圖3 動(dòng)力鋰電池電芯成本44(單位:元/Wh)

在能量密度方面,2017年底,基于NCM622材料電池單體能量密度超過200Wh/kg,系統(tǒng)能量密度160Wh/kg,2018年預(yù)計(jì)電池單體能量密度可達(dá)到230~250Wh/kg。

圖4 動(dòng)力電池能量密度44(單位Wh/kg)

這兩種電池還有一定的提升空間,尤其是新一代材料對電池性能的提升作用,比如正極材料811、硅碳負(fù)極的研發(fā),將會(huì)進(jìn)一步提升鋰動(dòng)力電池的能量密度,單體能量密度有望達(dá)到300Wh/kg,加上這兩種電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)大,在產(chǎn)業(yè)中的競爭還將存在一定時(shí)期。

二、固態(tài)電池成為目前布局重點(diǎn)

從技術(shù)潛力角度來看,磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg,三元鋰電池理論能量密度是300-350Wh/kg,同時(shí)存在熱分解溫度低、易燃燒爆炸等安全性問題,二者能量密度提升空間相對較小。然而全固態(tài)鋰電池的能量密度提升潛力大,從理論上講更具可行性。

1、固態(tài)鋰電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢

固態(tài)鋰電池,與傳統(tǒng)鋰電池相比的最大特點(diǎn)在于其使用了固態(tài)電解質(zhì)材料,當(dāng)使用的電極和電解質(zhì)材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時(shí),則為全固態(tài)鋰電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件,帶來巨大的技術(shù)優(yōu)勢潛力。

圖5 固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)原理示意圖

固態(tài)鋰電池的主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在,一是安全性高,不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機(jī)溶劑,不存在漏液問題,有望避免鋰枝晶的產(chǎn)生,大幅度降低電池燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。二是循環(huán)壽命長,不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生固體電解質(zhì)界面膜的問題,目前研發(fā)的預(yù)期壽命是15000-20000次。三是能量密度高,傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液體積占比40%,固態(tài)電解質(zhì)能大幅縮減電池正負(fù)極間距離,提高體積比能量,全固態(tài)鋰電池能量密度預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高,固態(tài)電解質(zhì)無流動(dòng)性,可實(shí)現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體,利于提升動(dòng)力電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負(fù)極材料選擇范圍寬,可同時(shí)兼用金屬鋰負(fù)極和高電勢正極材料等新技術(shù),全固態(tài)金屬鋰電池是未來新型電池的研發(fā)方向。除此之外,固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬,并且具備薄膜化、柔性化的潛力。

2、全球企業(yè)紛紛布局固態(tài)電池,爭奪先機(jī)

由于當(dāng)前磷酸鐵鋰和三元鋰電池自身的瓶頸,以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢,歐美、日韓、中國等國家的涉及動(dòng)力電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多企業(yè)正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。

圖6 國內(nèi)外固態(tài)電池布局典型案例

總體上,歐美國家主要是立足于固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)業(yè)型公司,日本主要以傳統(tǒng)車企、機(jī)械企業(yè)為主的電池技術(shù)創(chuàng)新。中國的企業(yè)相對來說進(jìn)入固態(tài)鋰電池領(lǐng)域的時(shí)間較晚,且主要以科研機(jī)構(gòu)或院校為支撐,產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。

研發(fā)方面,國內(nèi)主力為中科院的科研機(jī)構(gòu),有一定積累并與國外基本處于同一水平,但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間,離子導(dǎo)電率、循環(huán)壽命也亟待進(jìn)一步提升。固態(tài)鋰電池根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)分為三條技術(shù)路線,分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì),各科研機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)路線并不相同。其中,中科院青島能源所與中科院化學(xué)所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰電池,前者的實(shí)驗(yàn)樣品能量密度達(dá)300Wh/kg,并首次完成深海測試,后者則突破了聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫下低導(dǎo)電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術(shù),研制的10Ah軟包電池能量密度達(dá)310-390Wh/kg,體積比能量達(dá)800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無機(jī)固態(tài)鋰電池和復(fù)合固態(tài)鋰電池的研究。

3、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破

經(jīng)過企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的攻關(guān),目前固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)得到突破,能量密度超過300Wh/kg,但基本都是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品,距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

在技術(shù)層面,固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性在常溫下較低,一般需要加熱至60oC以上才能正常工作,如法國Bolloré則采用聚合物電解質(zhì)與電池加熱的技術(shù)路線;硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率目前與傳統(tǒng)鋰電池的水平相當(dāng),但仍需突破界面相性問題,主要通過材料合成和納米層技術(shù)增大活性物質(zhì)的量、降低界面層電阻。同時(shí),金屬鋰負(fù)極、新型復(fù)合正極材料仍在研發(fā)中,有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用,屆時(shí)能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。

在產(chǎn)業(yè)化層面,未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的困境主要在于生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)線環(huán)境。比如固態(tài)電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝需要定制化的高精度設(shè)備,并且生產(chǎn)線環(huán)境也需要保持更高級(jí)別的干燥間。只有當(dāng)規(guī)?；a(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與產(chǎn)能的提升后,固態(tài)鋰電池的成本才得以下降。

整體上來看,固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強(qiáng),規(guī)模化、自動(dòng)化的生產(chǎn)線還需要進(jìn)一步研發(fā),目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為,受制于固/固界面穩(wěn)定性問題,液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步減少,由液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)→全固態(tài)電池過渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上,受制于金屬鋰負(fù)極可充性問題,負(fù)極材料將從石墨→合金化負(fù)極(如Si/C)→金屬鋰負(fù)極進(jìn)行過渡。隨著研發(fā)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)方面的發(fā)展,固態(tài)電池的性能與生產(chǎn)將逐步優(yōu)化,在動(dòng)力電池市場迎來機(jī)遇。

三、潛在技術(shù)的替代者依然存在

除了對當(dāng)前鋰電池的改善及固態(tài)電池的布局,在動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新中,國內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)/大學(xué)紛紛進(jìn)行了不同嘗試,一些指標(biāo)較目前水平有較大改善,為動(dòng)力電池性能的提升提供了有力參考。

圖7 國內(nèi)外新型電池研發(fā)情況

通過對收集的典型創(chuàng)新案例技術(shù)指標(biāo)梳理,可以發(fā)現(xiàn),目前一些產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)已經(jīng)得到提升。在能量密度方面,鋁空氣電池能量密度達(dá)到780Wh/kg,鋰硫電池達(dá)到350Wh/kg,固態(tài)電池達(dá)到360Wh/kg;在充電倍率方面,典型創(chuàng)新性產(chǎn)品最高充電倍率已經(jīng)超過100C。在循環(huán)壽命方面,典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過15000次。

圖8 典型創(chuàng)新產(chǎn)品能量密度(單位:Wh/kg)

圖9 典型創(chuàng)新材料和產(chǎn)品充電倍率49(單位:C)

圖10 典型創(chuàng)新產(chǎn)品循環(huán)壽命49(單位:次)