未来电池产业瞄准全固态电池

本文转自：科技日报

能量密度高、寿命长、更新换代成本低

未来电池产业瞄准全固态电池

视觉中国供图

过去10年，液态锂离子电池的能量密度已经提升了2—3倍，目前已经接近理论上限。而全固态电池使用固体电解质替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜，更安全、能量密度更高、循环性能更强，已成为业内公认的下一代动力电池的主要研发方向。

◎陈 科 通讯员 胡 健

近日，以“绿色新动力，世界新动能”为主题的2023世界动力电池大会在四川省宜宾市开幕。本次大会邀请了多位知名院士及专家出席，汇聚了300余位来自行业领军企业及跨国企业的重要嘉宾，聚焦下一代动力电池、全固态电池等行业热点话题，深度剖析动力电池行业势态与发展前景。

中国科学技术协会主席万钢在开幕式致辞中指出，要加大下一代动力电池技术研发的力度，科学判断下一代动力电池技术路线，重视新材料和以全固态电池为代表的新体系电池的基础研究、技术研发，系统解决新体系电池关键材料、系统集成等方面的技术难题，推进产业化应用与示范运行，同时开展市场和技术评估，为下一代动力电池规模化、产业化发展提供先行经验。

那么，什么是下一代动力电池？又为何要推动下一代动力电池研发呢？

动力电池能量密度已接近“天花板”

电池材料直接决定了动力电池的能量密度、安全性和成本，而其中能量密度又是动力电池的关键指标。目前，我国已形成以三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池为主的动力电池发展路线，国内三元锂离子电池能量密度可超过300瓦时/千克，磷酸铁锂离子电池能量密度可超过200瓦时/千克，均达到世界先进水平。

动力电池具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，现已广泛应用于小型电器中。当前，动力电池已在移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等产品中部分代替了传统电池。大容量锂离子电池也已在电动汽车中试用，成为当前电动汽车的主要动力电源之一，并将在航空航天、储能等领域得到应用。

然而，随着动力电池技术的不断革新，传统材料很难满足电池降本增效、提高能量密度等需求，例如目前的磷酸铁锂离子电池，能量密度已接近“天花板”，且其比能量仍然相对偏低，低温性能也有待提高。同时，动力电池市场细分化趋势愈发明显，电池产品的差异化水平进一步提高，动力电池技术路线创新也能更好地满足多元化的场景应用需求。因此，下一代动力电池应运而生。

“与锂离子电池相比，下一代动力电池可以降低30%—40%的材料成本。”LG新能源副总裁、下一代电池研究院院长孙权男说，LG新能源正持续投入研发基于液态电解质的锂硫电池和锂金属电池，以攻克当前锂离子电池的能量密度限制。

全固态电池是距离我们最近的下一代动力电池

相关专家表示，过去10年，液态锂离子电池的能量密度已经提升了2—3倍，目前已经接近理论上限。而全固态电池使用固体电解质替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜，更安全、能量密度更高、循环性能更强，已成为业内公认的下一代动力电池的主要研发方向。

全固态电池号称是锂离子电池的“终极形态”，原因在于真正的固态电池相比现在的液态或锂离子电池来说“优势太大”。

首先，全固态电池使用固态电解质替代传统液态电解质，而固态电解质具有较高的离子导电性能，能提供更高的电池能量密度。

其次，与传统液态锂离子电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。传统液态锂离子电池中的电解质易燃、易挥发，一旦发生泄漏或短路，可能导致火灾或爆炸。而固态电解质是固体材料，具有较高的热稳定性和抗燃性，能够有效降低电池泄漏和热失控风险。

再次，全固态电池还具有更长的寿命。因为固态电解质的稳定性可以减缓电池的失活和退化过程，延长电池的使用寿命，并阻止金属锂的电极枝晶生长，减少电极的体积膨胀和损坏，提高电池的循环稳定性。

最后，全固态电池能够成为下一代动力电池主要研发方向的一大重要因素，便是更新换代成本低。锂硫电池、锂空气电池等的技术创新，需要更换整个电池结构框架，实现难度较大。

而全固态电池的技术创新主要在于电解液的革新，电池的正极与负极可继续沿用当前材料，实现难度相对较小。“全固态电池是距离我们最近的下一代动力电池”已成为科学界与产业界的共识。

“我们发现，在全球顶级期刊上发表的与全固态电池技术相关的论文正呈指数级增长，可以说当前正处于该项技术商业化的前夕。”中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高说，现在全球已经有无数相关行业人员投入了全固态电池的研发，随着电池技术的不断完善与创新，新材料的探索效率不断提高，有效缩短了研发周期，全固态电池正从概念走向现实。

全固态电池发展面临挑战但前景广阔

当然，下一代动力电池距离实际应用仍有一段很长的路要走。中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大国家工程院院士孙学良表示，当前全固态电池的正极、电解质、负极的物理、化学、力学性质还需改进，材料间兼容性、界面稳定性仍需提升，电池整体的安全管理策略及工程化制备技术尚不成熟，这些都是需要攻克的难关。

相比于结构上的创新，电池材料上的改进更缓慢，是当前全固态电池亟须破解的主要难题。

例如，在全球范围内，日韩企业起步较早，多“押注”硫化物全固态电池路线。然而，硫化物电解质的空气稳定性差，当其暴露于空气中就会产生有毒气体，同时伴随着电解质结构的破坏和电化学性能的衰减，因而硫化物电解质的合成、储存、运输和后处理过程等严重依赖惰性气体或干燥室。此外，欧美等地将目光瞄向了聚合物全固态电池。然而，聚合物电解质在室温条件下离子电导率较低，使得聚合物全固态电池充电需要在高温环境下完成，极大地限制了其商业化应用。

我国多数企业走的是氧化物全固态电池路线。大多数氧化物电解质具有较宽的电化学稳定“窗口”和更好的氧化稳定性，但为了保证刚性氧化物电解质与阴极材料的界面良好接触，往往需要对其进行高温烧结，否则会导致严重的界面化学副反应。此外，有些氧化物电解质还存在锂枝晶生长问题。

尽管下一代动力电池尚存诸多有待解决的技术难题，产业化、规模化应用仍面临一定的挑战，但相关专家依旧看好下一代动力电池的发展前景。他们一致认为，全固态电池的进一步开发是实现电动汽车电池高安全性、长循环寿命、高能量密度目标的必要策略。