電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
鋰離子電池行業已從前沿技術深入大眾生活，今年諾貝爾化學獎就授予了發明鋰電池的3位先行。隨著新能源汽車大發展，動力電池使用規模快速張大，從而帶動了市場走強，同時也引發公眾對安全的關注。基于現有材料體系和技術框架下，鋰離子電池要怎么樣保證能量密度和安全性同步提升？將來鋰離子電池產業會是什么挑戰？有業界人士提出，固態電池產業化步入2.0時代。
本刊日前采訪了中國科學院院士、清華大學教授南策文，他認為，固態電池產品已經進入公眾視野，固態鋰離子電池產業化是鋰離子電池逐漸走向市場的自然選擇，學界和產業界應聯手推動這一進程，將來中國一定會走在這一范疇的前列。
為什么是固態鋰離子電池
《能源評論》：在日前披露的《新能源汽車產業發展規劃（2021~2025年）》（征求意見稿中），明確提出要“加快全固態動力電池技術研發及產業化”。您對此怎么評價？
南策文：固態電池正在得到社會各界的關注。今朝不僅是研究電池的高校、機構、企業投身其中，還包括很多原來看似不相關的人士，比如金融投資機構也開始感興致，并慢慢進入。這意味著固態電池產業面臨變革的機遇，聲明固態電池技術和產業化值得期望。
《能源評論》：鋰離子電池產業的大發展，從根本上看還是因為市場需求日益增大，您認為主要的驅動力來自哪里？
南策文：從市場來看，近年來鋰離子電池的需求量非常大，有些往日我們都不太熟悉的范疇，都開始需要使用鋰離子電池。依據中國電子信息產業發展研究院發布的《鋰電池產業發展白皮書（2019）》，2018年全球鋰電池產業（不包括電池相關材料）規模達412億美元，同比增長18%；按容量計算，全球規模達到200吉瓦時，同比增長25%。當然，最大的市場驅動力還是來自于電動車范疇，這方面，中國毫無疑問是世界上增長最快、規模最大的。
《能源評論》：隨著市場規模快速增長，電動車用戶對續航里程提出了較高要求，鋰離子電池也出現了不少安全問題，您認為該要怎么樣處理？
南策文：鋰離子電池是一個復雜的復合系統、多層次復合材料或者復合體系。在技術上，需要沖破的目標是多方面，包括長續航、長壽命、高安全、低成本以及快充等。
目前關注更多是長續航和高安全。長續航需要較高的電池能量密度，我們國家的發展目標是很明確的，目前學術界和產業界的進展也非常快，今朝的鋰離子電池單體能量密度可以做到240～260瓦時/公斤；按照目前的材料體系和工藝，勉強可以做到300瓦時/公斤，但這已到了極限。如果按照原有的技術發展路線圖，目前的材料體系可能就會受限制，這就需要有新的思路來處理。
同時，安全是大家最關心的問題，但安全隱患是液態鋰離子電池固有的問題。韓國今年已經發生很多起鋰離子電池（儲能站）起火、爆炸事故，倘若鋰離子電池總出現安全問題，就會打擊消費者信心，鋰離子電池產業也可能會受到打擊。比如三星手機電池爆炸問題，就曾嚴重影響三星手機市場。高安全與高能量密度又是一對矛盾。
要怎么樣在現有條件下去沖破能量、安全瓶頸，很自然的選擇就是固態化。
《能源評論》：處理上述問題的方法有很多，為什么一定會是固態？
南策文：因為用固態電解質替代鋰電池中的電解液，可處理原來由于低閃點電解液本身引起的安全隱患，做到本質安全。另外，固態電池還有其它優勢，比如：不忘初心、使用鋰金屬做負極，正極可以觸及到高電壓材料，從而提高電池能量密度；不用再擔心高溫儲存問題，不會再有爆炸危險。總之，固態電池不僅可以顯著提高能量密度和安全性，而且電池封裝也會簡單一些，同時可以實現電池的柔性化、異形化，可以依據不同的使用場景來設計不同的形狀。
可從聚合物基復合體系先驅先試
《能源評論》：您要怎么樣看待固態電池的研究與產業化進程？
南策文：固態電池一定要走向實用化、規模化。如果一直在紙上談，肯定不行。一個新技術出來，在熱了一段時間后，一定要慢慢往產業使用方向走，哪怕邁出一小步也可以，但不邁出去不行。目前有不少大型公司，特別是國際知名車企，都宣布要量產固態電池，并制定了各自的發展路線計劃。
《能源評論》：推動固態鋰離子電池發展，是什么關鍵問題和技術？
南策文：在固態電池產業化過程當中，關鍵問題和技術是較多的。其中一個核心材料是固態電解質，因為鋰離子電池需要固態電解質像電解液一樣快速去傳導鋰離子，同時可以去阻斷鋰枝晶生成。
《能源評論》：您認為，應當要怎么樣詳盡推進固態電池技術進展？
南策文：今朝的技術路線有幾種：聚合物、氧化物和硫化物。從產業化的角度來講，無論是氧化物還是硫化物，在這兩個體系下做規模化的技術可行途徑，目前還是很難、有許多挑戰。今朝比較容易的一條途徑是無機-聚合物的復合體系，因為它集合了兩者的優點，可以使離子電導率保持較高水平，而且可以做到柔性，保證高分子的出產性、柔性，特別是它可較大程度上利用現有鋰電池制造平臺，可基于現有平臺，依據固態電解質引入以后所發生的變化特征，來調整相應的制造設備。要快速轉向大規模產業化，可能最容易的一條路線還是無機-聚合物復合體系先試先驅。
需要留意的是，因為在復合材料體系內，優化組合的種類有很多，研究者可以選不同的材料和不同的組合，所以會有很多空間可以去做，有很多排列組合和優化組合去進行比較，但挑戰也比較大。
《能源評論》：固態電池雖好，但起步階段價格往往很高，您認為，將來市場應要怎么樣開拓？
南策文：今朝主要還是要從典型的使用場景入手，因為固態電池要馬上大規模使用，比如成為動力電池還有一段距離，因此最開始還是做特種電池，比如像軍用電源、數碼范疇、石油、電力等行業，已經開始有使用。動力電池范疇更多是在實驗測試階段，目前要處理的首要問題是安全，好消息是對現有固態電池的所有安全探測，包括針刺、沖擊、擠壓，甚至是槍擊，都沒有問題。
《能源評論》：對于產業化進程中出現的問題，您認為該要怎么樣看待?
南策文：目前國內有幾家企業，比如清陶、鋒鋰、衛藍，都在聚焦固態鋰離子電池，全力往產業方向推進，這是非常好的現象。在推進的過程中，有問題很正常，因為惟有發現問題，才能有針對性地去處理問題。實際上，產業化規模使用與試驗室研究是完全兩回事，我們做研究講究的是“萬里挑一”，要在一萬個里面找出可能性、挑出做好的，但是產業界最需要的是“萬無一失”，對產品一致性有著極高的要求，二者要求完全不一樣。
《能源評論》：對于創新性產品的成本問題您怎么評價，將來趨勢要怎么樣？
南策文：工業界對成本問題非常關注，常常來和我們溝通。在我看來，成本與規模一般是密切相關的，以清陶公司目前0.1吉瓦時的規模來計算，固態電池成本比液態電池要高2倍多。但是隨著規模的增加，成本應當能降下來。大概到2022年，有了8吉瓦時量級的時候，成本可能會接近液態電池的成本。當然，即使到那時，二者的成本還是有差距，但是差距會縮小。
《能源評論》：您要怎么樣看待固態電池產業的將來前景？
南策文：盡管固態電池還有很多問題，但它有著扎實可行的技術方案，固態電池產品已經進入人們視野，是大勢所趨。
固態電池前景值得期望，在將來的產業化發展過程中，固態電池不會和液態電池去競爭、去替代，它有自身的使用場景和更新迭代的路線、產業化方向，在做研究和產業化方面，我相信我們國家還會走在前列。
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