“從目前的情況來看,國(guó)內(nèi)成立的固態(tài)
電池公司有5、6家了。他們也都在往產(chǎn)業(yè)化走,應(yīng)該說還是產(chǎn)業(yè)化的初期階段。我認(rèn)為在2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可能性還是非常高的。”
陳立泉,著名功能材料學(xué)家,中國(guó)工程院院士,先進(jìn)電池與材料產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟名譽(yù)理事長(zhǎng)。主要從事鋰電池及相關(guān)材料研究,在中國(guó)最先研制成功鋰離子電池,解決了鋰離子電池規(guī)�;a(chǎn)的科學(xué)、技術(shù)與工程問題,實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。近年來,開展了全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、室溫鈉離子電池等研究,為開發(fā)下一代電池奠定了基礎(chǔ)。曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中科院科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng),2007年獲國(guó)際電池材料協(xié)會(huì)終身成就獎(jiǎng)。
記者于ICEnSM2019會(huì)議期間對(duì)陳院士進(jìn)行了專訪,以下為專訪實(shí)錄
固態(tài)電池實(shí)際上不是現(xiàn)在新有的概念,在我進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域的時(shí)候,就是固態(tài)電池剛起步的時(shí)候。1976年,我受科學(xué)院的派遣到德國(guó),西德斯圖加特馬普協(xié)會(huì)的固體所去進(jìn)修,當(dāng)時(shí)全所都在做一種材料——氮化鋰,分子式是Li3N。當(dāng)時(shí)我是學(xué)晶體學(xué)專業(yè)的,從事晶體生長(zhǎng)的工作。全所都要這個(gè)晶體,我就感到奇怪,氮化鋰有什么用?
當(dāng)時(shí)的同事告訴我,氮化鋰的用途很大,它是離子導(dǎo)體,可用來制造開汽車的固體電池。這一句話把我吸引住了,我想既然是這樣,我為什么不去學(xué)這個(gè)?后來經(jīng)過科學(xué)院同意,我就改行到固態(tài)電池方向來。
在德國(guó)一共度過了一年零八個(gè)月,在這期間,有兩個(gè)人對(duì)我進(jìn)入到固態(tài)電池研究領(lǐng)域起了非常大的作用,一位是從斯坦福大學(xué)去固體所學(xué)術(shù)休假的R.Huggins教授,一位是剛在他實(shí)驗(yàn)室做完博士后的W.Weppner博士。
所以,1976年我就已經(jīng)進(jìn)入到固態(tài)電池領(lǐng)域了,在1978年回國(guó)后,我立即向科學(xué)院以及科技部提交報(bào)告,請(qǐng)求國(guó)家關(guān)注、重視固體電解質(zhì)材料領(lǐng)域。后來,科學(xué)院連續(xù)三個(gè)五年計(jì)劃里,固態(tài)電池都作為一個(gè)重點(diǎn)課題。
在后來實(shí)行的863計(jì)劃,固態(tài)電池也在其中。所以就固態(tài)電池來說,中國(guó)人起步時(shí)間并不比國(guó)外晚,我們?cè)谶@方面是有一定基礎(chǔ)的。
我認(rèn)為新能源汽車快速發(fā)展有兩個(gè)問題,一個(gè)是續(xù)航里程,一個(gè)是安全�,F(xiàn)在無論是電動(dòng)汽車還是儲(chǔ)能,鋰離子電池都存在一個(gè)安全問題:液體電解質(zhì)的可燃性。所以無論儲(chǔ)能或電動(dòng)汽車,想要安全首先要解決液體電解質(zhì)的可燃問題。
另外從續(xù)航的角度來講,能量密度要提高,才能解決電動(dòng)汽車的續(xù)航里程問題。有人說續(xù)航里程長(zhǎng)不節(jié)能,我認(rèn)為這句話是片面的。這句話適用于電池能量密度不高的情況。
舉一個(gè)形象的例子,如果電池的能量密度是100Wh/kg,續(xù)航里程為500公里,自然會(huì)裝的多一些。電池裝的多,整車的重量就增加了,重量增加摩擦力就增加,這肯定是不節(jié)能的。但如果把能量密度提高,從100Wh/kg提高到300Wh/kg,那同樣開500公里,只需要之前1/3的電池就可以了。
但能量密度想要提高,還是有很多問題存在。現(xiàn)有的鋰離子電池,只能是正極用高鎳的三元材料,負(fù)極用硅碳負(fù)極,這個(gè)做300Wh/kg應(yīng)該是沒問題的,但如果要想進(jìn)一步再提高,達(dá)到500Wh/kg甚至更高的水平,就很吃力了。所以目前來看,現(xiàn)有的鋰離子電池面對(duì)的挑戰(zhàn)還是不小的。
我覺得應(yīng)該會(huì),固態(tài)電池的電解質(zhì)是固體材料,兩個(gè)電極正負(fù)極都是固體材料,它沒有燃燒的問題,也就沒有爆炸的問題。
但是不是金屬鋰做負(fù)極就那么安全?百分百的不會(huì)出問題,也很難說。因?yàn)殇嚤旧硎莻(gè)比較活潑的金屬,要解決固態(tài)電池的一些問題,還是需要投入時(shí)間探索和研究,比如“枝晶生長(zhǎng)”的現(xiàn)象。
所謂枝晶就是充放電的時(shí)候,充電時(shí)部分鋰變成離子通過電解質(zhì)跟正極反應(yīng),放電的時(shí)候這些鋰離子再回去,沉積在金屬鋰的表面,我們知道沉積理想的狀態(tài)是均勻平行的。但電池是一個(gè)大的表面,如果電場(chǎng)很均勻,沉積自然很均勻,一旦電場(chǎng)不均勻,或熱量分布不均,可能造成某些部分凸起來。一旦發(fā)生凸起,越向外凸的部分就越容易沉積,這樣逐漸循環(huán),生長(zhǎng)出來的枝狀晶體就是枝晶。
枝晶的產(chǎn)生,有可能把固體電解質(zhì)穿透。穿透固體電解質(zhì),就會(huì)跟正極發(fā)生短路,這可能也會(huì)有安全問題的存在。但由于固態(tài)電池沒有液體電解質(zhì),不會(huì)燃燒,也就不會(huì)起高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)。
現(xiàn)在的液體電解質(zhì),只要發(fā)生短路或其他事故,正負(fù)極一碰,溫度就會(huì)迅速升高。溫度升高的話,會(huì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng),就會(huì)出現(xiàn)很多問題,甚至?xí)a(chǎn)生一些原有系統(tǒng)中沒有的問題,可能伴有劇毒。
固體電解質(zhì)雖然有這方面的好處,但不能說一點(diǎn)問題沒有,如何不讓固態(tài)電池產(chǎn)生枝晶,是目前大家都在研究的事情。
早在2010年,我在北京鋰電的論壇說中國(guó)鋰電如何突圍?當(dāng)時(shí)我顯示了一個(gè)世界市場(chǎng)占有率的曲線的變化情況,日本本來是百分百的的占有率,但一直下滑,到2010年我做報(bào)告的時(shí)候,日本快要下滑到韓國(guó)人的市占率曲線的下面了。韓國(guó)人是一直往上升的,當(dāng)時(shí)中國(guó)的市場(chǎng)占有率還處于緩慢上升階段,比日本低不少。所以當(dāng)時(shí)我就提出這個(gè)問題,中國(guó)鋰電如何突圍?
當(dāng)時(shí)我很著急,提出看法后,CATL董事長(zhǎng)張毓捷先生就來向我咨詢。他信心十足的說:鋰電突圍從CATL開始。恰逢當(dāng)時(shí)我國(guó)要實(shí)行補(bǔ)貼政策,在我發(fā)表完演講后沒多久,中國(guó)鋰電池開始蓬勃發(fā)展,經(jīng)過了4年時(shí)間,中國(guó)的動(dòng)力電池世界市場(chǎng)占有率就已經(jīng)超過了韓國(guó),處于世界第一,就代表著突圍成功。
但現(xiàn)在面臨一個(gè)問題,新能源汽車正在退補(bǔ),補(bǔ)貼浪潮褪去后,會(huì)不會(huì)有可能被韓國(guó)、日本再反超,是我們都需要重視的一個(gè)問題。退補(bǔ)就等于世界各國(guó)站在了同一起跑線,大量的鋰電池品牌將進(jìn)入到我國(guó),無論是韓國(guó)、還是日本,都對(duì)本土電池企業(yè)產(chǎn)生了一定的壓力,這也是需要本土企業(yè)打起精神來應(yīng)對(duì)的狀況。
現(xiàn)在我國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè),算是并跑狀態(tài)。從跟跑到并跑,再到領(lǐng)跑,需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間,可能會(huì)經(jīng)歷一些曲折。未來我預(yù)測(cè),我國(guó)的電池企業(yè)一定可以成為“領(lǐng)跑者”。
我在五年前,提出一個(gè)觀點(diǎn):固態(tài)電池要用5年時(shí)間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,也就是2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
從目前的情況來看,國(guó)內(nèi)成立的固態(tài)電池公司有5、6家了。他們也都在往產(chǎn)業(yè)化走,應(yīng)該說還是產(chǎn)業(yè)化的初期階段。我認(rèn)為在2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可能性還是非常高的。
我覺得恰恰相反。對(duì)于固態(tài)電池,我希望不要完全甩掉現(xiàn)在的鋰離子電池,最好在鋰離子電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),這樣發(fā)展起來會(huì)很快,也會(huì)很順暢。而且從目前的形勢(shì)來看,我們也需要做這方面的工作。
雖然現(xiàn)在看多種電池并舉,都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),但未來一定是固態(tài)電池的天下。目前日本、韓國(guó)以及歐美國(guó)家都在著手發(fā)展固態(tài)電池,想在未來固態(tài)電池市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位,形勢(shì)刻不容緩。
1991年的時(shí)候,SONY宣布鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化,這在當(dāng)時(shí)震動(dòng)相當(dāng)大,因?yàn)楫?dāng)時(shí)它的鋰離子電池各方面性能都不錯(cuò),這樣國(guó)內(nèi)肯定是要跟跑的。
當(dāng)時(shí)我有機(jī)會(huì)去參觀SONY,看到了它整個(gè)生產(chǎn)線,相當(dāng)震撼。當(dāng)時(shí)的SNOY生產(chǎn)線自動(dòng)化程度就非常高,18650圓柱形電池的檢測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,哪個(gè)部分沒焊好,都能一目了然。分檢也相當(dāng)嚴(yán)格。做極片的生產(chǎn)線,大概只有一兩個(gè)人,而我們的工廠當(dāng)時(shí)一條生產(chǎn)線是有很多人的。
雖然當(dāng)初固態(tài)電池已經(jīng)有了成品——大小在100cm2左右,但畢竟難以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化目標(biāo),如果當(dāng)時(shí)不投入到鋰離子電池中,我國(guó)將在很長(zhǎng)一段時(shí)間受到國(guó)外掣肘。而且SONY宣布產(chǎn)業(yè)化后,大家也都感興趣,所以當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大部分都轉(zhuǎn)到鋰離子電池去了,固態(tài)電池基本上就停擺了一段時(shí)間。
(責(zé)任編輯:子蕊)