中國儲能網訊：目前固態(tài)電池處于前期，前期從全壽命周期進行充分地考慮，應該借鑒液態(tài)電池相關的經驗，在前期推動相關的固態(tài)電池標準制定，需要各位同行群策群力，共同推動相關的工作。
演講人：衛(wèi)藍新能源固態(tài)電芯部負責人 李久銘
演講主題：固態(tài)鋰電池的發(fā)展現狀和應用思考
尊敬的各位專家、領導、同仁下午好，非常高興能代表北京衛(wèi)藍新能源參加這次會議。我是李久銘，在北京衛(wèi)藍新能源負責固態(tài)鋰電池的開發(fā)。
這次報告主要想分享一下我們對固態(tài)鋰電池的一些思考。我的報告從三方面展開，首先是分析對比一下固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池的區(qū)別，第二固態(tài)鋰電池應用情況，第三固態(tài)鋰電池產業(yè)布局，以及衛(wèi)藍在固態(tài)鋰電池的相關研發(fā)情況。
首先是固態(tài)鋰電池的定義，從我們的理解來看，目前除了法國博洛雷公司基于磷酸鐵鋰全固態(tài)電池有量產之外，剩下的幾乎沒有純的全固態(tài)電池產品。目前來看大家還需要對相關的定義進行明確以下。首先是液態(tài)鋰電池，只含有液體電解質的電池。第二是混合固液電解質鋰蓄電池，第三是半固態(tài)鋰電池，電池中任一側電極不含液體電解質，另一側電極含有液態(tài)電解質，或者單體中固體電解質質量或體積占單體中電解質縱質量或總體積之比的一半。還有全固態(tài)電池，不詳細贅述。
我們對電池進行了簡要分類，分別對液態(tài)鋰電池、混合固液鋰電池、和全固態(tài)鋰電池進行了細分。目前大家普遍認為，固態(tài)鋰電池不容易燃燒、爆炸，無泄露和腐蝕問題，主要是因為固態(tài)電池里面電解液的含量少或者沒有，因此不會在熱失控條件下發(fā)生體積膨脹，進而發(fā)生爆炸情況。但其實目前固態(tài)電池的安全問題還是需要很多的實際測試數據進行支撐的。第二是高溫下的腐蝕界面問題，從固態(tài)電解質本身特點考慮，固態(tài)電池的高溫性能應該會更好。第三是原材料純度的問題，目前都是單離子導體，充放電過程里面只有鋰離子進行傳輸和運動。第四是制造成本和工藝復雜性問題，目前很難說，這和所使用的固態(tài)電解質材料體系有很大的關系。目前大家的思路是，盡可能和現有的鋰電設備和鋰電工藝所兼容，把成本盡可能地降下去。最后是大家最關心的能量密度問題，傳統(tǒng)的液態(tài)電池的能量密度天花板大概在350Wh/kg左右，固態(tài)電池能做得更高？
液態(tài)電池基于單體封裝，外部串聯結構進行設計，固態(tài)電池由于不流動性，可以設計成內部串聯結構，這樣可以在封裝工藝上有效地降低電池體積，從而可以提高電池的體積能量密度。對于質量能量密度，常用的固態(tài)電解質的密度比如氧化物的LLZO5.07、LATP2.93，如果單純把液態(tài)電解液換成固態(tài)電解質，使用LATP能量密度會降到232.9Wh/kg，單純的直接使用固態(tài)電解質的固態(tài)電芯的能量密度肯定更低，由于固態(tài)電解質不流動性，在電池中的體積占比一般高于液態(tài)，因此導致固態(tài)電池能量密度進一步降低，固態(tài)電池到底在質量能量密度上有沒有優(yōu)勢？
肯定有，首先固態(tài)電池可以使用金屬鋰負極，相比于傳統(tǒng)液態(tài)電池，使用金屬鋰電池的能量密度比有明顯的提升。因此，結合金屬鋰之后，可以輕松突破350Wh/kg的門檻。由于固態(tài)電池在熱安全性和熱失控性表現更好，因此可以簡化散熱系統(tǒng)的設計。雖然散熱系統(tǒng)的占比不是特別大，但是這個可以從某種層面上提高系統(tǒng)的質量能量密度。
對于功率密度這塊，大家印象中固態(tài)電池的倍率性能不是特別好，這方面日本人做了相關的極限測試，他們借助于一百度高溫，可以實現超高倍率的放電，上午日本專家也說了，這點并沒有提到充電的問題。這個問題是這樣理解的，對于傳統(tǒng)無機固態(tài)電解質材料都是單離子導體，如果能夠有效地解決固態(tài)電池的工藝問題，固態(tài)電池的充放電倍率在理論上是有可能優(yōu)于傳統(tǒng)液態(tài)電解液。此外對于傳統(tǒng)的液態(tài)電池，其能量密度與功率密度之間通常存在著反比的關系，但是在這項研究工作中可以發(fā)現，固態(tài)電池因為受鋰離子擴散極化影響比較小，有可能同時實現高能量密度和高功率密度的問題。當然如何把扣電上得到的固態(tài)電池數據擴大到軟包電池上，還需要進一步研究。
基于以上特點，我們希望固態(tài)電池能夠解決的問題主要有以下這些方面，比如防止SEI膜持續(xù)生長，降低熱失控風險問題，這就是傳統(tǒng)的液態(tài)電池現在難以解決的痛點問題。概括起來是，我們希望固態(tài)電池能夠同時實現高能量和高安全的電池。
對于固態(tài)電池，它的核心是固態(tài)電解質材料，這里列舉了常見的六大類固態(tài)電解質材料體系。從性能雷達圖上可以看，目前還沒有十全十美的材料，有的是離子電導率比較高，有的空氣穩(wěn)定性比較好，但是每種電解質材料體系都存在著各自難以克服的問題。
根據電解質材料，目前的固態(tài)電池體系主要分為四種。首先是聚合物電解質體系，有量產也有運營數據，但是主要問題在于能量密度不高，需要進行加熱使用。第二固態(tài)電池體系，這種電池循環(huán)非常好，可以達到上萬次，但是主要問題在于容量做不到，通常都是毫安時級別的電池，主要用在穿戴式的電子設備里面。第三種是硫化物固態(tài)電池，這種電池的突出優(yōu)點在于，離子導電率非常高，但是對空氣穩(wěn)定性非常差，露點需要負60度以下，對工藝條件非?？量獭Ｗ詈笫茄趸锕虘B(tài)電池，它有很多優(yōu)點，耐高電壓，對空氣比較穩(wěn)定，但是由于氧化物固態(tài)電池的界面電阻比較大，因此它的工業(yè)化難度也是非常大的。
從電池材料技術路線角度考慮，如果負極不含鋰，正極一定是含鋰材料，如果負極含鋰，正極選擇的余地就大多了。因此，全固態(tài)電池如果和金屬鋰負極搭配起來，可以有效地拓展正極材料的選擇范圍。從整個產業(yè)鏈來看，目前我們的考慮是針對不同應用的固態(tài)鋰電池的材料體系應用體系應該是不同的，目前固態(tài)電池材料體系和技術工藝路線不確定，因此后端相關的模組、智能制造技術尚未確定，產業(yè)鏈目前不是特別完善。
最后是技術挑戰(zhàn)分析。首先是固液混合電池，一定要搞清楚里面的電解液含量多少，20%、10%還是5%，差別非常大。目前還沒有一個很好的方法對電解液含量進行標定，我們也一直想把電解液含量標定把它作為一個標準提出來。對于全固態(tài)電池，由于固態(tài)電解質不具有流動性，難點主要在于界面接觸都是點與點接觸，界面接觸是全固態(tài)電池的關鍵問題，里面有很多科學和技術的難點，需要一個綜合解決方案進行解決。
總結一下，目前固態(tài)電池在固固界面接觸、全壽命周期的特性上存在很多問題，這些問題希望在近幾年能夠得到有效解決，從而加速固態(tài)電池規(guī)?；膽谩?
下面講固態(tài)電池的應用情況，首先由于固態(tài)電池具有高能量密度和高安全性，因此固態(tài)電池可能在一些特殊領域率先得到一些應用。第二在儲能領域，國家對儲能領域的要求是高儲能和高安全。
從整車設計的考慮，這是與傳統(tǒng)的液態(tài)電池包進行對比，如果換成固態(tài)電池，能量密度不變的情況下，可以把電池包的厚度進行明顯降低，電池包厚度的降低可以使整車設計的余量更加寬裕。所以我們的設想在整車底盤下部做一個固定電池包，同時基于體積和質量能量密度的提升，做成可換電的標準固態(tài)電池包。
目前固態(tài)電池處于前期，前期從全壽命周期進行充分地考慮，應該借鑒液態(tài)電池相關的經驗，在前期推動相關的固態(tài)電池標準制定，需要各位同行群策群力，共同推動相關的工作。
其次是固態(tài)電池產業(yè)布局，這里列舉了世界范圍內正在開發(fā)固態(tài)電池的企業(yè)，粗略來看，歐洲主要是聚合物體系，美國是固液混合，在亞洲中日韓主要是氧化物、硫化物體系。這里主要列舉了固態(tài)電池的相關研究機構和簡要的技術指標，這是中國參與的固態(tài)電池的研究團隊，列得不是特別全，從側面可以看到，參與機構非常多，說明固態(tài)電池在我國的重視程度非常高。接下來介紹一下中科院體系對固態(tài)電池相關的研究工作。
首先是中科院寧波材料所許老師團隊，他們基于硫化物和氧化物電解質材料體系。其次是青島能源所崔老師的團隊，固態(tài)電池完成了在深海的應用示范。這是物理所的陳立泉院士團隊， 2016年陳院士作為技術帶頭人，成立了我們北京衛(wèi)藍新能源公司，專注于下一代固態(tài)鋰電池的開發(fā)。這是陳老師這幾十年來參與的關于國家863等一系列項目，關于固態(tài)鋰電池研究情況。
重點提一下物理所利用離子運輸數據庫，可以對上千種含鋰材料進行篩選，從而尋找新的固態(tài)電解質材料。舉兩個例子，首先是高通量計算進行硫化物電解質，探索如何同時提高穩(wěn)定性和高離子電導率，這是高通量計算設計并預設出了一種氧硫化物，一種新型電解質材料。
最后簡要介紹一下北京衛(wèi)藍新能源公司，我們的原始技術來源于中科院物理所，我們現在目前員工大概在150人左右。這是我們的技術路線和技術思路。我們主要從兩個角度進行考慮，首先從固液混合角度出發(fā)，目前固態(tài)電池含量在25~15%之間，我們把電解液含量降低，最終變成全固態(tài)，從全固態(tài)角度出發(fā)，通過原位固態(tài)化最終做成固態(tài)。整體上來看，隨著電池中電解液含量的降低，電池能量密度不斷地推進，最終期望可以做到500Wh/kg左右。
為了實現這些目標，我們主要圍繞著五大技術進行開發(fā)，分別是離子導電膜技術、固態(tài)電解質技術、復合金屬鋰技術等技術。首先是固態(tài)電解質技術，比如LATP對正極材料的包覆改性，我們可以把這項技術，用在PEO全固態(tài)的電池，成功使用了PEO體系在4.2伏下的穩(wěn)定長循環(huán)，也可以應用在硫化物電解質體系，可以有效消除傳統(tǒng)的正極材料和硫化物電解質的空間電荷層效應。這種膜在高溫下比較穩(wěn)定，并且機械性能比較好，離子導電率比較好，結合原位固化技術，有效解決固態(tài)電池電解質與正負極之間正面接觸問題。這是結合離子導電膜之制備的混合固液電池，循環(huán)在700次以上。我們所采用的混合固液相關技術相比液體能夠很好提高電池的安全性能。隨后我們結合了離子膜技術，我們進行了初步探索，質量能量密度到500Wh/kg以上。最后是利用原位固化做的探索，時間關系，不一一贅述。
最后是產業(yè)化的應用，我們把300Wh/kg混合固液電池進行裝車示范，目前電池系統(tǒng)能量密度在208Wh/kg，續(xù)航里程在五百公里以上，這個項目通過了中科院戰(zhàn)略先導科技專項項目，并榮獲中科院北京分院科技成果轉化特等獎。我的報告主要這些，歡迎大家多多交流！
