摘掉全固态电池的软肋，国产电动车或可与特斯拉一战

2016-12-05 14:21

清华大学材料研究院院长南策文介绍锂电池产业发展
特斯拉之所以能够在高性能汽车领域独当一面，是因为它利用电池管理技术将钴酸锂小电池驯化得“狼性”十足，耐力有余。但显然，不是所有企业都是特斯拉。
中国的电动汽车行业依然很难脱离政策扶持、去独立应对市场考验，最大的原因就是电池动力和续航绵软如羊，而这中间有一座液态锂电池和全固态电池之间的技术高墙。
不过从2016下半年以来能源行业的发展来看，这堵墙正在逐渐被拆解。
11月28日，清陶能源科技有限公司联合峰瑞资本、启迪控股等机构成立清陶能源发展有限公司和清陶新能源材料研究院，并举办了锂电池产业发展论坛。同时，推出了通过陶瓷复合固态电解质打造全固态锂电池的技术，利用该项技术生产的全固态电池在实验室阶段能够达到400 Wh/kg的能量密度。
这比当前主流应用的锂电池（能量密度100~220Wh/kg）高出了一倍，这意味着同质量下的电池续航能力也有了相应量级的提升。清陶能源将在2017年9月份推出量产方案，量产阶段的能量密度可以达到300 Wh/kg，提前实现国家提出对2020年提出的标准。
清陶能源发展有限公司的前身是清陶能源科技有限公司，由中科院院士、清华大学材料研究院院长南策文领衔的高层次人才团队投资5000万元兴建，主要生产锂电池所需的隔膜材料和电池自动化装备。
本次清陶能源推出的全固态锂电池技术也同样脱胎于清华大学的研究成果，而其成立清陶新能源材料研究院，也是希望从材料、器件、装备多个维度开展全固态锂电池产业化开发的工作。
清陶能源向钛媒体表示，真正意义上的全固态电池，有别于聚合物电池、薄膜电池、凝胶电池等概念，是目前学术和产业界公认的未来发展方向，国外包括博世、丰田、东芝、苹果等知名企业都在这个领域有所布局。
顾名思义，全固态锂电池是结构中不含液体，所有材料都以固态形式存在的储能器件。全固态锂电池对应的是液态锂电池，后者就是目前在新能源汽车、手机、笔记本、无人机等设备当中广泛采用的技术，电解质都是有机液体。也因其电解质的液态属性，需要非常严格的封装技术，造成这类电池在能量密度、柔韧性、安全性等方面都受到很大的限制。
据公开数据显示，液态锂电池的能量密度每年的平均改善率仅为3%-5%，这也是造成国产新能源汽车产业止步不前的重要原因；而同样受限于电池的能量密度，搭载空间有限的无人机产品，也被限制在40分钟左右的续航范围内。
既然限制电池技术发展的是电解质，那么全固态电池作为解决之道自然而然成为能源行业的研究方向。
据钛媒体了解，全固态锂电池的优势主要有以下方面：
高能量密度
目前全固态电池的能量密度可达400Wh/kg以上，相较于传统锂电池（能量密度100~220Wh/kg），有了一倍左右的提升。这意味着质量体积不变的前提下，该产品可将手机待机时间、无人机飞行时间和电动汽车续驶里程延长一倍；
可实现柔性/微型化
由于没有电解液，全固态电池的封装工艺大幅优化，电池脱离了刚性外壳和尺寸的束缚。这一技术将为柔性电子技术的发展插上腾飞的翅膀。全固态电池、柔性显示技术、柔性电路板技术的协同，将实现电子产品的可任意弯曲、折叠。同时，电池的微型化将给半导体工业等领域带来一场新的变革；
安全可靠
三星Note7手机爆炸事件的主要原因是电池热失控造成的电解液剧烈反应，而全固态锂电池则完全摒弃了易燃易爆电解液，安全性得到不少提升。
据北汽新技术研究院副院长荣辉介绍，传统燃油动力车一旦发生撞击事故，造成汽车起火燃烧，会有5-6秒左右的逃生时间，而电动汽车由于电池的瞬间释能特性，给乘客留下的逃生时间只有1秒左右，所以这就要求电池的安全性极为可靠。而全固态电池用固态电解质材料替代了电解液，可以承受切割、撞击、钉刺、挤压等比较严苛的考验，很大程度地避免安全隐患。

率先被全固态电池宠幸的行业
虽然在清陶能源的规划当中，全固态锂电池将在明年9月份投入量产，但首先应用的领域并非当年炙手可热的新能源汽车，而是无人机、智能手环等对续航要求提升最为迫切的产品，对于在新能源汽车上的投放预计在2020年。
清陶能源董事长冯玉川介绍，这个考虑不是技术问题，而是价格和成本问题。在手机、无人机产品当中，电池成本占到的比例非常低，从传统锂电池升级为全固态电池，成本上涨30-50元，厂商和市场并不会敏感。
而据钛媒体了解，对于新能源汽车来说，仅电池成本就能达到十几万，全固态电池的投放必然造成成本进一步增加，这对于市场的接受程度是个很大的考验。
“我们并不想太强调情怀，我们本身就是一家比较注重合理发展的公司，包括我们最先做陶瓷隔膜，做电池的生产装备，都是让汽车能够先实现正常的营收。”冯玉川说。
当然，除了价格，应用问题也占据到了很大一部分原因。全固态电池在整车的应用上并非像手机和无人机那样，以单组或多组的形式出现，其关系到复杂的电池管理系统，以及更为严格的技术考验。
甚至如北汽新技术研究院副院长荣辉所说，或许在整体的应用形式上，还要根据车企的需求做出设计。
“现在大部分新能源车，是把发动机变速箱摘下去，加很多电池在里面，这不是一个好方式，因为汽车速度非常快，一旦被石头打破，就是个大问题，如果想不被打破那就必须用很厚的钢板，这对车身重量又是个压力。”荣辉说，“有没有可能在电解质这个阶段，你和我（北汽）结合得更紧密，我把某些零件开放给你，你把这个电池芯做到我的零件里去，相当于你给我提供的不是一个标准的电池，而是根据我的要求，根据我的设计，你就给我设计电池，你实际给我的是一个零件，这个零件里包括的是电池。”
鉴于汽车应用的复杂，以及清陶能源对于发展理念的践行，清陶能源的全固态电池将在2020年投入到新能源汽车的使用，率先的投放量将会是20万台。
固态电池技术难题如何攻破？
在新型能源的探索方向上，太阳能、风能、氢燃料电池等技术一度百花齐放。
清陶能源的发起人、清华大学材料研究院院长南策文认为，从能源利用效率上说，上述能源虽然更为清洁环保，但是能源分布过于分散且并不连续，使得开发存储和转换这类能源的器件和相关材料显得缓不济急。
随着新能源汽车和智能终端的迅速普及，对于高能量密度电池的需求十分迫切。
资料显示，2016年第一季度，中国锂电池的电芯产量为13.5GWh，同比增长95.7%，其中车用电池产量的占比增长最快，从2015年Q1的19.6%增长到2016年Q1的55.3%。
国内外都已经在尝试跨越半固态电池这个阶段，开始攻克全固态电池这座技术城堡。11月24日，三井金属发布了下一代的锂离子二次电池的“全固态电池”所用的硫化物固态电解质。三井金属是丰田、本田等大型跨国车企的电池供应商，这意味着丰田和本田将发展自身引以为傲的氢燃料电池的同时，同时推动全固态电池的发展。
而清陶能源的全固态电池的技术核心在于，电解质部分使用的陶瓷固态复合电解质，正极使用的是钴酸锂，负极为锂金属负极。此外，对于全固态电池常温下的导电瓶颈，清陶能源也给出了解决方案：
利用掺杂调控、增加锂空位，以及复合等手段，解决了全固态电池在常温下的导电不良问题，使其和液态电解质的导电效率达到了同一个量级。
在国内，除了清陶能源，还有许多研究机构和企业着手在研发“全固态电池”，并取得一定的成果。
据媒体报道，目前国内做全固态电池比较领先的团队为：
中科院物理研究所陈立泉、李泓老师团队；中国科学院宁波研究所许晓雄博士的团队；中南创发 “全固态电池”的研发团队。
据了解，中科院宁波材料在聚合物研究已经取得一定成绩，其用石墨做负极，用硫化物复合电解质，用钴酸锂做正极，4Ah的电池，能量密度是240瓦时/公斤。而只要克服了界面阻抗过大造成的导电不良等问题，以及电芯技术关键材料取得突破，上述研究机构的全固态电池就有望在2019年前后投入商业化使用。
届时，在汽车智能化和互联网化一路飞起的国产电动汽车，将冲破电池的动力和续航瓶颈，若再与特斯拉一决高下，必然多了几分胜算。
【来源：钛媒体作者：李勤】

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