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中国固态电池研发落后吗?
게시 시간: 2022-01-07 미리 보기 횟수:

 前段时间,国内网络上有多篇文章提及,中国固态电池技术落后国外,这个说法流传很广。固态电池分为多种技术路线,日本、韩国企业和研究机构主要走硫化物路线,欧洲偏重聚合物固态电池,中国主要聚焦氧化物路线,美国则以创业公司为主,同时推进多条路线。

固态电池的硫化物与氧化物路线是两个不同的发展方向,路线不同可比性不强。中国主要走氧化物路线,惟有美国的初创公司同时推进多条路线,对其也有所涉及。那么,中国的固态电池研发真的落后吗?据了解,近年来,中国在固态电池研发上进步显著,从一些指标来看已处于全球领先水平。

20年前,索尼量产第一款锂电池后,全球各大企业和机构掀起探索锂电池发展的浪潮,分别从不同的技术角度进行研发,磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂、三元锂材料等多种技术路线先后问世。电芯的种类也不统一,方型、圆柱、软包等多种形式的动力电池纷纷配套装车。经过多年的实践,磷酸铁锂、三元锂材料电池成为市场上的主流产品,软包电池的市场份额有限,方型、圆柱电池被广泛接受。相关人士表示,“固态电池的发展现状与当年的锂电池有点相似,各种技术路线的固态电池均有企业和机构涉足,大家都在摸索着前进。”

  据介绍,固态电池主要有三种,它们分别有不同的特点。聚合物固态电池出现的比较早,这与其容易加工有一定的关系。聚合物固态电池的工艺与现有的锂电池比较接近,各项性能指标也和目前锂电池使用的电解液有类似之处。不同的是,聚合物固态电池可以制备大容量电芯,机械特性较软。

  聚合物固态电池的缺点也非常明显,离子电导率较低,必须加热才能上升,聚合物较柔软,锂枝晶容易穿透电解质,造成短路;聚合物是有机物,与磷酸铁锂兼容性好,跟三元锂材料兼容性不好,导致能量密度无法提升。

  氧化物固态电池的导电率比聚合物高,但机械性能坚硬,如果用其制作电解质片,较易脆裂,与正极活性材料的固-固接触也不太好,导致从面接触变成点接触,界面损耗过大。

  硫化物固态电池的接触性好,整体的离子电导率性能非常好,是现今人类所发明的所有固态电池材料中惟一能超过液态电解液离子电导率水平的材料。但硫化物固态电池在空气中稳定性较差,与空气、有机溶剂、正负极活性材料反应都很强,这导致其界面稳定性较差。

  三种固态电池都有难以克服的缺点,在此背景下,有些企业从半固态电池出发,寻找商业化解决之路。最近,推出一款半固态电池引起广泛关注。据悉,其正极材料颗粒表面包覆固态电解质,负极采用硅材料,中间使用了新型高安全功能隔膜,以及高安全的液态电解液,能量密度达到360Wh/kg。

   相关人士说:“目前氧化物体系进展最快,硫化物体系紧随其后,高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段,硫化物和聚合物体系都已取得长足进展。”

  欧、美、日、韩在固态电池上频频发力,国内企业和科研机构也在努力,并取得了一定的成绩。相关数据显示2010~2019年,中国在固态电池领域取得了飞速进步,WOS论文数量从2010~2014年的794篇上升至2015~2019年的3369篇,增长了约3倍,在两个5年期均稳居世界首位。

   具体而言,从相关数据来看,中国从上述前5年的世界第2位提升至后5年的第1位;中国从上述前5年的5篇增长到后5年的52篇,相应的排名也从世界第3位提升到第1位。相关人士表示,“过去10年,中国是固态电池领域发表SCI论文最多的国家;在各类电解质材料、各类固态电池的基础研究方面是全球最活跃的国家;在一些关键的基础科学问题、材料设计、电池解决方案方面提出了原创想法,具有重要的价值。”

  据悉,2015~2021年,中国科学院物理研究所提出了原位固态化、纳米固态电解质包覆正极材料、界面预锂化方案、低膨胀纳米硅碳负极材料、界面热复合等综合解决方案,目前已研制出能量密度达到360Wh/kg的固态锂离子电池,循环性达到800次以上,并满足其他各类指标要求,预计2022年底可实现批量装车。

  相关人士还介绍了我国在固态电池研发上的一系列最新成果。这些最新成果未来具有重要的应用前景为固态锂空气电池研究打下了关键基础。表示,“过去5年来,我国固态锂电池基础科学研究和关键技术攻关保持着持续发展、高速增长的动力。未来2~3年,混合固液动力电池将率先进入市场,未来6~8年,全固态电池将有望开发成功。”