鉅大LARGE | 點擊量：500次 | 2023年03月08日
固態(tài)、鋰硫、鋰空氣，下一代電池誰主沉浮？
2021年，我國三元電池、磷酸鐵鋰電池單體能量密度分別平均達(dá)到280Wh/kg、170Wh/kg，相比2012年，動力鋰電池單體能量密度提高2.2倍，成本下降85%左右。純電動乘用車的平均續(xù)駛里程也從2016年的253公里提高到2021年的400公里以上。
能量密度提升，成本下降，車輛續(xù)駛里程提升，這是過去多年我國動力鋰電池技術(shù)持續(xù)不斷突破創(chuàng)新的結(jié)果。
我們看到，動力鋰電池的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新層出不窮，CTP技術(shù)、CTC技術(shù)、CTB技術(shù)，比亞迪刀片電池、CATL麒麟電池、上汽魔方電池電池工程師們在方寸之間用盡巧思努力將電池的集成度、體積能量密度進(jìn)一步拔高。
和此同時，動力鋰電池的材料創(chuàng)新也有了不少成果，包括CATL的鈉離子電池、M3P電池，麻省固能（SES）的混合鋰金屬電池，蜂巢的無鈷電池，廣汽的海綿硅負(fù)極片電池，以及不少公司正在研發(fā)的半固態(tài)和固態(tài)電池等等。
而材料體系的創(chuàng)新是電池性能提升的關(guān)鍵。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
根據(jù)我國工程院院士吳鋒的說法，當(dāng)前，電池正極材料正在向無鎳、無鈷和低應(yīng)變穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)展，而負(fù)極則走向納米化、復(fù)合化、自修復(fù)和天然化。
在電解質(zhì)方面，液態(tài)電解質(zhì)正向混合固液電解質(zhì)發(fā)展，未來終極形態(tài)是全固態(tài)電解質(zhì)。
當(dāng)前行業(yè)較高的水平是，磷酸鐵鋰電池單體能量密度做到210Wh/kg，高鎳三元電池單體能量密度做到300Wh/kg，已經(jīng)逼近能量密度理論天花板。
我國科學(xué)院院士歐陽明高表示，未來我國動力鋰電池創(chuàng)新要從電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新逐步發(fā)展到材料體系創(chuàng)新。他預(yù)測，未來十年，電池體系還將經(jīng)歷三次技術(shù)變革，2035年前實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)量量密度為500Wh/kg的下一代電池。
加拿大皇家工程院院士、福州大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院院長張久俊認(rèn)為，未來能量密度能達(dá)到≥500Wh/kg的鋰電池，重要有三種：鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰二氧化碳電池。
他對下一代鋰電池發(fā)展路線作出了這樣的判斷：現(xiàn)在是磷酸鐵鋰和三元鋰電池，2022-2025年是固態(tài)電池和鋰硫電池，2025-2030年要做鋰空氣電池。
相比目前的磷酸鐵鋰和三元鋰電池，下一代電池的理論能量密度有數(shù)倍的提升：固態(tài)電池可達(dá)700Wh/kg，鋰硫電池可達(dá)2600Wh/kg，鋰空氣電池可達(dá)3500Wh/kg。
當(dāng)前，半固態(tài)電池已經(jīng)量產(chǎn)上車，全固態(tài)電池的規(guī)?；宪嚬烙嬕?025年之后，甚至2030年；
鋰硫電池已經(jīng)在電動飛機(jī)、無人機(jī)上初步實現(xiàn)搭載，處于產(chǎn)業(yè)化前夕；
鋰空氣電池尚處于實驗室研發(fā)階段，比如日本研發(fā)人員已經(jīng)研發(fā)出能量密度為500Wh/kg的鋰空氣電池。
半固態(tài)電池量產(chǎn)上車，全固態(tài)電池還遙遠(yuǎn)
歐陽明高指出，在技術(shù)創(chuàng)新方面，全固態(tài)電池最值得重視。
固態(tài)電池的能量密度能輕松做到300-400Wh/kg，理論上的能量密度可達(dá)700Wh/kg。
按照電解質(zhì)來分，可將固態(tài)電池技術(shù)路徑分為：聚合物、氧化物、硫化物。三種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點，目前氧化物固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展最快，其次是硫化物電解質(zhì)，氧化物的綜合發(fā)展性較為均衡。
日本和韓國重要押注硫化物路線。我國電池公司中，衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)等走的是氧化物路線，CATL走的是硫化物路線。
全世界擁有硫化物全固態(tài)電池專利數(shù)量最多的公司是豐田，它計劃2025年實現(xiàn)全固態(tài)電池的車輛前裝，2030年實現(xiàn)批量生產(chǎn)。韓國的LG新能源和SKOn目標(biāo)也是在2030年左右開始大規(guī)模生產(chǎn)全固態(tài)電磁。
我國公司的半固態(tài)電池已經(jīng)有了階段性研發(fā)成果。
今年一月，東風(fēng)汽車和贛鋒鋰業(yè)合作開發(fā)的首批50輛東風(fēng)-贛鋒高比能固態(tài)電池車完成交付，投入運營。說是固態(tài)，其實準(zhǔn)確來說是半固態(tài)。作為贛鋒鋰業(yè)第一代固態(tài)電池，其能量密度約為260Wh/kg，公司第二代固態(tài)電池，能量密度將達(dá)到360Wh/kg。
今年五月，國軒高科公布了一款半固態(tài)電池，能量密度達(dá)到360Wh/kg，將在今年年底量產(chǎn)上車。這款電芯，正極材料顆粒表面包覆有固態(tài)電解質(zhì)，同時使用高安全的液態(tài)電解質(zhì)、新型高安全功能隔膜及硅負(fù)極。此外，其400Wh/Kg的三元半固態(tài)電池目前已有原型樣品。
衛(wèi)藍(lán)新能源開發(fā)出的混合固液電解質(zhì)電池將搭載于蔚來ET7上，單體能量密度為360Wh/kg，電池包容量達(dá)150kWh。車型單次充電續(xù)航1000公里，將于今年第四季度開始交付。
孚能科技的半固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用了高比能硅碳復(fù)合材料作為電池負(fù)極材料，能量密度達(dá)到330Wh/kg。
目前來看，2022年會是半固態(tài)電池量產(chǎn)上車元年，而業(yè)內(nèi)公認(rèn)的全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化時間應(yīng)該是在2025年之后，甚至在2030年。
蜂巢能源在國內(nèi)率先完成20Ah級硫系全固態(tài)原型電芯的研發(fā)。該系列電芯能量密度大于350Wh/kg，順利通過針刺、200℃熱箱等實驗。
今年八月五日，汽車商業(yè)評論參觀無錫蜂巢能源全球鋰電創(chuàng)新中心全固態(tài)實驗室，現(xiàn)場播放的視頻顯示，實驗人員將一個軟包固態(tài)電池電芯拿在手里，剪開一角，用火燒，完全沒有任何起火冒煙現(xiàn)象，再剪一刀繼續(xù)燒，仍然沒有任何異常反應(yīng)。
目前蜂巢能源的全固態(tài)實驗室已具備固態(tài)電解質(zhì)材料的公斤級自主合成、固態(tài)電解質(zhì)膜持續(xù)化制備、全固態(tài)軟包電芯組裝以及新設(shè)備開發(fā)等自主研發(fā)能力，已申請109項專利，其中發(fā)明專利93項。
中科院物理研究所研究員、衛(wèi)藍(lán)新能源創(chuàng)始人李泓在2022世界動力鋰電池大會上表示，按照目前的發(fā)展速度，全固態(tài)電池最快在2026~2027年才能達(dá)到10GWh的量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。
他稱，目前全固態(tài)電池的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和原料還沒有形成確定的體系，也沒有形成中試以上的供應(yīng)鏈。
相比之下，日韓已經(jīng)展開了上游固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)布局。
2021年十月，日本三井金屬宣布建成年產(chǎn)10噸級的硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)線。這是世界上第一條硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料的噸級生產(chǎn)線。
今年三月，三星SDI宣布開始建設(shè)世界第一條全固態(tài)電池生產(chǎn)線。韓國浦項制鐵公司為其配套建設(shè)年產(chǎn)量24噸級的硫化物材料生產(chǎn)線。
鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化可期
今年三月，德國鋰硫電池初創(chuàng)公司Theion宣布其產(chǎn)品水晶電池即將面市。
Theion將硫的晶體材料特性和碳納米管和特制的固體電解質(zhì)相結(jié)合，該項技術(shù)生產(chǎn)的水晶電池和傳統(tǒng)的鋰電池相比，能量密度和續(xù)航時間新增了3倍，整體成本下降了大約1/3。不過，水晶電池的循環(huán)次數(shù)（500次左右）還遠(yuǎn)低于當(dāng)前三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。
這是Theion的第一代商用鋰硫電池，能量密度達(dá)到500Wh/kg。該公司的目標(biāo)是：2023年，把第二代技術(shù)將鋰硫電池的能量密度提高到700Wh/kg；2024年，將第三代能量密度高達(dá)1000Wh/kg的鋰硫電池用于電動汽車。
鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。它的反應(yīng)機(jī)理不同于鋰電池的離子脫嵌機(jī)理，而是電化學(xué)機(jī)理。
單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，價格低廉，環(huán)境友好。鋰硫電池的理論能量密度高達(dá)2600Wh/kg。人們對其的研究自20世紀(jì)70年代就開始了。
在2022世界動力鋰電池大會上，加拿大皇家工程院院士、福州大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院院長張久俊指出，鋰硫電池的重要問題就是正極硫的導(dǎo)電性較差，充放電過程中體積膨脹比較大，穿梭效應(yīng)比較明顯，還有就是鋰負(fù)極的安全性問題等。重要的改良策略是在硫正極、隔膜、電解質(zhì)等幾個方面。
目前，鋰硫電池已經(jīng)開始了初步的產(chǎn)業(yè)化。
2021年四月，英國OxisEnergy公司推出用于電動飛機(jī)的高性能固態(tài)鋰硫電池。其第一代準(zhǔn)固態(tài)鋰硫電池單體比能量達(dá)到450Wh/kg。據(jù)公司初步推測，2023年秋，固態(tài)鋰硫電池相關(guān)性能指標(biāo)可提高到550Wh/kg，2026年可提高到600Wh/kg。
不過就在當(dāng)年，OxisEnergy就被傳瀕臨破產(chǎn)、專利被、。作為全球較早涉足鋰硫電池領(lǐng)域的技術(shù)公司，OxisEnergy的處境也說明了鋰硫電池的商用化之路并不好走。
2021年，LG新能源電動汽車開發(fā)中心負(fù)責(zé)人崔勝東(ChoiSeung-don)透露，公司計劃在2025年年底實現(xiàn)鋰硫電池商業(yè)化，并在2025年至2027年間實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，鋰硫電池可能比全固態(tài)電池更早實現(xiàn)商業(yè)化。此前，LG新能源的鋰硫電池已經(jīng)裝配無人機(jī)進(jìn)行性能測試，能量密度410Wh/kg。
國內(nèi)也有不少高校、科研院所、公司在進(jìn)行鋰硫電池的產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化初探工作，包括中科院、上海大學(xué)、陜西國能新材料公司、南京驪電新能源公司、江蘇合志新能源公司、鋒鋰新能源材料公司等。
我國工程院院士吳鋒透露：北理工科研團(tuán)隊通過構(gòu)筑反應(yīng)、強(qiáng)化界面、抑制枝晶生長等對策，研發(fā)出的鋰硫電池能量密度達(dá)到651Wh/kg。這項高性能鋰硫電池催化材料方面的研究成果今年四月刊登在材料類國際期刊《先進(jìn)材料》上。
可以看出，盡管鋰硫電池技術(shù)還存在一些待破解的難題，但已初步成熟，產(chǎn)業(yè)化可期。
