李泓：動力電池技術發展展望及固態電池研發實例介紹
2017年5月16日-18日，由中國汽車技術研究中心(以下簡稱中汽中心)主辦，中汽中心汽車試驗研究所、汽車技術情報研究所、千人計劃(常州)新能源汽車研究院聯合承辦，常州市經濟與信息化委員會、鐘樓區人民政府、常州市汽車行業協會合作協辦的“2017年第五屆國際電動汽車及關鍵部件測評研討會”在江蘇常州成功召開。客車網作為大會重要合作媒體，全程報道大會各項內容。
以下為中國科學院物理研究所研究員李泓大會演講部分實錄：
本次報告主要分為三個部分，首先對現有電池技術進行分析;然后是固態電池的研發實例，最后是動力電池的技術發展展望。
目前，液態電解質鋰離子電池已經進入第三代。正極材料的電壓和容量不斷提高，負極逐漸轉向高容量硅基負極材料，電解液進一步功能化、高安全和高電壓化，陶瓷隔膜還在不斷發展中。在2016年國家新能源汽車重點專項中，企業申報的公開的研發方案可以看出，對于300 Wh/kg的鋰離子動力電池路線，選擇了高鎳正極和納米硅碳負極。從最近的進展看，電芯能量密度的實現沒有問題，關鍵是如何在此基礎上，兼顧電池安全性、循環性、倍率特性，滿足電動汽車實際要求。
對比中國政府在動力電池電芯方面的研發目標以及日本和美國的發展目標來看，2020年實現300Wh/kg的動力電池的制造技術,同時400-500Wh/kg的原型電池技術獲得驗證。高能量密度電池的開發，負極很有可能用到金屬鋰負極。在液態電解質中，金屬鋰負極面臨的自發化學副反應、鋰枝晶生長、不穩定的界面膜、體積變化較大等問題，依然難以同時解決。較多的研究團隊提出采用固體電解質全部或部分替代液態電解質，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。
日本NEDO早在2008年就制定了研發計劃，計劃在2030年實現固態電池的量產，包括固態金屬鋰、固態鋰硫和固態鋰空氣電池。固態電池從電解質形態上分成三類，一個是純聚合物，比如聚環氧乙烷;一個是無機固體電解質的氧化物或者硫化物;第三個是把聚合物和無機物復合在一起。這三種固體電解質最難解決的問題在于：在鋰離子電池或者是將來的金屬鋰電池中，正極反復體積膨脹收縮后，與固體電解質相的接觸會逐漸變差。對于固態電池來說，就是在循環過程中如何一直保持較低的電子和離子阻抗。如果沒有更好的辦法，這三類電解質中也可以添加少量液體來解決循環過程中電接觸惡化的問題，這一類電解質可以稱為混合固液電解質，也就是說電芯中同時含有固體電解質和液體電解質。
在固體電解質材料方面，國際上已經開發了很多類，主要包括氧化物、硫化物、氫化物、鹵素、磷酸鹽薄膜和聚合物。現在主流的電解質材料有三種，首先是氧化物固體電解質，采用無機陶瓷電解質來替代液體電解質，主要是解決正極側的填充接觸問題，可能需要非常復雜的表面包覆技術。對于硫化物電解質，其離子電導率非常高，也需要解決正極側電阻變大的問題，同時解決制備、儲存、服役過程中化學穩定性差和產生硫化氫的問題。對于薄膜電解質，離子電導率雖然很低，但是通過薄膜化降低面電阻，也可以制備使用器件。但是做成大面積疊層的大容量電池還是很有挑戰。
目前，已經實現商業化的大容量固態電池主要還是聚合物固態電池，就是聚環氧乙烷基固態電解質，加拿大魁北克水電研究所報道的數據顯示，可以使用46微米厚的金屬鋰，30微米厚聚合物電解質以及30微米厚的磷酸鐵鋰正極，1/3C下循環一千多次，工作溫度在60到85度，電池包需要有加熱保溫功能。
中國科學院在2013年11月布局了一個戰略先導項目，希望能基于納米技術，研究開發一些能夠實際應用的先進材料和電池技術，目標是300 Wh/kg，明年6月份所有的材料要進入到量產的階段。
在固態電池開發方面，5個團隊取得了進展。化學所的郭玉國團隊開發了聚(醚-丙烯酸酯)的聚合物固體電解質，耐受氧化電壓是4.5伏。
寧波材料所的許曉雄團隊，開發了氧化物、硫化物固體電解質材料、陶瓷片、全固態電池。還開發了能在室溫循環，也能在80oC循環，能量密度在240-280Wh/kg的8-10Ah的混合固液鋰離子電池，該電芯通過了汽研中心的第三方安全性測試。
基于剛柔并濟的設計思想，青島生物能源所的崔光磊團隊開發了聚丙烯碳酸酯、纖維素、鋰鑭鋯氧復合的固體電解質，研發的電池能量密度達到了300Wh/kg,并首次在馬里亞納海溝完成了深海測試。
上海硅酸鹽研究所的郭向欣團隊，開發了聚環氧乙烷、鋰鑭鋯氧復合的固體電解質，并研制了2Ah級的固態鋰離子電池。
中國科學院物理研究所提出并驗證了原位固態化的設想，研制的10Ah軟包電芯能量密度達到310-390Wh/kg，體積能量密度達到了800-890Wh/L，該電池可以在室溫和90oC循環。
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20-25%，負極為碳、硅等。從長遠看，未來需要發展全固態金屬鋰電池，負極全部為鋰，但面臨很大的挑戰。在未來短期和中期，介于全固態和液態電解質鋰離子電池之間的技術，如混合固液電解質電池，可能會在提升能量密度的同時，兼顧安全性、倍率特性、循環性，首先實現商業化。
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，需要重點開發固體電解質和金屬鋰材料，解決界面離子和電子傳輸，以及體積形變問題，多數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，但這些方向同樣充滿了希望，歡迎各方有機會來合作，共同推動先進電池技術的發展，謝謝大家! （以上內容，已由客車網特別約請演講者本人審核確認）
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