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欧阳明高:为什么中国需要全固态电池?
发布时间:2024-05-08  浏览数:28

作为下一代动力电池的重要技术路线,全固态电池正面临产业化发展难点和日益激烈的国际竞争,如何破解难题,是能否保持中国锂电池产业、乃至中国新能源汽车产业持续领先全球的关键。

 

1月21日,中国全固态电池产学研协同创新平台成立,为破解这一瓶颈提供了重要保障。“在国外已经取得一些进展的情况下,国内全固态电池研发目前仍然存在认识不统一、力量比较分散、产学研不协调等问题,迫切需要建立全固态电池产学研协同创新平台,联合起来共同突破全固态电池产业化的关键技术。”当日,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高在接受《中国汽车报》记者专访时,围绕全固态电池产学研协同创新提出了见解和观点。

中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高

 

成为世界竞争的焦点


全固态电池正在成为世界竞争的焦点,这是行业内有目共睹的事实。数据显示,2011年以来,世界全固态电池相关论文呈现爆发式增长,与以往相比增长了10倍。“全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一,被列入中国、美国、欧盟、日韩等主要国家的发展战略,也成为下一代电池技术竞争的关键制高点。”欧阳明高表示,全球固态电池产业布局呈现一系列新特点,如中国企业数量最多,日韩企业数量较少但实力较强,美国基本是创业企业,而欧洲主要是与美国创业企业进行合作等。

日本正以举国之力推动全固态电池商业化,已经有官-产-学联盟,丰田、本田、日产等既开展全固态电池研发,也从事整车生产,在电池与整车性能匹配方面较有优势。其中,丰田在全固态电池研究上时间较早积累较深,目前日产、本田也已发布了其试生产和产品上线的时间节点。所以,日本的全固态电池研发已经是全行业在行动。

 

韩国是全球居第二位的电池产业大国,尽管汽车企业在全固态电池研发上不够积极,但是韩国三大电池企业实力较强,并在全固态电池研究方面取得了实质性进展,特别是三星已率先开发出了全固态电池。

 

与日本不同的是,美国全固态电池研究基本以创业企业为主导,大企业、汽车企业并没有太多介入。这些创业企业的支撑,主要来自股市与欧洲车企。其中,Solid Power与宝马合作,Quantum Scape与大众汽车合作,近来都发布了固态电池研究最新进展,Quantum Scape已发布了固态电池新产品,带来了其股价的上扬。

 

世界全固态电池行业的竞争正日趋升温。“在目前全固态电池产业路线图上,不是一家公司,而是很多公司,并且是有实力的公司,其产业化时间基本都定于2027年至2030年,这种共识并非偶然。”欧阳明高说,这也表明了全固态电池的世界竞争态势。

 

中国需要全固态电池


中国是否需要发展全固态电池一直是行业高度关注的问题。

目前,中国电池产业处于全球领先地位,在液态锂离子电池产业上已经取得辉煌成就,近十年来动力电池能量密度提升3倍,成本下降80%以上,产量占全球份额近70%。

但如今中国电池行业也面临产能过剩、行业内卷。”欧阳明高分析,由于锂电池成本不断下降,技术门槛较低,很多企业蜂拥而入,而高端产品并没有满足电动汽车用户需求,如350千瓦以上的超级快充,在全寿命周期内如何不发生析锂、不影响寿命、不出现安全事故,仍是亟待解决的问题。总体上,国内电池企业仍面临技术门槛不断提升的挑战。而全固态电池是破解这些问题的路径之一。

 

在欧阳明高看来,此前2016年中国新能源汽车市场占有率1%之时,全球已经开始向电动汽车转向。目前中国电动汽车市场渗透率只有约30%,全球就已经为中国电动汽车领先而感到惊讶。因此,对于汽车技术而言,如果中国的全固态电池产业化有1%就会具备突破性意义。

动力电池未来10年的发展,始终牵动着行业的目光。“为什么中国需要全固态电池?因为全固态电池具有技术颠覆的性能潜力。”欧阳明高解释,全固态电池还有高安全性、高能量密度、高功率特性,以及温度适应性更宽等特点。“我们的实验表明,全固态电池1C充电循环可以达到1000次,5C充电循环反而可以达到10000次,这也是全固态电池成为未来动力电池重要发展方向之一的因素。”欧阳明高表示。

 

在全固态电池研究上,中外之间存在差异。“与国外基本都是全固态电池研究不同的是,当前国内的固态电池技术路线是多元化、并以固液混合的半固态电池为主。”欧阳明高谈到,半固态电池的特点,是固液混合的电化学原理与液态锂离子电池原理相同,是提升安全性的技术之一,但不属于颠覆性技术。国内的半固态电池正在试装车,但其良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命等问题仍有待解决。

 

从全行业角度,欧阳明高提出,国内既要发展渐进性的半固态电池技术路线,也要防范激进型全固态电池技术路线带来的颠覆性风险。同时,国内外在全固态电池技术专利布局方面差距较大,截至2023年10月,丰田有1300多项,国内还没有一家企业超过100项。

 

欧阳明高所率领的研究团队,正聚焦电池安全研究与新型电池开发。欧阳明高向记者透露,该团队正在进行的研究包括被动安全研究与高安全电池开发、主动安全研究与智能型电池开发、本征安全研究与全固态电池开发。其中,高安全电池和智能型电池研究为全固态电池技术演进奠定了基础。在此基础上,他们提出了硫化物复合电极制备新方法,正极容量高的可以达到235mAh/g,而新提出的硅负极低成本制备方法,容量可以到2400mAh/g,同时还研发安时级硫化物全固态电池样品,初步打通硫化物全固态电池装配流程,目前已进入样品阶段,正在逐步攻克技术和工程瓶颈。

 

产学研协同破解瓶颈

 

中国全固态电池产学研协同创新平台的成立,对于破解全固态电池产业发展瓶颈,具有重要意义。“全固态电池产业化仍然面临一系列科学难题,既需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池等不同层面解决现有难题,也需要应对全固态电池的工艺设备挑战,以及产业链挑战。”欧阳明高认为,面对诸多挑战,要统一认识、集中力量、协同产学研等工作,亟需全固态电池产学研协同创新平台发挥作用。

欧阳明高表示,在中国产学研合作促进会支持指导下建立“中国全固态电池产学研协同创新平台”,可以在政府主管部门指导下做服务性和协调性工作,主要包括三个平台,即科研服务平台、基础研发平台、产业协作平台。

 

在科研服务方面,包括政策研究,平台要对国外信息的收集整理进行研究,提供给政府主管部门参考。同时,要向主管部门及有关方面、产业界、社会各界传递正确信息,既不要过于焦虑,也不要过于乐观,要以科学严谨的态度来对待全固态电池,这也是国内技术研究和政策制定的基础。此外,还包括资金的筹措,以及成果转化,帮助地方、企业做产业化落地等。

在基础研发方面,对于没有进入专利保护的技术可以联合研发,还要解决数据库缺乏、不集中、不一致、没有统一的评价流程和方法等问题。还可以在材料研发的仿真、算力等方面进行合作。

 

在产业协作方面,全固态电池产业链及其新设备、新工艺等无法从传统渠道获得,需要重新构建。同时,有了产学研协同,会减少内部分歧,形成合力,促进产业链不断升级优化。

欧阳明高认为,人工智能正在颠覆材料科学的研发范式,并将大幅度加速全固态电池的研发速度。将来是24小时的黑灯实验室,还有大算力的计算平台帮助计算,这会大大加速研发进程,也给2030年左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。

 

他表示,新一代全固态电池走向应用,也是一步步提升市场占有率。即使乐观地预计从2030年起开始产业化,但市场份额达到5%-10%还需要多少时间尚难预测。所以,现有的电池体系不能丢掉,起码未来20年仍将是主体。而且现有锂电池成本已经非常低,全固态电池也很难与其拼性价比。

 

展望中国全固态动力电池材料体系的研发和产业化发展趋势,欧阳明高认为,新能源汽车产业发展需要低成本、高比能的动力电池,因此研究上要两头发力,力争在2030年左右实现全固态电池产业化突破。“有全固态电池产学研协同创新平台的支撑,我们对中国电池产业持续引领全球充满信心。”欧阳明高强调。

 

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