解決安全問題的“金鑰匙”

 

        《能源評論》：2017年，隨著電動汽車規模的迅速擴大，安全問題得到了空前的重視。您認為，與傳統鋰電池相比，全固態鋰電池優勢在哪里？

 

        南策文：簡單來講，傳統鋰離子電池是正、負極被隔膜分開，并灌入有機電解液的結構。電解液易滲出，特別遇到正負極短路或者過充等，將導致溫度快速升高，電解液蒸發分解，產生大量氣體，從而使電池出現安全問題，甚至導致電池燃燒爆炸。

 

        全固態鋰電池是用全固態電解質發揮二合一的功效，取代傳統電池里的隔膜和電解液，從而解決安全問題。同時，采用全固態電解質后，可以使用金屬鋰作為負極，從而提升能量密度。

 

        安全問題是產業發展的關鍵和基礎，也關系電池行業生存的根本；能量密度是業界研發的一個核心，關系行業發展的前景。從解決安全問題、用現有的材料來提高能量密度角度來看，全固態鋰電池可預期滿足產業發展的需求，值得大力發展。

 

        《能源評論》：基于現有技術，能否較好地解決安全問題？

 

        南策文：現有多種技術手段用來提高鋰離子電池的安全性，例如電池管理系統(BMS)。但BMS是“治標”手段，“治本”還需從電池材料本身著手。其中，采用陶瓷隔膜是提高鋰離子電池安全性的一個很好的方向。就是在隔膜的基材上，涂上一層納米陶瓷(Al2O3)顆粒涂層，增加了隔膜機械強度和耐熱收縮性，減少正負極直接短路的可能性，從而提高安全性。新一代陶瓷隔膜產品是一種納米陶瓷纖維涂覆隔膜（江蘇清陶能源生產），具有更好的耐熱等性能，對提高鋰離子電池安全性更有效。第二代產品是活性陶瓷纖維涂覆隔膜，使用陶瓷電解質纖維，除了可以改善安全性以外，還會提升鋰離子傳導速率，從而提高電池倍率性能。總的思路是，先通過陶瓷隔膜，改善現有鋰離子電池的安全性，逐步發展到把隔膜、電解液用全固態電解質替代，以期完全解決安全問題。

 

        《能源評論》：這樣看來，全固態電解質堪稱解決電池安全的“金鑰匙”，基于當下的產業布局、研發情況，您認為，業界應該選擇什么樣的發展策略？

 

        南策文：目前法國Bolloré、美國Sakti3和日本豐田分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態電解質的典型技術研發方向。實際上，幾種方式結合起來也是一種思路，比如把無機材料跟有機材料結合起來，總體原則是要在多個方案中間進行嘗試。未來更可能的發展策略是慢慢過渡，逐漸減少電解液用量，例如，從20%~30%減少到5%~10%，甚至0，從半固態逐漸發展到全固態。

 

        雖然目前全固態電池體型“遠水解不了近渴”，尚無法實現產業化，但在此之前，業界一直在不斷改進現有技術，逐步提高現有電池的安全性、能量密度等問題，比如完善現有材料配比、改善電解液性能、電池管理系統（BMS）等等。

 

        科研與產業化：從1%到100%

 

        《能源評論》：對于全固態鋰離子電池的產業化日程，您有何預期？

 

        南策文：對于產業化，國內的提法一般是到2020~2025年實現，也有專家提出來要爭取在五年之內產業化。這個目標需要大家共同努力，才有可能實現。當然，也取決于產業化標準，在多大程度、多大規模上實現。比如，據報道德國寶馬公司的目標是到2028年，日本豐田公司并未宣布商業化日程，但是較早就在全固態電池領域投入力度很大，一直在鼓足勁加油干。

 

        《能源評論》：未來，全固態鋰離子電池會應用于哪些領域？

 

        南策文：全固態電池目前主要是應用于一些特殊的行業，比如對安全性有絕對要求的航空航天、醫療等。未來在動力、儲能等領域具有很好的前景。

 

        《能源評論》：全固態鋰電池作為一項新技術，不可避免會有技術不夠成熟、成本偏高等問題。對于認為成本偏高是其產業化最大瓶頸的看法您如何評價？

 

        南策文：全固態鋰電池的倍率性能整體偏低等問題，都是科學技術問題，需要慢慢解決。成本問題不是最大的瓶頸。實際上，任何新技術、新產品剛一開始出來，成本都較高，一旦生產技術成熟、產量上去了，成本自然而然就能下來，所以成本是工業界解決的事情，不是學術界能解決的問題。

 

        同時，實驗室研究和產業化追求的目標不一樣。做研究追求1%的可能性、可行性，可以通過不斷試錯創新，發現新的材料，只要存在可能性，哪怕1%也可以；產業界追求的是99%甚至100%的可靠性和一致性，一點都不能差，而且各個方面都要考慮周到，所以要把1%變成99%甚至100%，中間還需要一個轉化的橋梁和過程，需要慢慢從實驗室、中試逐漸完善，然后放大成熟，實現完全可控。

 

        發展沒有“天花板”

 

        《能源評論》：化學電池的突破，依賴材料科技的創新。從這個角度，您如何評價全固態鋰電池研發的方向？

 

        南策文：和一般人理解不同，鋰離子電池和普通電子元器件不一樣，實際上是個很復雜的系統。比如正極、負極是多種材料復合在一起的，電解液和隔膜也可是多種的混合物。

 

        全固態電池看似簡單，其實也很復雜。比如，液態鋰離子電池的正極層中，包含了正極活性物質，導電劑、電解液、粘結劑等多種成分，假如換成全固態電解質，因為正極層中沒有電解液滲透，多種成分的配比組合問題會很復雜。做液態鋰離子電池就像我們和沙子攪水泥鋪地面，加水就可以讓石子、沙子與水泥調和，但是在全固態電池沒有液態物質參與，如何解決固態跟固態材料的界面問題并保證有效物質的活性，挑戰很大。

 

        《 能源評論》：您認為，由磷酸鐵鋰、三元、高鎳三元再到全固態電池的技術路線，會是什么樣的演進格局？

 

        南策文：單體電池的能量密度要達到300瓦時/千克，在現有技術體系上研發新產品，難度也不小。一旦超過400~500瓦時/千克，則更需要新的突破。從技術上來說，演進路線是按照時間進行的，但不同技術水平的電池并不是你死我活的關系，可能是并存共生的格局。這意味著，并不是出現新一代電池后，其它電池就會完全淘汰，可能是一個逐漸交替的過程，而且也可能并存較長時間。以鉛酸電池為例，雖然其能量密度較低，污染也較大，但到目前為止，鉛酸電池并未被鋰離子電池完全取代，而且發展得也挺好。原因就在于其成本低、安全性還可以，而且較好解決了回收循環利用等問題，所以至今一直還和鋰離子電池并存。不同電池有各自不同特點，存在于不同的適合自身的應用領域。

 

        《能源評論》：就能量密度而言，作為排在元素周期表第3位的元素，鋰金屬電池理論上可以達到700瓦時/千克，這會是電池儲能的極限嗎？

 

        南策文：這當然不是極限。電池的能量密度是需要綜合考慮正極和負極材料，如果發現新的正極材料，比容量和電壓比三元或者現有材料要高出很多，電池的能量密度還要上漲。鋰電池的極限，或者天花板，至少目前從技術上還看不到。如果非要確定相對的極限，作為高出目前鋰離子電池能量密度一個多數量級的鋰空氣電池，也許可以想象為極限（理論能量密度約為3500瓦時/千克），但700瓦時/千克不是極限。