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产业前瞻 欧阳明高(PPT):全固态电池研发现状与产学研协同创新前景展望
发布时间:2024-05-11  浏览数:20

全固态电池技术已成为新一代高能量密度电池的关键发展趋势。为推动全固态电池技术创新与产业化进程,在中国产学研合作促进会的指导下,由多位院士专家,多家领军企业、知名高校、研究机构,以及多个地方政府联合发起,2024年1月21日,中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)正式成立。

在“中国全固态电池产学研协同创新平台”成立大会暨中国全固态电池创新发展高峰论坛上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高针对全固态电池领域的关键问题和热点问题进行深入探讨,引领全固态电池技术与产业化发展。


 

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的陈主任、苗部长、各位领导、各位院士、各界的朋友大家下午好!我来给大家报告一下全固态电池的研发现状与产学研协同创新的前景展望。我想讲三点。

 

第一,  全球全固态电池的研发背景。

 

刚才陈院士回顾了上世纪70年代开始的关于固态电解质的研究,国内外很多科学家在前期做了很多大量的基础工作。

当年陈院士在德国进修,启发他转行的就是早期的固态电解质氮化锂,大概70年代1978-1980年左右形成研究热潮,这是比较早的。

 

 

当时更早的还有初期的氧化物固态电解质。氮化锂这个物质因为稳定性比较差,所以后来放弃了。

另外一个就是硫化物固态电解质,初期的硫化物性能上也不是很好,比如第二期的硫化物,真正爆发的是第三期硫化物。

还有其他的比如卤化物固态电解质,也是很早就开始研究,今天在座的孙学良院士是卤化物固态电解质研究方向的领军专家之一。还有石榴石型氧化物,这是我们南策文院士团队的主要研究路线之一。

所以我们可以看出从上世纪60年代开始至今,固态电解质的离子电导率数量级从刚开始10-8到10-7到10-3,现在到10-2 S/cm。刚才讲的这些前期的固态电解质都是在10-4、10-5,基于这些固态电解质制成的电池一直无法满足实用要求。1992年液态锂离子电池发明后,迅速产业化并在2000年后逐步应用于电动汽车,引发了新能源汽车革命。

近十年来以硫化物固态电解质为代表的新型固态电解质发展迅猛,离子电导率赶上甚至超过液态电解质。第一次是2011年由东京工业大学的Kanno教授发明的,他继续创造奇迹,2016年将离子电导率提升至25mS/cm,2023年最高达到32mS/cm,当然该固态电解质中含有锗元素,成本比较高,所以目前也发展了成本较低的硫化物固态电解质,现在锂磷硫氯是我们用的比较多的固态电解质。

 

 

受限于固态电解质的发展,在以前早期,固态电池无法和液态锂离子电池媲美,当然到现在也还不能,但是电解质的离子导电率在2011年由Kanno教授发明的这个电解质出现之后引起轰动,引发了这一轮全固态电池的全球竞争。

 

 

所以在2012年丰田就试制了全固态电池,然后开始不断的有企业增加。大家可以看出全固态电池的论文在2011年之后呈现爆发式增长,原先是在三五百篇,现在到三五千篇,增长了十倍。

现在大家越来越有共识,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。

 

 

从全球固态电池产业布局来看,中国的企业大概是最多的,然后是日本,日本企业虽然不多,但是实力很强。美国主要是一些创业企业。欧洲主要是和美国的创业企业合作,然后韩国也不多,但是力量很强。

 

 

我们首先看一下日本,日本应该说是举国家之力推动全固态电池商业化,他们也有官-产-学联盟,丰田、本田、日产,目前在全球,既做全固态电池研发又搞整车生产,在电池与整车性能匹配结合方面会比较有优势。其中丰田做的是最早也最深的,现在日产也发布了他们试生产和产品上线的时间节点,本田也发布了。所以不是丰田一家,而是他们整体的一个行动。

 

 

另外就是韩国,韩国的汽车厂倒是不积极,但是韩国有三大电池厂,应该说目前是全球居于第二位的电池产业大国,虽然它的电池厂不多,但是这三家实力是很强的,在全固态电池方面这三家都还是取得了实质性的进展。尤其是三星,我们现在国内还有很多单位在复现它们做出的全固态电池。

美国与日本不同,基本上是一些创业企业,美国一向是以创业企业为主导的。大家知道电动汽车企业特斯拉也是以创业为特色的企业,不管哪一行都是创业企业在先导,反而大企业并没有介入太多,他们的汽车厂也没介入,他们没什么电池厂,所以基本上都是靠创业企业。那么这些创业企业靠什么支撑?一个方面当然靠股市,另外一个方面靠欧洲车厂。比如Solid Power和宝马合作,比如说Quantum Scape和大众合作,最近两家都发布了消息,尤其是Quantum Scape股市涨得很好,因此它们发布了一个产品。

 

 

总之,目前全固态电池产业路线图不是一家公司,是很多公司,而且是具有实力的公司,基本上产业化时间都是在2027-2030,那也就是说大家都聚焦到这个时间,那这不是偶然的,是有一定共识的。

 

 

第二,  中国全固态电池的发展需求。

 

中国要不要发展全固态电池?我们要讨论一下这个问题。我们中国是目前电池的领先国家,好像也不用担心,就算是全固态电池搞出来,就算是2030年产业化,要想替代液态锂离子电池50%市场份额至少需要二十到三十年。

但是电动车现在也就只替代了30%,全球就惊呼中国车要领先了,不需要到50%,到1%就已经预警了。当年我们新能源汽车市场占有率达到1%的时候,大概2016年全球开始向电动汽车转向,对于汽车技术而言1%是很重要的市场份额,所以市占份额不需要替代到50%,替代1%就已经具有突破性意义。

 

 

我们现在的情况是,液态锂离子电池产业发展取得辉煌的成就,十年来动力电池能量密度提升3倍,成本下降80%以上。我们电池的产量也接近全球70%,这个值得骄傲和肯定。可是如今,电池行业也面临产能过剩、行业内卷。

现在电池行业一个方面是低成本电池的成本不断下降,技术门槛比较低,门槛低来的人就多,很多民营企业有钱的都要进来。但与此同时我们并没有完全满足电动车客户的需求,比如说超级快充,350千瓦以上,怎么在全寿命周期内不析锂、不影响寿命、不发生安全事故,这是一个很大的挑战。低温续航,也是一个挑战。经常有人抱怨。

还有体积能量密度,大家知道国外的厂家,比方说在欧洲,德国厂家都提出在2026年,负极硅的含量要达到接近50%,我们现在只有百分之几就受不了了,因为膨胀率太高,50%怎么达到?50%的硅这对寿命会有极大的影响。为什么要这么做?体积能量密度还要进一步提升,毕竟磷酸铁锂电池的体积能量密度还是偏低的。当然我们不是没有技术方案,但是我们面临着技术门槛不断提高的挑战。

另外我们看一下锂离子电池的技术创新周期。大家知道光伏电池的创新周期大概十几年换一代,锂电池会长一些,我个人认为大概30年。

 

 

我们大家知道锂离子电池从手机到动力电池是从2000年左右开始的。第一个十年,从手机电池到动力电池,首先要处理的问题就是安全。现在还在继续解决,但有的领先企业基本上解决了。现有的比能量下应该可以解决,但是比能量再提升呢?大家会反问比能量为什么还要提升?问题是如果比能量提升了,成本不用提升太多呢,是不是就要颠覆?近十年来,智能化技术逐步在电池行业应用,近几年我们现在还在解决,行业内卷急需提质降本增效,用什么办法?数字化转型。就是电池全生命周期全链条智能化。

那么下一个十年,或者现在已经开始的十年我认为是材料换代,因为刚开始我们就是材料换代导致的。为什么我们能够将锂离子电池应用到汽车上呢?就是因为有三元和铁锂电池,电池刚刚装车时候不断烧车,所以那时候锂离子电池根本不被看好。新能源汽车国家科技专项到2005年才勉强把锂离子电池作为重点,在这之前还是铅酸电池和镍氢电池。

后来由于磷酸铁锂和三元电池材料创新,锂离子电池成为动力电池的主流。现在我们又到了新一轮材料创新周期了。这个周期我认为要到2030年左右,也就是全固态电池有可能2030年左右实现产业化。我们面临国内外竞争加剧,虽然我们有世界第一,但是我们要居安思危。发展方向就是低碳化、智能化、固态化三个方向。下面我重点说一下固态化。

什么是全固态电池,为什么要搞全固态电池?因为全固态电池具有技术颠覆的性能潜力,不是说它有这个能力,是有这个潜力。为什么?首先说高安全性。从液态到固态,硫化物固态电解质的热稳定性可以保持到300°C,液态电解质是100°C就要蒸发了,所以它增加了200°C的安全空间,我们也专门做过全固态电池的安全性,至少可以提升200°C,这个对我们正常的工作范围是有安全保障的。

 

 

第二个就是高能量密度,当然现在并没有实现高能量密度,但是它有这个潜力。不仅从单体电池,而且从电池模组的角度也有这个潜力,因为它可以做成双极板。现在的液态单体电池必须把它包起来,不然的话电解液漏液就会短路,将来是固态电解质,不需要包起来了,既然不需要包起来,我们没有必要用那么多外壳,就像燃料电池一样串叠起来就可以了,这是它从单体和模组两个方面都可以提升能量密度。

第三,就是高功率特性。我们现在液态锂离子电池的离子传导是叫运载模式,我们要溶剂化,再要脱溶剂化,通俗讲就是离子在液态电解质中移动需要“坐船”,但是锂离子在固态电解液中间是跳跃模式,它传递速率更高,这就导致充电的速度可以大幅度提高,这就是它的高功率特性。这个快充和我们现在的快充不一样,现在的充电速度如果太快就会析锂,负极电位低到零就会析锂,因为锂离子都堆在负极的门口进不去,就会导致极化增加、电位下降,导致析锂。这个问题我们到了全固态电池之后是可以解决的。

第四个就是温度适应性。大家知道我们现在的液态电池在低温环境下续航里程不理想。液态电解质,锂离子导率和温度直接相关,全固态电池的电解质在-30°C和100°C的范围内都不会凝固,不会气化,所以温度适应性很好,不需要我们搞那么复杂的热管理,也不会因为冬天大幅的容量下降。

最后一个就是材料的选择范围更广了,因为固态电池的电化学窗口要宽,比方说卤化物抗氧化特性非常好,可以适应高压。比方说硫化物适应低电压,现在也有人把这两个配合起来,就可以做成电化学窗口很宽的电池,这样可以把电压进一步提升。

这样一些特性是可以同时满足的,不像液态电池一方面性能好了另外一方面性能就不好了。比方说比能量高了,但是充电速率降下来了,也可能是电池寿命缩短了。再比如说充电倍率性能提升了,可能循环寿命就降下来了,固态电池不是这样的,如果充电倍率提升,电池寿命反而会有增长趋势。我们做的实验表明,1C循环1000次,5C反而可以循环10000次,它与液态电池的特性是不一样的。所以我们认为全固态电池是动力电池重要的发展方向之一。

现在全球固态电池是以全固态电池为主,国外基本上是以全固态电池为主的,全固态中又以硫化物电解质为主,这是两个特点。

 

 

这两个为主也是我们很需要值得思考的。现在氧化物由于它的离子导电率相对偏低,另外过硬、过脆,现在都逐渐转向固液混合。聚合物也一样,电化学窗口比较窄,电导率更低,现在也是转向固液混合。卤化物应该说有潜力,但是目前还在实验验证阶段,所以国外选择的基本上是硫化物全固态电池。硫化物,第一,离子导率最高;第二,材料比较软,固固结合的时候,等静压可以让它比较好地结合。但是硫化物也有很多问题,空气稳定性、化学稳定性都很不好,还有很多问题需要解决。

那么当前中国呢?固态电池技术路线是多元化,我们是以固液混合为主,这和国际上是不一样的,国际上是全固态为主。固液混合当然就是氧化物和聚合物电解质等的结合为主,硫化物在国内并不是主导技术路线。我们现在国内做固态电池的单位是很多的,当然有很多原先也是做全固态的,后来转向半固态,产业链也比较完整,而且现在很多原先是创业企业做,现在好多主流电池厂也都在做固液混合、半固态。有些企业也在尝试装车。

 

 

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还是相同的,不属于颠覆性技术,是提升安全性的技术之一。半固态电池正在试装车,但是良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命这些问题还需要解决。就是大规模生产,我们还需要提高良品率、降低电池成本,而且充电倍率一般会有所下降,循环寿命也会很难跟液态的进行比较,这是我们需要解决的问题。

从全行业看,我们既要发展这种渐近性的半固态技术路线,但是我们又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险。这种风险在哪里?就像十几年前汽车电动化转型时期,就是在选择是混合动力还是纯电驱动,当时就引起大讨论。后来国家汽车战略选择了纯电驱动,包括了纯电动和插电混动,而把油电混动不作为主要的方式,这个情形和今天是类似的。

我更早期是做内燃机电控的,那时候搞柴油机电控,也有两条技术路线,一条就是渐近性的,搞电控泵,还有一条技术路线就是高压共轨型,苗部长知道,当时我们就是这两种,不知道该怎么选。企业说高压共轨系统中,高压油管内压力达到两千个大气压,这不就是一个炸弹吗?没有人敢做。但是最后电控泵是过渡,共轨成为主流,这已经几次出现这样的情况。所以我引起大家的思考,有风险,以固液混合为主的路线要搞,但是全部依赖它是有风险的,我们要防范全固态电池技术路线带来的颠覆性风险。

在全固态电池技术方面,目前国内外专利的布局差距是比较大的,刚才说了丰田是1300多项。我们国家近五年在加速,但是我们查了一下,数据来源是“智慧芽全球专利数据库”,截止2023年10月,国内公司有关全固态电池的专利,最高没到一百项。这其中我的院士工作站,四川新能源汽车创新中心有限公司,全固态电池专利授权排国内第二位。下面我就简单介绍一下我的团队电池相关研发的情况。

 

 

我的团队有三大研发板块,电池储能、绿色氢能、智慧能源。模式叫问题导向、学科交叉、创新创业,推动我国新能源汽车发展与新能源技术革命。其中电池板块的校外基地在宜宾,也是国家市场监管总局的重点实验室。

 

 

我们聚焦电池安全研究与新型电池开发,这里面包括了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。

首先,关于高安全电池。

我们采用了本征安全电解液+原位聚合技术,我们用聚合单体,把液体尽量地去掉。我们用聚合网络来束缚锂盐,抑制锂盐与负极的放热副反应,用一个高热稳定性聚合网络的包覆层,减缓正负极接触的热失控反应。高安全电池的热失控温度提升接近50°C,可以通过170°C 30分钟的热箱测试,可以达到360Wh/kg,而且可以基本保持原来的充放电倍率,因为不用固态电解质,成本也没什么太大变化。

 

 

第二,智能型电池。

首先我们是开发传感器,包括智能端盖、智能隔膜、智能集流体,我们把隔膜变成电位传感器,智能端盖植入芯片等,而且是无线BMS,现在我们首先应用的场景就是储能电池。动力电池容量偏小,装传感器会增加成本,现在储能电池500Ah一个,成本增加比例很小,而且大安时电池需要智能化,一旦出现一个电池安全问题,那是毁灭性的。

 

 

第二,智能型电池。

首先我们是开发传感器,包括智能端盖、智能隔膜、智能集流体,我们把隔膜变成电位传感器,智能端盖植入芯片等,而且是无线BMS,现在我们首先应用的场景就是储能电池。动力电池容量偏小,装传感器会增加成本,现在储能电池500Ah一个,成本增加比例很小,而且大安时电池需要智能化,一旦出现一个电池安全问题,那是毁灭性的。

 

 

借助这些手段,我们提出硫化物复合电极制备新方法,正极容量高的可以做到235mAh/g,新提出的硅负极低成本制备方法,容量可以到2400mAh/g,同时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,目前还是样品,我们也还面临一系列的技术和工程瓶颈。

 

 

第三,全固态电池难题与协同创新。

全固态电池目前面临的挑战是巨大的,具有跨学科的特性、技术门槛极高,包括材料界面、工艺、产业链、设备等,下面分别说一下。

首先是全固态电池的科学技术挑战。

 

 

全固态电池产业化仍然面临一系列的科学难题,需要从关键材料、界面、复合电极、单体电池不同层面进行解决。比方说材料层次,硫化物电解质化学稳定性、空气稳定性很差,批量生产很难,基础硫化锂很贵,我觉得首先要把这个价格压下去。现在自己做比买要便宜80%,所以做硫化锂需要把规模做上去,把成本压下来,不然的话大家都自己做。另外一个就是,硅碳负极的问题是体积膨胀大,而锂负极现在还不成熟。

在界面层面,电极材料、固态电解质的界面相容性,包括界面的副反应,固-固界面机械接触和体积变化等,我们现在要加压,制备的过程中加很大的压,多大?得5000个大气压以上。而且我们这个界面很复杂,有空间电荷层等等,要寻找新的材料作为过渡层,这些都要材料的创新。

第三是电极层面,高面载复合电极应变条件下的电荷输运缓慢,电解质本身10个mS/cm可以做,做成隔膜就不行了,做成复合电极就更差了。还有机械失效等问题。

最后是电芯片层面,环境控制成本高,因为空气稳定性问题,只能在手套箱里面做,这也是大问题。等静压压制方式的效率低, 5000个大气压压制,这个制作效率比较低。另外电芯做大做厚很难,然后还有车载工况下的电芯性能综合评估目前也没有相关的评价标准。

第二方面,全固态电池的工艺设备挑战。

如果我们用湿法工艺,大概能保留一半的现有设备。如果我们用干法工艺,三分之二的设备都不能用了,都要用新设备,这也是我们面临的问题。所以我们必须要设备厂商同步。

第三个问题,产业链挑战。

中国电池产业链是全球最强大的。但是现在如果做全固态电池,那么我们从原料到基材生产、电芯/电池包装配、电池生产应用到电池回收,全生命周期的产业链都会造成巨大的冲击。

 

 

所以这些问题都需要一个个解决。当然我们也不要被这些困难所压倒,虽然它面临一系列技术挑战,但现在国外已经取得重大的进展。但中国全固态电池的研发目前来看认识还不统一、力量比较分散、产学研不协调,需要联合起来建立协同创新平台,共同突破全固态电池产业化的关键技术,这就是我们要建平台的目的。

 

 

我们在中国产学研合作促进会的支持指导下建立“中国全固态电池产学研协同创新平台”。在政府的指导下做一些服务性的和协调性的工作,包括三个平台:科研服务平台、基础研发平台、产业协作平台。

首先第一个平台就是科研服务。

包括政策研究,我们要对国外信息的收集整理进行政策研究,提供给政府参考。第二,公众宣传,不要唱衰我们的电池行业,要引导公众。当然还要资金筹措,今天来了很多金融界的嘉宾,金融界要投资。地方政府现在也有产能过剩的忧虑,所以我们对地方政府也是有吸引力的。另外就是成果转化,帮助企业落地,这是我们要做的工作。

第二个就是基础研发。

对于没有进入竞争性的技术我们还是可以联合研究的,我牵头过中美电动汽车合作,当时我们就说凡是基础研究我们可以合作,凡是技术开发各申请各的专利,很简单,大家在一块儿还挺好的。然后就是数据库,现在我们数据库缺乏,各搞各的,数据很少。

还有就是数据不一致,因为没有统一的评价流程和方法,前面我们看到日本专门成立了一个搞评价的中心,评价要统一的。另外,大家知道现在仿真、算力变得越来越重要了,它正在颠覆我们材料研发的模式,所以这也是我们可以合作的。

第三,产业协作平台。

协作就是co-operation,有一个故事说刺猬和刺猬在一块儿,离的太远了冬天挺冷的,离的太近了大家又互相扎得慌,最终选择相对平衡的位置,这就是协作的定位。

协作包括什么?工艺装备,比方说我们等静压机不要搞十家八家,现在国内有不错的,大家共同支持起来。比方说硫化锂、固态电解质,能不能集中一下,让它有规模。再比如说其他工艺装备,现在很多工艺装备都要重新开发了。再就是产业分工的问题,还有就是测试平台,我们肯定是利用已有的资源然后共享测试资源。技术攻关方面,不管怎么说我们可以交流。今天南院士、孙院士、黄院士都在这儿,他们也很有经验,明天我们有一个圆桌会议交流交流。总之,我们要协同合作,如果能够做得好就搞个联合实验室,不强迫。

最后我做一下展望。

 

 

首先,人工智能正在改变材料的研发范式,将大幅度加速全固态电池的研发速度。因为材料科学的研发范式正在被颠覆,大家知道Alpha Go颠覆了围棋,Alpha Fold颠覆了蛋白质预测,前两天Alpha Geometry颠覆了数学,最近我们看到Nature上面也有文章,谷歌的DeppMind的AI+DFT,还有无人实验室全套机器人,然后加上AI,短时间内发现了220万个可能的稳定结构,和40多万个材料合成。

 

 

这是给我们助力的,我们已经处于一个新的时代,人工智能的时代,不要用过去推论未来,这个时代会颠覆材料的创新模式,也就不是以前的试错法,不是以前大家在实验室试错,将来是24小时的黑灯实验室,还有大算力的计算平台帮我们算,这会大大加速。这会对2030左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。

 

 

展望中国动力电池材料体系的研发和产业化发展趋势,我们要低成本电池,低成本电池很重要,现在的产业主体,但是同时我们也要高比能电池,我们要两头发力,光一头不行。高比能电池我们认为在2030左右全固态电池产业化突破的可能性极大,我们要敲响警钟,我们要全力以赴,我们要只争朝夕,要有这个紧迫感,让我们共同努力,实现中国电池产业持续引领全球。

 

 

谢谢各位!

 

 

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