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2019智新峰会 北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理向晋博士 固态电池技术及产业化

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2019智新峰会 北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理向晋博士 固态电池技术及产业化

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来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2019/11/06 12:00
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2019年新能源汽车智新峰会暨《节能与新能源汽车年鉴》发行十周年会议在北京裕龙国际酒店举行。2019智新峰会聚集节能与新能源汽车领域权威专家、行业资深人士、地方政府负责人、代表性企业负责人等,围绕政策、标准、整车、动力电池技术、驱动系统、自动驾驶技术等焦点问题进行深入探讨与交流,勾勒出产业未来的走向与趋势,继而大力推动我国新能源汽车产业创新、健康、快速发展。

 

北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理向晋博士作为嘉宾参会,发表《固态电池技术及产业化》的主旨演讲。

 

北京卫蓝新能源科技有限公司副总经理 向晋博士

 

向晋:首先感谢主办方的邀请,王芳首席也提到了国家层面、行业层面对于安全性测试的关注,也体现了整个行业对于不管是动力电池还是其他电池安全性的关注,上午的福田的魏总也提到了未来电池的发展方向。基本上行业的共识也是认为,同时解决能量密度以及安全性,固态电池应该是未来五至十年的电池技术。我把目前固态电池的发展情况,以及卫蓝色信号能源在固态电池方面做的一些工作,向各位专家以及各位领导做汇报。

 

不管是3C消费电池还是动力电池还有储能电池目前的技术状态,不管的领域对于电池的性能会不太一样,像3C消费领域更加关注于电池的体积能量密度,也会关注寿命。对于储能可能是关注成本包括循环寿命。动力是综合性要求比较高的领域。目前动力电池的能量密度,目前商业化大概是250瓦时每公斤,当然也有260瓦时每公斤的电芯,北汽新能源李总也介绍了,280动力电池下一步也会量产。

 

针对各个领域的电池,虽然说它们性能有所不同,大家对于安全性来说是最基本的要求。动力电池目前发展方向来看,第一代到第二代的电动汽车的发展,其实都是伴随着动力电池能量密度不断的提升,目前我们正在开发的第三代或者是更下一代的电动汽车,前面专家也分享了,未来的电动汽车的开发都是以用户痛点为需求,用户非常关注这个车续航里程有多长,充电时间有多长,高低温性能如何以及电池成本怎么样,车报废之后,再换车的时候它还剩多少的价值,这都是消费者非常关心。消费者关心的很多问题,实际上都是动力电池本身性能相关。

 

未来要开发安全性高、能量密度很高、低成本的,循环寿命很长的动力电池应该是未来的发展。这是锂电池发展的脉络,分为三个阶段:目前是第一代的锂电池,第一代1991-2000年期间能量密度100瓦时每公斤左右,当时的材料还是比较单一的。第二个阶段2000-2015年期间是第二代,能量密度大概200瓦时每公斤,这个材料越来越多,包括里磷酸铁锂、负级这些材料都被开发出来了。第三阶段是第三代的锂电池发展阶段,这个材料更多了,可选的余地更多了,高压的材料,高电的材料,负锂的电池慢慢被开发出来,包括负级的硅碳材料也会被大家慢慢所接受。

 

总体来看,针对不同领域这个材料的选择还是有一些不一样的。像3C消费,目前可能钴酸锂还是一个主要的材料,但是随着这个钴酸锂电压限制以及成本的要求,未来高镍的三元材料有可能在消费电子领域有一个比较重要的应用。动力电池领域,大家认为硅碳材料是共识,像负锂的材料,锂可能在负级里面的含量越来越高,这也是未来的发展趋势。对于电解液来说,未来半固态的电解液以及全固态的电解质也是未来的发展方向。

 

针对高能量密度的提升,目前我们可能还有很多的解决方案,直接很简单的,像用高压的正级和负级材料,目前通过提高钴酸锂电压,到4.5V以上,用高镍的材料都是未来高容量正级的发展方向。负级,用硅碳的材料以及用铝金属负荷材料也是未来的发展方向。

 

除了正负级的提升,还有一些其他的技术,包括把隔膜减薄,像我们用超薄的铜箔,超薄的铝箔,包括我们把电芯的尺寸不断做大,现在已经开始在做590尺寸的电芯,其实都能够很大程度上提高电池的能量密度。如果说我们把这个隔膜减薄,把铜箔减薄,把铝箔减薄了,这实际上以牺牲电池安全性为代价的,像能量密度提升之后电芯起火的事件越来越多,跟目前的技术应用也有很大的关系。除了这些技术之外,目前能量密度的提升安全性还是一个比较大的矛盾。

 

针对高能量正级和负级的未来挑战。像正级高体积的变化,都会影响高容量正级和高容量负级的研发。针对这个正级和负级的一些问题我们也有一些解决的方案,包括卫蓝做了很多工作,通过正级的包覆,在正级形成CEI的保护,通过正级中加入固态电解质。负级,我们也可以通过原位固态修饰,在负级表面形成一些保护,通过这些技术的改进,最终我们希望可以通过固态锂电池的方案,可以解决正级以及负级面临的一些挑战。

 

业态锂电池,因为热失控导致的安全风险,这里不再多讲了。主要因为电池内部本身的容易发生热失控的风险,所以导致了现在液态电池不安全的表现。针对液态电池安全性的提升,目前各个电池厂也正在提升大量的改进工作,通过负级以及正级的表面,涂炭以及正级和负级的表面引入一些保护层,通过电解液半固体化或者全固态化来提升电池的安全性,目前的情况来看也和电池场做交流,目前改进措施可以提升安全性的程度还是有限的。大家还是把希望寄托在固态电池方面,大家希望可以采用这种热稳定性更高固态电解质的材料,来彻底解决电池的安全性的问题。传统的业态电解质的安全性确实还是比较差,它的热稳定性的温度大概是100度到200度之间,无论是聚合物还是硫化物还是氧化物的固态电解质,热稳定性的稳定基本上都是在200度以上,对于氧化物的固态电解质,这个热稳定性应该说更强,可以更高,可以达到600度以上的温度。

 

目前的不同几种技术路线之间的对比,包括聚合物、硫化物、氧化物。前面一些年基本上实现了这种商业化的聚合物的固态电解质体系,法国的一个公司已经实现了出租车的运营,他的问题比较多,必须在高温下工作,而且能量密度还是比较受局限,只能和磷酸铁锂的一个匹配进行使用,如果跟三元体系匹配的话,他的电化解稳定性有问题循环性比较差。

 

目前行业内主要两个技术路线,一个是硫化物,一个是氧化物。硫化物,像日韩研究的比较多一些,氧化物的而言,在国外也有正在做。硫化物这个体系是日本人最早发出来,他的优势是电芯的倍履行比较好,但是日本做了十多年,目前来看还没有真正实现这样一个商业化。首先是硫化物对水分比较敏感,生产工艺中要求比较低湿的环境,他的整个的生产成本比较高的,也是日本前期开发的这个硫化物固态电池,对成本不太敏感的领域,像军工领域。目前像日本他们的主要的工艺还是通过高强的压力能够保证这个硫化物的固态电池在一个比较高的循环性能,固固接触持续变差。

 

氧化物的体系,成本比较低,而且交换性稳定性比较好,它的缺点也比较明显,比较催,电阻高,大容量电芯难制备。如果单独走某个技术路线是比较难解决所有的问题,可能走持续的固态电解质是未来发展方向。

 

无论哪种技术路线都要满足客户需求,如果说固态电池要实现产业化的应用,还是有希望高能量密度,高安全性,实现一个快充的性能,并且能够有长的循环寿命。可以实现一个低的成本。我们曾经做过一个预测,如果做固态电池,是有希望比现在的液态电池更低,我们这里提到六毛钱每瓦时的水平。

 

这是全球范围内正在做固态电池的企业,我们列了一下,大家可以看到有一些公司我们列了它的技术路线,做集合物的企业也有,像之前的博士他们都是以聚合物为路线。氧化物的路线也有一些,像宝马、大众投资等等也做了氧化物的路线。东亚,包括日韩,像丰田、索尼还是以硫化物为主,像轻陶、辉能还是以氧化物为主,我们比较看好氧化物,但是不只是做氧化物,跟聚合物做一些负荷。

 

虽然做固态电池企业来说比较多,但是没有任何一家企业说可以展示安全性非常好,容量非常大,循环性非常好的一个全固态电池电池。没有来看没有哪一家企业可以给出这样的样品。

 

卫蓝在固态电池这一块所做的工作。卫蓝技术来源来自于中科院物理所,陈院士在固态电池这一块从1970年开始,目前已经有40多年的积累,陈院士作为创始人在2016年就成立了卫蓝新能源。2017年卫蓝主要做原位固态化的基础,2018、2019年主要功课混合固液的技术,目前来看卫蓝能源在混合固也的产品在明年会有量产。同时,我们也正在做全固态电池的开发。今年完成全固态电池锂电池原器件的开发,同时承担了北京市的课题,预期可以在2021年左右实现全固态电池的样车的搭载。

 

卫蓝总部在亦庄,有两个基地,一个是在溧阳,一个在房山。卫蓝的技术主要基于混合固液的发展理念,在正级以及负级和隔膜引入我们固态电解质,同时通过加入业态的电解质,把业态电解质转化为固态,如果说是部分的转化,这就是半固态,我们叫做混合固液,如果全部转化那实际上就是全固态。

 

卫蓝电池里面的电解液的含量,对于混合固液来说,液体电解质含量是降落了一半的水平,主要的技术是在正级负级隔膜里面,加入了固态电解质,这部分的固态电解质相当于是替换了原有的业态的电解质的一些空间。另外,我们通过加入业态电解质转化为部分的固态,我们把液态电解质这个含量进一步降低。通过液态电解质含量的降低,目前安全性后面也有展示,安全性有大幅度的提升,同时我们能量密度也可以逐步有一些新兴材料可以在我们这个电池里面进行应用。现在电池能量密度也可以实现300瓦时每公斤的水平。两个技术:

 

混合固液,从明年开始就有量产的可能。

 

全固液电池,需要时间更长一些,2021年可能有一个初步样车的搭载,最终实现真正产业化要到2025年左右。

 

这是我们做的混合固液电池的性能。300瓦时每公斤的半固态电池,它的循环寿命目前可以做到一千次以上,因为半固液电池里面含有部分液体,这个高备温相对液态电池不会有大的损失,基本跟现在液态电池差不多。我们开发了高功率以及高能量密度的电池,能量密度到270瓦时每公斤,可以实现7C的放电。

 

最新的全固态电池的进展。我们做的固态电池可以实现室温O.2C充电放,能量密度400WH/Kg,也正在做综合性能的优化。我们开发400瓦时每公斤全固态的电池,要实现装车的搭载,这也是主要是目前在和国创中心合作。循环寿命我们当时定了几百次的循环。

 

这是混合固液安全性验证,300瓦时每公斤的电池样品。当时我们做了一个对比的实验,所有的正级、负级、隔膜包括整个的容量的设计以及能量设计密度一样,只是用到我们这个固态电池的技术之后,电池的安全性是大幅度的提升。我们做了实验,目前在真试的过程中电池没有任何的反应,而且还可以正常的工作。

 

去年和物理所、北汽做的一台样车,当时因为有一个国家的项目要验收。当时300瓦时每公斤半固态的电池样品还不是特别成熟,主要还是在一些综合性能上还不是特别的令人满意,但是去年我们做了一个尝试,把我们的300瓦时每公斤半固态的电池做了一个样车,一个系统的已经集成,整个系统能量密度可以做到接近210瓦时每公斤的水平。相对原车,整车续驶里程也是提高了一倍。

 

对于卫蓝来说,正级未来的发展还是想说我们对未来的预判。

 

对于半固态的电池,我们认为2020年至2022年,这个半固态电池实现量产以及产业化。2023至2025年全固态的电池会逐步实现商业化,可能未来挑战比较大,特别是对于全固态电池这一块,希望可以在这一块做更多的工作,希望跟更多的企业来合作。

 

针对卫蓝的电池的发展,从我们的角度而言,全固态锂电池并不是一个新的技术,1960年代开始全固态电池技术已经被大家所关注了,当时已经有一些全固态电池样品被开发出来了,因为各方面的原因,一个是材料的限制,另外是因为工艺的不成熟,随着业态电池在1990年被开发出来,固态电池的发展可以说经历了一段沉寂期。2019年随着大家对于安全性以及能量密度的关注,重新把固态电池的技术提的出来,实际上是现在的循环,从一开始大家关注全固态,到现在大家又重新回到了这样一个起点。

 

下一代的电池:首先电解质的发展,从液态到混合固液,最后发展到全固态。技术发展,1,固液化是一个趋势。2,含锂负级一个趋势。3,正级,无钴高能量的正级也是一个方向。4,后正级以及创新模组和电池包的设计也是方向。前段时间宁德时代提出无模组框高能量密度的电池系统的设计,其实也是一种创新的设计。

 

针对整个产业链而言,从原材料到电池材料,再到固态电池到电池应用再到回收有很多的环节和我们目前的业态电池还是有比较大的区别。

 

我们希望可以用80%的装备,现有的液态电池的装备再加上可能因为固态电池开发也有一些新的装备要被开发出来,我们认为20%的装备要被替换,希望用20%的现有材料,有80%的一些新的材料能够被应用,再加上我们现有的一些智能化的制造技术,我们认为这个可能是未来固态电池,无论是从工艺还是从材料方向的趋势。去年日本的一个企业集合了很多的家企业,包括整车企业,可以举全国之力在开发固态电池,中国如果单纯靠几个企业做这方面的研究,我们认为还不够。所以我们也是希望在中国有一个固态电池产业研发的集群,无论是从电池材料的突破,还是从设备和工艺的开发,还是整个产业链的,高效的成果转化,还有同行业的电池企业,甚至是我们可以通过与整车企业一起,可以形成一个大的固态电池研发的集群,也是我们的期望。今后如果有这样的机会,包括卫蓝我们也希望加入这样一个大的联盟中。

 

以上内容据峰会现场速记整理,未经嘉宾本人审阅。

 

活动报名

2019年新能源汽车智新峰会
活动地点:
北京裕龙国际酒店
活动时间:
2019-11-05 09:00 ~ 2019-11-06 12:30
报名时间:
2019-06-11 11:36 ~ 2019-11-04 00:00
2019年新能源汽车智新峰会旨在搭建新能源汽车产业发展的交流平台,集聚优势资源,帮助业内人士获取最新的行业情报与资讯,并学习新能源汽车领域前沿技术与创新模式,发现新商机并寻找优秀业务合作伙伴,进一步促进新能源汽车领域的交流与合作。

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