中俄新能源材料技術(shù)研究院院長王慶生

業(yè)內(nèi)最近被蔚來的150KWh“固態(tài)”電池的發(fā)布鬧得沸沸揚揚，在解析這個技術(shù)問題之前我們先把現(xiàn)有市面電池體系技術(shù)做一下梳理，這樣大家理解起來就不會模糊了。

電池的分類從使用方式上、性能上、材料上、體系上把電池做了不同的分類：有一次電池、二次電池、激活式電池；鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、燃料電池等等各有不一，這里不多贅述，就鋰離子電池體系命名從技術(shù)層面做一個說明（基本上是從電解質(zhì)存在形態(tài)、隔膜的變化看）。

1、液態(tài)體系：有隔離膜（PP-PE-PP結(jié)構(gòu)膜）+液態(tài)電解液+鋰金屬氧化物正極/石墨負(fù)極（鈦酸鋰）；即電解液為液態(tài)的鋰離子電池我們稱之為液態(tài)體系；優(yōu)點電導(dǎo)率高、缺點安全性差，低溫性能差、動力工況循環(huán)壽命不理想。

2、凝膠聚合物體系：有隔膜（PP-PE-PP結(jié)構(gòu)膜）+在隔膜上或者活性物質(zhì)極片上涂覆/噴涂電解質(zhì)凝膠（高聚物+電解液/固態(tài)電解質(zhì)陶瓷氧化物等）+鋰金屬氧化物正極/石墨負(fù)極（鈦酸鋰）；電解液以凝膠態(tài)存在稱之為凝膠態(tài)體系；優(yōu)點有效提高了安全性，工作溫度窗口寬，缺點降低了離子交換性能和躍遷性能、倍率性能差、工藝復(fù)雜，俗稱果凍電池。

3、準(zhǔn)固態(tài)多孔聚合物體系：采取材料復(fù)合隔離膜（PVDF+無機填料/陶瓷）與電解液吸附形成半電解質(zhì)隔離膜結(jié)合外嵌集流體多孔電極（相分離制備多孔電極）技術(shù)+鋰金屬氧化物正極/石墨負(fù)極（鈦酸鋰）；形成無自由流動的電解液的稱為準(zhǔn)固態(tài)體系；優(yōu)點安全性高、倍率性好、工作溫度窗口寬、循環(huán)壽命長，缺點工藝復(fù)雜、質(zhì)量比能量與液態(tài)相比低8%左右。

4、固態(tài)體系：無隔離膜、電解質(zhì)為固態(tài)形式存在+正極鋰金屬氧化物/鋰金屬負(fù)極，稱為固態(tài)體系；優(yōu)點能量密度高、安全性高、但因固固相界面阻抗大倍率放電性能差，固態(tài)電解質(zhì)鹽納米化問題，鋰金屬負(fù)極的使用問題、壽命衰減快、充電效率低等問題故此技術(shù)目前還在路上。

5、熱固化電池：此種屬于液態(tài)體系技術(shù)，在電池化成后采取熱固化封裝成型（熱固化劑樹脂加熱成型固化）不屬于體系電池技術(shù)的改變，整體電池穿了個保護甲電池整體呈現(xiàn)硬固態(tài)，稱之為熱固化電池；優(yōu)點不突出，電池散熱差，極化嚴(yán)重，局限于小電流應(yīng)用。

下面我們再看一下幾種固態(tài)體系電池技術(shù)發(fā)展中面臨的問題——

1、薄膜、聚合物固態(tài)電池技術(shù)路線以博世以及戴森等公司為代表，在不斷加大在這兩項固態(tài)電池技術(shù)上的投資；薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)有“高成本”和“低導(dǎo)電率”兩個致命問題；薄膜技術(shù)無法在室溫（25°左右）條件下實現(xiàn)高導(dǎo)電率，所以需要不斷的去加熱并維持在60°才能保證擁有高效的導(dǎo)電率。所以在很多早期的固態(tài)電池試產(chǎn)車上，電池因為依賴不斷加熱，造成自我電量損耗，其實本身也無法發(fā)揮出其它的優(yōu)勢，目前無大的突破。

2、豐田一直是專注于硫化物固態(tài)電池技術(shù)的開發(fā)，但硫化物本身活性很高，在生產(chǎn)和使用中一旦與水接觸，就會產(chǎn)生硫化氫。硫化氫為易燃危化品，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。所以硫化物固態(tài)電池技術(shù)路線雖然在生產(chǎn)成本上要相比薄膜技術(shù)更低一些，但如果保證從制造端到應(yīng)用端足夠高的安全性是更高的門檻，其實也屬于從另外一個角度增加了開發(fā)成本。

3、氧化物技術(shù)路線也有自己的缺點，氧化物本身很穩(wěn)定導(dǎo)致“脆性”很高，對生產(chǎn)的要求也就更高，同時導(dǎo)電性也并不具備優(yōu)勢，但從廣義上講，相比于其它路線，克服生產(chǎn)難度要比克服成本和安全性要更簡單一些，但界面阻抗問題、充放電效率問題、固態(tài)電解質(zhì)鹽納米化及成本問題、負(fù)極鋰金屬應(yīng)用問題等亟待解決故離實際應(yīng)用還有距離。

從以上分析對比就可以清楚地了解到各種電池技術(shù)體系和存在的問題，從動力電池性能需求上看準(zhǔn)固態(tài)多孔聚合物技術(shù)滿足度最高，固態(tài)技術(shù)還在路上，液態(tài)和凝膠態(tài)因其技術(shù)體系特點只限于數(shù)碼和非大功率市場應(yīng)用，但熱固化電池只在封裝技術(shù)上進行改進，但違背了電池產(chǎn)熱散熱機理不可在動力上使用。這樣目前國內(nèi)紛紛報道的所謂“固態(tài)”電池到底是什么體系技術(shù)就一目了然了。

這里回到蔚來電池技術(shù)報道的幾個名詞和數(shù)據(jù)做一下分析——

1、原位固化固液電解質(zhì)——突破打下安全地基：對電解液進行原位固化，而且電解液中固液兩相同時存在，這是一種新的提法。這里關(guān)鍵在于固化哪些組份、電解液中是否同時存在固體和液體電解質(zhì)。因為對該項工藝沒有詳細(xì)說明故不太了解，在這里只能理解為電解液不流動，被固化的組份是靠材料之間的作用力或者外因條件使物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生的性質(zhì)的變化，至于“固液電解質(zhì)”可以理解為該混合物發(fā)生化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成凝膠態(tài)或者固態(tài)發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變。那么“原位固化固液電解質(zhì)”就意味著存在兩種可能狀態(tài)：化學(xué)交聯(lián)“固液電解質(zhì)”，可能由電解液+氧化物電解質(zhì)鹽+高分子膠等混合形成的凝膠態(tài)電解質(zhì)；另一種則是經(jīng)外加熱固化劑受熱固化成型，則其導(dǎo)電性值得質(zhì)疑。在這里需要強調(diào)的是任何新的提法首先提法要準(zhǔn)確，更為重要的是應(yīng)經(jīng)得起理論和實踐的考驗。

2、硅碳復(fù)合負(fù)極材料經(jīng)均質(zhì)包覆、無機預(yù)鋰化處理，讓高能量密度負(fù)極材料的應(yīng)用可能提供一線希望。采取Si/C做鋰離子電池負(fù)極材料，Si/C材料能量密度從400-600-800+mAh/g不等，但從開發(fā)以來應(yīng)用上一直存在性能不穩(wěn)定和首化效率低而未被推廣使用，其原因是充放電時材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定坍塌，造成壽命過短，還有高比例Si帶來的不穩(wěn)定和首化效率偏低的問題。通過均質(zhì)包覆、無機預(yù)鋰化處理改善Si-C材料穩(wěn)定性和初始效率低的問題，但實際預(yù)鋰化技術(shù)也只局限于針對電池負(fù)極首效低于正極的全電池，全電池預(yù)鋰化后首次效率最高也只能達到正極材料半電池的水平，那么也就是說Si/C材料的應(yīng)用只是降低負(fù)極材料用量相對的降低重量和體積帶來的相對能量密度的提高，但Si/C負(fù)極材料使用中首化效率低且?guī)淼墓に嚿系牟黄ヅ鋯栴}嚴(yán)重。值得提醒的是，鋰離子電池材料的短板其實不是負(fù)極材料而是正極材料，如果高鎳三元即便達到穩(wěn)定應(yīng)用，其能量密度也不過200mAh/g左右和人工石墨370mAh/g的比能量還是相差很大。另外，在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計正負(fù)極匹配及電極工藝制備上，容量相差越大電極制備工藝難度也越大，壓實密度一樣也影響庫倫效率的發(fā)揮。故新的高能量密度正極材料出現(xiàn)以前，Si-C負(fù)極的實際應(yīng)用還需探討，此材料改性技術(shù)也屬于普適技術(shù)之一。

3、納米級包覆超高鎳正極能夠改善正極材料與電解質(zhì)的界面性能，包括固/液兩相接觸面積、導(dǎo)電性以及電極對電解液的潤濕效應(yīng)等。暫且不考慮超高鎳材料作為動力電池正極材料使用的問題（熱穩(wěn)定性鋰鎳離子混排問題），就納米包覆高鎳正極提高正極能量作技術(shù)分析。這里首先要明確材料包覆改性的作用和目的，包覆改性多以提高導(dǎo)電性能、降低溶劑浸蝕提高首化效率，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為主要功能。采用納米包覆（那種材料）提高材料比表面積，也就是增大電化學(xué)反應(yīng)表面積，這對于降低電池微觀電流密度行之有效的做法。至于提高比能量除非是富鋰材料摻雜可幫助負(fù)極預(yù)鋰化且提高鋰源數(shù)量，這樣減少首化鋰離子的消耗，變相提高電池的比能量（但卻未見報導(dǎo)）。但迄今為止納米包覆改善與固液相電解質(zhì)界面問題說法過于籠統(tǒng)，是改變界面接觸問題，還是界面阻抗問題，是否提高或降低界面阻抗等問題報道甚少。納米化包覆工藝方法質(zhì)量和材料在這里尤為重要，因這里并非正極材料或者電解質(zhì)直接納米化接觸，所以中間包覆材料納米化材料與工藝方法會直接影響界面阻抗也并不一定會得到改善。

4、再有采用半固態(tài)電池、能量密度360Wh/kg高于目前水平50%，續(xù)航里程超1000Km等等，這些360Wh/kg和發(fā)布的150KWh（尺寸大小重量）數(shù)字需要演算和實踐驗證。電壓是多少？電流是多大？可否滿足多大電流放電？是否符合電池設(shè)計？從事電動車電池的設(shè)計人員必須充分認(rèn)識到這幾個參數(shù)的必要性。即便達到360wh/kg之前很多家都報道過類似接近的指標(biāo)，但都未見有產(chǎn)品出現(xiàn)，且各類報道中都回避的一個實際且重要的指標(biāo)：單體電池實際容量、放電的倍率（電池實際容量大小非常重要），因電池指標(biāo)的衡量不是只有能量密度，而且需要的不是半電池測材料，而是電池整體的數(shù)據(jù)。衡量動力電池指標(biāo)：要求安全性能、倍率性能、高低溫性能、充放電效率、壽命、體積比能量、質(zhì)量比能量乃至于成本等等，車輛續(xù)航也不是標(biāo)個里程就可以了，也要說明車輛的時速，難道你開車只是40km/h勻速行駛么？我們要的是實際工況，加速度和小時功率等等，故現(xiàn)在的報道也多是資本需求經(jīng)不起推敲。

所以綜上所述，“采用半固態(tài)電池，能量密度360wh/kg，高于目前水平50%，續(xù)航超1000km。采用三個新工藝，“原位固化固液電解質(zhì)”、“無機預(yù)鋰化硅碳負(fù)極”、“納米級包覆超高鎳正極”等等從技術(shù)分析上來看還需要深入探討。把凝膠態(tài)技術(shù)理解成固態(tài)的體系技術(shù)，高鎳正極+Si/C負(fù)極作為目前高能正負(fù)極材料代表湊在一起；這樣“固態(tài)高能”電池就出現(xiàn)了，可以實現(xiàn)動力電池性能在汽車上應(yīng)用了這太過牽強，這里面太多的技術(shù)問題都還未真正意義的解決和應(yīng)用，且體系技術(shù)不滿足于動力電池的應(yīng)用設(shè)計，材料技術(shù)也需要完善，產(chǎn)品技術(shù)的不是做拼盤，需要科學(xué)理論的支撐和實際具體有效的工藝配合實現(xiàn)，故我們要科學(xué)理性面對技術(shù)和產(chǎn)品，媒體也不要過大宣傳，不要混淆技術(shù)不要拼湊技術(shù)更不要什么都要迎合名詞概念，這種資本需要的炒作并不能有效推動科學(xué)技術(shù)的進步，其實簡單直接有效的解決方法就是好技術(shù)，作為新能源的發(fā)展肯定是不斷前行的，這需要我們幾代科學(xué)工作者扎扎實實的沉下心來做研究解決的。

（作者王慶生，系中俄新能源材料技術(shù)研究院院長）