“固态锂电池要大干快上,引领电动中国。”近日,中国工程院院士陈立泉在第七届中国电动汽车百人会论坛上喊出这样的口号。陈立泉表示,液态锂电池容易引发安全忧虑,300瓦时/公斤能量密度也已到达极限。下一步要发展固态电池,或者逐渐过渡到全固态锂电池。
传统的液态锂电池已无法满足行业更高需求,在全固态锂电池技术尚未获得突破的情况下,混合固液电池有望兼容液态锂电池大部分材料、设备和工艺,综合平衡安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性等性能,可率先实现商业化,逐步替代液态锂电池。随着固态技术的发展和产业化进程,近年来,国内外固态电池公司如雨后春笋般涌现。
前瞻产业研究院公布的《2020年中国固态电池行业研究报告》显示,目前全球约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术,但固态电池尚未实现大规模商业化。值得注意的是,“固态”锂电池和“全固态”锂电池的概念常被混淆。实际上,半固态锂电池、准固态锂电池、固态锂电池均属于“混合固液锂电池”范畴,只是液体电解质与固体电解质比例不同。
两者的区别在于,混合固液锂电池仍然含有一定量液体电解质,而全固态锂电池只含有固态电解质,不包含任何液体电解质。在他看来,理论上,相较于混合固液锂电池,全固态锂电池最主要优点是更不容易发生热失控。此外,由于使用更高容量的负极和更高能量密度的正极,能量密度有望达到更高水平。全固态锂电池是革命性技术,未来10年是固态电池破壁的时期。然而,从“液态”转向“固态”,每一步都十分艰难。
相反,固态锂电池使用了固态电解质,简单引入不易发生体积形变的固态电解质材料后,与正负极活性材料由原来的持续柔性面接触变为更多硬的点接触,因此直接在电芯中引入固态电解质往往会带来固固界面接触不良的问题。究竟选择怎样的固化体系?面对传统路径的瓶颈,李泓团队陷入深思:“从液态到全固态,中间应该通过一个‘固液混合’电池实现过渡。
”2013年,李泓和物理所团队一起,结合液态锂离子电池与全固态锂电池积累的知识、材料体系和设计理念,另辟蹊径提出了基于“原位固态化”混合固液电解质锂电池的构想。在他看来,相较于现有技术路线,原位固态化技术一方面易于解决固固界面接触的关键问题,另一方面有望兼容现有液态锂电池的大部分制备工艺,易于更快实现规模量产。
对于未来固态电池的研发,李泓提出几点建议:一是以应用和市场需求为导向,完善材料和性能评价体系,持续进行基础研究积累;二是重视技术路线选择和工艺开发;三是重视电芯设计和工艺验证;四是重视材料本身的放大,打通关键材料供应链;五是重视智能装备开发和设备自动化;六是建立标准化生产制造体系,建立和完善固态电池相关标准,逐步从混合固液锂离子电池向全固态金属锂电池发展。