以我们认为基本在五年左右,当然不排除当中会有突破性的东西出来。”

当前的市场需求希望采用全固态电池来解决传统锂离子电池的安全问题,并且提高能量密度,使车可以开得越来越远,同时电池成本降下去,CATL认为全固态在未来实现车用是有希望的,但是大家需要耐心等待技术成熟。

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