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固态电池规模化制备装备亟待突破——专访中南大学张永柱教授

平安

2021.3.17  |  点击 21588次

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导读 本期为您分享的人物专访是来自中南大学冶金学院、加拿大NRC国立研究院的张永柱教授。

中国粉体网讯  2021年3月11-12日,由中国粉体网主办的“第二届高比能固态电池关键材料技术大会”在湖南长沙成功召开。期间,我们邀请到与会专家、学者做客“对话”栏目进行专访。本期为您分享的人物专访是来自中南大学冶金学院、加拿大NRC国立研究院的张永柱教授。



©Ma Qianqian/Cnpowder.com.cn

张永柱教授

中国粉体网记者张教授,首先请您介绍一下目前全球各国固态电池产业的布局情况?中国在固态电池的研发及产业化进程方面处于什么发展水平?

张教授固态电池是电池产业的核心,未来突破产品安全性、能量密度和循环寿命性能方面,有潜力产生质的突破,因此日、韩、美、英等各个国家和全球知名企业纷纷布局,全力发展固态电池。

日本申请的专利数量居全球首位,产业化进程方面同样领先于其他国家。日本针对全固态电池的研发主线,已经从最初的探索高性能的电解质材料,逐步转移到解决诸如电芯的试制、制造工艺的开发、充放电循环寿命等课题之上。研究重点已经进入了根据不同的应用,尝试正极材料和负极材料的适当组合,以及尝试实现大规模量产的制造工艺开发的阶段。

韩国研究固态电池的企业主要有三星SDI、LG和现代汽车等,其中三星、LG和SK创新选择成立联合基金共同开发固态电池。现代没有参加以上的三家联盟,而是选择自主开发、与高校合作和外部投资的方式进入固态电池的产业链。在专利方面,韩国分布相对比较集中,三星SDI、LG和现代占比50%以上;在技术路径方面均以硫化物电解质为主。

在能源部(DOE)科学基金的推动下,美国固态电池研究取得了重大进展;众多初创公司,如Quantum Scape、SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials等,这些初创公司以其在固态电池技术的先进性,分别得到了宝马、大众、现代等汽车巨头和多家风投基金的投资,确保了美国进入全球固态电池研究水平的前列。从技术路径来看,初创公司以聚合物电解质和氧化物电解质为主,负极多采用锂金属。

国内企业不及日美韩等起步早,但随着锂电技术的发展,目前已经有越来越多的企业参与到了固态电池的研发和产业化过程中来。国内专利布局的企业包括江苏清陶能源、比亚迪、桑顿新能源、赣锋锂业、北京卫蓝、国轩高科、C公司等。此外,如珈伟股份、万向、中电力神、鹏辉能源、横店东磁等也都宣布涉足固态电池领域,但大部分企业仍处于规划布局阶段。

国内在固态电池生产及应用方面也取得了显著的成绩:

2020年7月29日,总投资55亿,清陶宣布世界第一款10GWH固态电池在江西省宜春市投入量产。

据潇湘晨报2020年11月12日报道,由浙江锋锂新能源科技有限公司投建,全球首条0.3GWH混合固液电解质锂电池产线即将在宁波国家高新区试机投产。

2021年3月合众旗下新能源汽车哪吒U正式上市,天际ME7样车使用了固态电池,并将于2022年投入批量生产。

目前国外固态电池依然处在研发状态,离产业化生产及商业化应用尚有一定的距离。

中国粉体网记者:在各种固态电解质材料体系中,您认为哪种的前景最广阔?不同材料体系的固态电池量产,面临着哪些难题?

张教授:

主要的技术路线有

(1)聚合物路径:2011年,Bolloré实现聚合物固态电池的装车。Ionic Materials近期较受瞩目,已获得三星SDI、Dyson、万向123等投资。国内如CATL、珈伟股份也取得一定进展。

(2)氧化物路径:薄膜型以LiPON为电解质,受制于容量,主要应用于微型电子、消费电子领域;非薄膜型氧化物包括LLZO、LATP、LLTO等,国内如辉能、清陶、卫蓝等企业有一定进展,并尝试打开消费电子市场。

(3)硫化物路径:由于硫化物潜力最大,锂电巨头(CATL、SDI、SKI、LG、松下)纷纷选择以其为主要技术路径。然而其开发难度最大,进展并不顺利。投入最大的是丰田,早在2008年就开始研发,目前计划于2022年推出固态电池车型,2025年实现量产。

固态电池的发展技术路线,从电解质的角度会从液态、半固态、固液混合,到固态,最后到全固态。负极会从石墨负极、硅碳负极,最后有可能到达金属锂负极,但目前无法确认。

由于各种技术路线依然处于研发阶段,各有利弊,目前尚无法判断,排序及定论其优劣。全固态锂电池,由于技术(导电性能差,充电时间长),经济成本高,加工困难等原因,2025-2030年依然难以取代锂离子电池市场。

中国粉体网记者:请问张教授,您认为,固态锂电池大规模取代传统的液态电池还需多久?在此之前,还需要克服哪些挑战?

张教授:为什么有人说马上量产,有人却说需要10-20年?目前市面上宣传的那些量产的“固态电池”,并不是全固态电池,而是一种“混合固液电解质锂电池”系列(半固态电池)。半固态电池,通常是一侧电极采用固态电解质,而另一侧电极仍用液态电解质。尝试半固态电池的,很多是出于快速商业应用的考虑,比如丰田将目标定于研发电车用的全固态电池,但也表示会从 “半固态电池” 开始逐步进入市场。而C公司所说的量产需要十年,指的是全固态电池,这是电池的终极目标。关于固态电池的具体量产时间,行业预计2025年半固态电池实现量产,全固态到2030年前后有一定突破。

一方面现在半固态电池的优势主要在于安全性,能量密度和快充性能仍需要时间来研发突破。另一方面固态电池的上下游供应链尚未完全确定,大多仍沿用原先正负极供应商。同时全固态电池的技术,仍然有很多基础科学问题尚未解决,量产时间会在半固态电池之后的5-15年。

要解决电池的能量密度问题,消灭里程焦虑,最后的方案是固态电池。虽然固态电池有很多优点,但是由于成本高、产能低,一直迟迟未得到普及。固态电池的商业化进程可能没有大家想的那么快,2019年C公司就表示,正在进行全固态电池的研发工作,也制作出了样品,但是要完全商品化还需要10年时间,也就是说离量产还很远。每一次电池技术变革,都是一次产业大发展的机会。固态电池技术将持续进步,在不久的将来为新能源的发展书写更辉煌的篇章。

全固态锂电池,由于技术(导电性能差,充电时间长),经济成本高,加工困难等原因,2025-2030年依然难以取代锂离子电池市场。

1) 固态锂电池已进入全球加快布局和研发的阶段,很多著名机构都在开发固态锂电池。包括韩国三星、日本丰田和我国C公司在内的众多电池和汽车厂商,都加大了固态电池研发投入。

2) 长期使用时稳定性不理想也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈。固态电池在服役过程中结构与界面会随时间发生退化,但退化对电池综合性能的影响机制尚不明确,难以实现长效应用。

3) 只有从根本上解决了关键材料和界面问题,才能开展系统的工艺研究,从而满足单电池的性能要求。目前,各种新技术“百家争鸣”,一些固态电池技术有了最新突破。

4) 已有部分电池进入装车测试阶段。尽管前景可期,但由于技术和工艺上的种种问题,发展固态电池的道路绝非一帆风顺。

5) 对全固态电池来讲,我们认为整个电池规模化制备装备是亟待突破的,国内在这一块还是有所欠缺的,这一块我相信对很多设备企业是一个机遇。

总的来说,对于固态电池的研究,目前还是偏学术多一些,在产业化方面,因为一些关键技术涉及到各个企业核心技术而无法获取,导致基于工程化应用方面的技术还是需要进行进一步探究。

中国粉体网记者:张教授,您是怎样看未来固态电池的发展方向?

张教授:总而言之,世界正在努力达到碳中和(2060)及节能减排的要求,新能源电池市场将从GWH迈入TWH时代,未来产业界需要扩大原材料,市场需要扩大各种各样的改良的液态锂电池,半固态电池,以及全固态电池的生产,以便满足不同层次市场客户的需求。任何一种电池包括固态电池,不可能一统天下。

通过上述分析,产业界通常认为未来二十年,传统液态电池包括半固态电池具有良好发展的产业结构和用户应用市场基础,依然会保持其市场的盟主地位。乘用车以三元材料及磷酸铁锂电池平分秋色为主,大巴及重型卡车朝着氢燃料电池方向发展。锂电池的形状将逐步过渡到以大容量的方型铝壳和软包为主,方便CTP形式的PACK无模组电源。以便减少重量,体积和成本,且大幅增加汽车的安全性能,提高能量密度和续航里程。

未来二十年固态电池新能源汽车市场发展趋势:

2021-2025年是固态电池起步年,固态电池在产品及设备大型化,量产及降低成本方面,在开拓市场应用方面,在商业化运作方面还有许多大山要跨越。

2021-2025年满足车用技术要求的固态电池小批量面世,部分主机厂会率先搭载应用研究;

2022年将成为固态电池元年,固态电池比能量达到290Wh/kg,接近高镍三元体系,但安全性非常好,即2022年会开始小批量应用;

2022-2030年则进入市场培育期,电池能量密度从300Wh/kg达到400Wh/kg,届时普通的纯电动轿车的里程达到300-500公里,这期间固态电池会获得一部分车用电池市场;

2035年步入市场成熟期,预计固态电池大规模产业化,单体电池比能量有望冲击500Wh/Kg,常规的性价比车型应该可以达到500公里。固态电池占车用电池市场主流,和车用燃料电池共存。

中国粉体网记者:张教授,请问您目前的主要研究方向是什么?近年来,有哪些研究成果?

张教授:我本人海外团队研发生产“混合固液电解质锂电池”系列半固态聚合物大容量软包电池,具有安全,体积小,重量轻,成本低,装车简单等优势。主要的成果就是将材料,设备及生产线国产化了。试生产克服了工程及量产化方面的问题,目前处于寻找合作及商业化应用阶段。中南大学校友们也有涉及锂硫电池(李劼,赖延清,陈康华教授),氧化物固态电池(陈伟东,比亚迪)方面的团队。国内企业在固态电池产业化方面已经超过海外公司了。我们十分期待与国内外同行的专家学者和企业一起交流合作,共同推进新能源事业发展。谢谢大家的支持和鼓励。

中国粉体网记者:感谢张教授接受我们的专访。

(中国粉体网编辑整理/平安)

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