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中科院院士歐陽明高:跨越創新週期 迎接國際新一輪動力電池技術之爭

2024-01-27 20:49:59

本報記者 尹麗梅 童海華 北京報道

在汽車產業鏈領域,被業內公認為“下一代電池技術”的固態電池,因具有更高的安全性、更長的迴圈壽命、更高的能量密度、高功率特性以及更強的溫度適應性等優點,正在快速“升溫”,形成多方競逐博弈的趨勢。

“現在行業內已經形成共識,全固態電池是公認的下一代電池的首選方案之一,被列入中國、美國、日韓等主要國家的發展戰略,成為下一代電池技術競爭的關鍵制高點。”近日,在中國全固態電池創新發展高峰論壇舉行期間,中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高在接受《中國經營報》等媒體記者專訪時表示,全固態電池有可能在2030年左右實現產業化。

在目前主流的液態鋰電池體系中,我國在全球動力電池產業版圖上佔據舉足輕重的地位,全球排名前十的動力電池企業有六家來自中國。美國、歐盟、日韓等國家和地區想要爭奪對動力電池的話語權,意圖從全固態電池切口進入,實現換道超車。其中,日本更是舉全國之力推動全固態電池的商業化,已形成官-產-學聯盟,豐田、本田、日產汽車等日系車企已在全固態電池方面進行深度佈局。

相較於日韓等企業在全固態電池領域的深耕積澱,我國進入固態電池賽道的時間更晚,而且主要是以科研機構和院校為支撐,產業化的程序更慢。

歐陽明高認為,目前動力電池產業已經迎來新一輪材料創新週期,我國需要跨越創新週期,迎接國際新一輪動力電池技術之爭。

風口上的全固態電池:鮮花與荊棘並存

現階段,行業內正在大規模運用的動力電池為液態鋰離子電池,它存在一定的熱失控風險,有著里程焦慮,並且已接近能量密度上限,因此行業希望構建新一代動力電池。全固態電池被認為是滿足要求最好的選擇之一,是未來鋰電的理想形態。

液態鋰離子電池主要由正極、負極、電解液和隔膜組成。在固態電池中,固態電解質替代了電解液。固態電解質是實現高安全性、能量密度、迴圈壽命效能的關鍵。

固態電池並不是一個新事物,早在2008年左右,便已有汽車領域內的企業著手對全固態電池進行研發。

若按照電解質形態來劃分,動力電池主要可分為液態電池、半固態電池以及全固態電池。在全球範圍內,下一代電池技術的競爭制高點主要集中在全固態電池技術領域,其中硫化物電解質佔據重要地位。

“近10年來,以硫化物固態電解質為代表的新型固態電解質發展迅猛,離子電導率趕上甚至超過液態電解質,推動固態電池研發進入新一輪熱潮。”歐陽明高說道。

安全被認為全固態電池最主要的優勢。歐陽明高認為,全固態電池具有技術顛覆的效能潛力,具備高安全性。“液態與固態電解質的差別在於,硫化物固態電解質的熱穩定性可以保持到300℃,而液態電解質達到100℃就會蒸發,因此全固態電池增加了200℃的安全空間,使得動力電池在正常的工作環境中有著更高的安全保障。”

此外,全固態電池在充電速度、溫度適應性等方面亦表現突出。

“當前,主流的液態鋰離子電池的離子傳導模式為運載模式,需要經過溶劑化、脫溶劑化等流程,通俗來講就是離子在液態電解質中移動需要‘坐船’。然而,鋰離子在固態電解質中是跳躍模式,它的傳遞速率更高,這就使其充電速度可以大幅度提高,這就是它的高功率特性。”歐陽明高表示,全固態電池具備的快充特性與當前行業內所提及的快充並不相同,目前電動汽車充電速度如果太快就會發生“析鋰”現象,但全固態電池有望解決這一問題。

在歐陽明高看來,全固態電池還具有較強的溫度適應性。“現有的液態鋰離子電池在低溫環境下的續航里程不理想,因為液態電解質的鋰離子電導率和溫度直接相關。然而,全固態電池的電解質在-30℃和100℃的範圍內都不會凝固和氣化,所以有著很好的溫度適應性,不需要進行很複雜的熱管理,也不會因為冬季氣溫低其容量就大幅下降。”

綜合種種優勢,歐陽明高認為,全固態電池是動力電池的重要發展方向之一。

不過,“理想很豐滿,現實卻很骨感”,全固態電池發展前景廣闊。但在產業化方面,全固態電池還有許多問題沒有解決,距離量產仍需要很長時間。

記者注意到,目前在行業內企業公佈的全固態電池產業路線圖中,產業化時間基本上集中在2027—2030年。

歐陽明高認為,衡量全固態電池產業化的標準應當是這類電池的市場份額至少達到1%。“就算全固態電池在2030年實現產業化,它要想替代液態鋰離子電池50%的市場份額也需要20—30年時間。不過,我們要看到,電動車現在也就只替代了(燃油車)30%的市場份額,其他國家就已經驚呼中國品牌的車要領先了。這說明,市場份額不需要達到50%,達到1%就已經是一種預警了。對於汽車技術而言,1%是很重要的市場份額,全固態電池(對原有電池技術)替代1%就已經具有突破性意義。”

呼籲警惕“顛覆性風險”

全固態電池發展前景廣闊,圍繞著全固態電池技術的商業化落地,一場全球化競爭已不可避免。

“中國要不要發展全固態電池?中國是目前液態鋰離子電池的領先國家,好像也不用擔心。但是,需要注意的是,現在我們已經走到了新一輪材料創新週期。”歐陽明高認為,我國動力電池產業面臨國內外競爭加劇的現狀,需要居安思危,向低碳化、智慧化、固態化方向發展。

在歐陽明高看來,中國全固態電池的研發目前來看存在認識還不統一、力量比較分散、產學研不協調等問題,需要聯合起來建立協同創新平臺,共同突破全固態電池產業化的關鍵技術。

與此同時,中國發展全固態電池還面臨產業鏈挑戰。“中國擁有全球最強大的動力電池產業鏈,如果我們現在發力全固態電池將面臨以下情況:從原料及基材生產、電芯及電池包裝配、電池生產應用到電池回收,全固態電池將對現有電池全生命週期產業鏈造成巨大沖擊。”歐陽明高說道。

全固態電池技術有不同技術路線,且各有利弊,國際上多以硫化物全固態電池為主要技術路線。而在中國,當前固態電池技術路線呈現多元化發展趨勢,半固態電池、全固態電池均有佈局,發展重點是半固態(固/液混合)電池。

“我國對固/液混合電池佈局早,產業鏈完整,各企業正在嘗試裝車。”歐陽明高強調,從行業全域性看,我們既要發展漸近性半固態技術路線,又要防範激進型全固態技術路線帶來的顛覆性風險。

歐陽明高認為,目前全固態電池國內外專利佈局差距較大,我國急需加強研發力度。“現階段,日本企業專利佈局領先,全固態電池專利申請前5名企業有4家日本企業和1家韓國企業,豐田排名第一,申請專利1000項以上。我國近5年專利佈局加速,各家企業在全固態電池方面開始加大投入,但與領先企業相比仍有較大差距,需要加大力度。”

記者注意到,中國電動汽車百人會理事長陳清泰在同一場論壇上談到,10多年來,我國在新能源汽車領域一直處於全球領先地位,其中一個重要的原因是,我國儲能電池技術和產業方面處於領先地位。換言之,沒有電池方面的領先地位就不可能有新能源汽車的領先地位。

歐陽明高認為,未來我國的動力電池產業既需要低成本產品,又需要高比能產品,需要兩頭髮力。在高比能電池方面,他認為2030年左右全固態電池產業化突破的可能性極大,行業各方應全力以赴,共同推動中國電池產業的高質量發展,形成持續引領全球電池行業之勢。

“面對未來,我們既不要過於焦慮,也不要過於樂觀,我們需要用科學嚴謹的態度去對待全固態電池。具體而言,我們首先要做的是廣泛地進行交流。其次,要多做一些基礎的研究,積聚產學研的力量共同來推動,聯合起來就能形成一股力量。最後,我們要加強產業協作。現階段,要發展全固態電池,就意味著我們的產業鏈需要重新建設,很多裝置、工藝、裝備以及供應鏈需要花時間重新‘搭建’,這個建立的過程需要產業協同,這樣的協同對大家都是有利的。”歐陽明高說道。

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