新型固態電池技術 可實現新能源汽車的“未來芯”

在國內，動力電池作為發展電動汽車的核心部件之一，一直是電池領域研究的熱點。在2016年啟動的研發計劃新能源汽車專項中，中國科學院物理研究所清潔能源實驗室研究員李泓負責的“長續航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目，旨在研發高能量密度、鋰電池以提高電動汽車續航里程，項目提出的研究鋰離子電池、半固態鋰硫電池、固態鋰空氣電池三種長續航動力鋰電池，或將成為我國新能源汽車的未來之芯。

挑戰電池能量密度

“提高動力電池電芯能量密度達到400Wh/kg以上，將有利于顯著提高電動汽車的續駛里程。以北汽EV200為例，400Wh/kg電芯，相當于800Wh/L以上體積能量密度。保持現有電池包體積和每噸百公里電耗不變，一次充電不僅可以續航620公里；還可以降低成本、延長使用壽命，解決目前電動汽車與燃油車性能之間的較大差異。”日前，李泓接受科技日報記者采訪時說。

作為新能源汽車動力電池研發整體布局的一個重要環節，該項目的任務是在產業鏈開發400Wh/kg以上能量密度的新型電池，積累高能量密度電池的關鍵基礎科學問題的認識與關鍵技術，并為企業同步開發300Wh/kg電芯提供重要參考依據和指導意見。

“長續航動力鋰電池新材料與新體系研究”研發團隊就是在該項目中承擔挑戰電池能量密度的任務。

量產電芯能量密度300Wh/kg可實現

記者從企業申報的公開研發方案中發現，對于300Wh/kg的鋰離子動力電池路線，有項目團隊選擇了高鎳正極和納米硅碳負極。

“從進展看，量產電芯能量密度達到300Wh/kg的技術指標可以實現。”李泓說。

在近期的新體系電池研究方面，“長續航動力鋰電池新材料與新體系研究”研發團隊采用的富鋰材料為正極，硅碳材料為負極的電芯能量密度達到了348Wh/kg，而以富鋰材料為正極、金屬鋰為負極的電芯比能量達到573Wh/kg；鋰硫電池比能量達到600Wh/kg；一次鋰空電池比能量達到780Wh/kg。

“超過300Wh/kg的高能量密度電池的開發，負極含有金屬鋰是一個重要的共性技術。一些研究團隊提出采用固體電解質或混合固液電解質，來解決使用或含有金屬鋰負極的電池面臨的主要技術挑戰。”李泓說。

中國科學院在2013年11月布局了中國科學院戰略先導A類項目，該項目同時支持了固態電池的開發，其中三個團隊分別在聚合物、硫化物和原位固態化技術方面取得了進展。

技術路線清晰但仍面臨挑戰

“目前開發生產的液態電解質鋰離子電池的軟包電芯中，一般液體電解質重量百分比為15%—25%，負極為碳、硅等。從長遠看，未來需要發展全固態金屬鋰電池，負極含有金屬鋰，電池中不含任何液體。”李泓說。

雖然技術路線較為清晰，但目前面臨很大的挑戰。李泓說，從開發混合固液電解質電池和全固態金屬鋰電池產業來看，需要開發固體電解質和金屬鋰材料，解決界面離子和電子傳輸，以及體積形變、熱穩定性問題。多數制造設備可以通過采用現有鋰離子電池和一次金屬鋰電池產業的制造裝備來實現。

此外，大規模生產金屬鋰電池的干燥房等生產環境控制技術也已經掌握。盡管開發混合固液電解質電池和全固態金屬鋰電池，還面臨很多科學與技術的挑戰，也包括控制成本方面的挑戰。

“只要扎實深入地研究清楚其中的基礎科學問題，提出可行的創造性的綜合解決方案，即便困難重重，也是充滿希望。”李泓說