梁成都：全固態(tài)鋰電池的挑戰與發(fā)展
圖為ATL梁成都博士
梁成都：首先感謝大會(huì )組委會(huì )給我這次機會(huì )講一講全固態(tài)電池。全固態(tài)電池是一個(gè)長(cháng)期的一個(gè)布局，現在對于這個(gè)車(chē)用電池的安全方面，前面那位嘉賓已經(jīng)講了很多安全的問(wèn)題。其實(shí)全固態(tài)電池首先從安全的角度來(lái)考慮，它可能能給大家帶來(lái)一些希望，也許在能量密度上有一個(gè)更好的提升。
今天也算是拋磚引玉，講一下整個(gè)領(lǐng)域的一些準確，接下來(lái)簡(jiǎn)單地介紹一下我們公司的一些工作。
全固態(tài)電池目前處在一個(gè)研發(fā)早期，研發(fā)的公司也比較多，這個(gè)里面不僅僅有大的公司，也有一些初創(chuàng )公司。這是一個(gè)新的技術(shù)，無(wú)論大公司還是小公司都是在同一水平上，大家都有機會(huì )的，也很有可能小公司會(huì )做得很大。
在這個(gè)里面我簡(jiǎn)單介紹一下全固態(tài)電池，基本上集中在兩個(gè)地區，一個(gè)是美洲（北美），另外一塊是東南亞?，F在對一些動(dòng)力電池的研究，東南亞這一塊是最火的。
我們的路線(xiàn)主要是采用硫化物體系，聚合物體系也是另外一個(gè)我們關(guān)注的點(diǎn)，也是我們研究的重點(diǎn)之一。
此外，你也可以看到一些日韓的企業(yè)，包括臺灣的一些企業(yè)，有三星、LG、索尼等等；都有一些全固態(tài)研究。三星是基于硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。
在歐洲這一系列里面，比較有名的是基于聚合物的體系，法國的企業(yè)Bollore，這個(gè)聚合物體系已經(jīng)開(kāi)始裝車(chē)了。幾年前就開(kāi)始了產(chǎn)業(yè)化，這里面雖然有一些問(wèn)題，但是不是說(shuō)全固態(tài)沒(méi)有任何的基礎、沒(méi)有任何理由。等會(huì )兒我會(huì )提到當前他們的局限在什么地方，我們將來(lái)在什么方面會(huì )有進(jìn)一步的突破。
這是美國的一個(gè)初創(chuàng )企業(yè)，還有基于陶瓷了凝膠電解質(zhì)的。這是全世界關(guān)于全固態(tài)電池的一個(gè)企業(yè)研發(fā)的分布狀態(tài)。
全固態(tài)電池其實(shí)它關(guān)鍵的問(wèn)題是它的傳質(zhì)，由于傳質(zhì)引起的一系列的問(wèn)題，這個(gè)中間包括電子傳導和離子傳導的一些相關(guān)的問(wèn)題。這個(gè)里面主要強調的是離子導電。在傳質(zhì)里面離子的傳導是最主要的部分。在電解質(zhì)里面的離子傳導，電極里面的離子傳導、界面上的離子傳導是非常關(guān)鍵的。對于固態(tài)電解質(zhì)當前還是主要分為三類(lèi)，基于聚合物、氧化物的或者是磷酸鹽的，還有基于硫化物的。
我現在對這三類(lèi)來(lái)逐步的展開(kāi)，講一講我們對它們的一些看法，以及我們在相關(guān)方向的一些工作。
基于聚合物的大家可以看到在這個(gè)方向主要做的一些公司，或者是一些研究機構。大概有這么幾個(gè)，這是法國的，這是美國的，最近東北師大有一些新聞，大家也可以看到。這個(gè)都是基于聚合物的，聚合物對金屬鋰來(lái)說(shuō)是相對比較穩定的，這是一些公司發(fā)布的數據，磷酸鐵鋰對PEO的體系。這個(gè)也是最先實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)領(lǐng)域方向。
對于這個(gè)方向，我們公司也進(jìn)行了一些研究，主要是對它的導電性、加工性能各方面進(jìn)行了一些改進(jìn)。
其實(shí)真正預測的話(huà)題，對于全固態(tài)電池假如能量密度提到了很高的情況下，對于它循環(huán)的壽命的要求不會(huì )像傳統的業(yè)態(tài)電池要求的那么長(cháng)。它的電量大了，所以每充完一次之后它的續航里程就比較長(cháng)了。
我們也驗證了，或者證明了，他這個(gè)電池安全性能方面確實(shí)是有優(yōu)勢的。這個(gè)是剪切，折彎，大家常見(jiàn)的聚合物電解質(zhì)在安全方面的一些優(yōu)勢確實(shí)是可以體現出來(lái)的。
它有很多的缺陷，對于聚合物電池來(lái)說(shuō)，最重要的缺陷是它的離子導電性很低。離子傳導與溫度的關(guān)系很大，溫度升高之后離子傳導就會(huì )極具的加速。溫度升高之后，電池性能各方面都體現出來(lái)了，所以在這個(gè)聚合物的固體電池里面一般都有一個(gè)加熱元件，這個(gè)加熱元件就可以使它的能量密度降低。在這里面一般都會(huì )匹配一個(gè)電氣系統，有的是用的超級電源器，有的是配一個(gè)普通的傳統的液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池。
現在目前來(lái)看，它的能量密度在這個(gè)電池包的水平上，大概是做到了150瓦時(shí)每公斤，和傳統的液態(tài)電池進(jìn)行比較的話(huà)，它的優(yōu)勢沒(méi)有辦法體現出來(lái)，尤其是在能量密度上面。
另外一個(gè)非常重要的方面，就是它的電化學(xué)窗口比較狹小，聚合物容易被氧化。一般都只能用到4伏左右。在這方面有一些研究工作，我很欣喜地看到國內有一些研究機構在這方面做出了一些開(kāi)創(chuàng )性的工作。目前來(lái)看還是在4伏的范圍下。這個(gè)單體電池它確實(shí)很難超過(guò)300瓦時(shí)每公斤的一個(gè)設計。
這個(gè)是基于聚合物體系的另外一個(gè)局限，大家也在尋求有沒(méi)有另外一個(gè)很好的體系，基于氧化物的，或者是磷酸鹽，由于它的電化學(xué)窗口更寬一些，所以在早期的時(shí)候，在上世紀早期90年代的時(shí)候，國家實(shí)驗室，這是美國的，Sakti3這個(gè)公司做過(guò)一些以氧化物或者是磷酸鹽為基礎的全固態(tài)電池。
薄膜電池的循環(huán)性能很好，幾完圈都沒(méi)有問(wèn)題，但是問(wèn)題是什么？循環(huán)的厚度非常的薄，厚度一增厚之后循環(huán)的厚度就沒(méi)有辦法體現出來(lái)。從這個(gè)角度也可以理解一下金屬鋰的循環(huán)，它本身很大的問(wèn)題不是說(shuō)金屬鋰不可以循環(huán)，而是厚度變厚的時(shí)候，真正要做成大電池的時(shí)候，這個(gè)里面存在了一些關(guān)鍵性的問(wèn)題。
基于氧化物來(lái)說(shuō)，它的問(wèn)題還很?chē)乐?，主要是離子導電性比較低。大家可以看到，一系列的固體電解質(zhì)，有的特別低，能接近使用的，像這個(gè)LLTO、LLGO之類(lèi)的，它們最近的一些發(fā)展，也是逐步的在發(fā)展，但是中間還是有一些距離的，尤其是它的界面。
氧化物比較硬，它的界面很難做，尤其是做一個(gè)實(shí)用的電池，在實(shí)驗室里面做一個(gè)實(shí)驗還會(huì )好一點(diǎn)，你要真正做生產(chǎn)的時(shí)候，這個(gè)界面會(huì )是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。
氧化物比較硬、比較脆，你如何讓它形成一個(gè)正極和固體電解質(zhì)之間形成一個(gè)比較好的界面，這個(gè)是比較困難的。
假如說(shuō)你采用薄膜的方式進(jìn)行沉積的話(huà)，這個(gè)費用以及它的效率在工業(yè)上來(lái)說(shuō)，你根本沒(méi)有辦法體現出來(lái)。在這個(gè)方面挑戰的難度很大，尤其是對于大的電池，對于EV這種電池來(lái)說(shuō)，這個(gè)需要做更多的工作。
目前來(lái)看，單純就氧化物為固體電解質(zhì)做一個(gè)全固態(tài)電池的話(huà)難度特別大，還處在一個(gè)非常早期的階段。
另外一個(gè)方面，大家也可以看到，前幾年除了基于硫化物的固態(tài)電解質(zhì)的導演性，據報導已經(jīng)接近了液體電解質(zhì)，大家也看到了一些測量，在這個(gè)里面也有一些爭議，這個(gè)里面大家認為它的離子導電性還有硫化物本身可能有一些電子導電性等等。但是不管怎么樣，一些基礎模型的數據確實(shí)也有它的一些優(yōu)勢。
基于這個(gè)硫化物體系電池充放電的一些數據，也給這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了一些希望。我們公司在這個(gè)方面也有一些研究，現在在這個(gè)方面以后也會(huì )有一些深入的投入。
我們在這個(gè)里面對它的導電性進(jìn)行一個(gè)比較，從某種意義上來(lái)說(shuō)基于硫化物來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)勢是在于它的離子導電性比較好。另外一個(gè)電化學(xué)窗口比較寬，硫化物本身是正極也好，負極也好，這兩個(gè)方向其實(shí)都是不穩定的，但是硫化物和正極、負極之間都可以形成一個(gè)SEI，在這樣的基礎上就可以把電化學(xué)窗口拓的很寬，在10伏的基礎上都還可以顯示出一個(gè)比較穩定的狀態(tài)。
大家也可以看到，對于固態(tài)來(lái)說(shuō)，對稱(chēng)的循環(huán)，這是最能測試這個(gè)材料的穩定性的，我們做了一些對沖電池的循環(huán)，發(fā)信硫化物體系的導電性不不僅高，而且界面穩定性在它形成SEI之后也是比較好的。
硫化物的加工比較簡(jiǎn)單，這也是我們選擇這個(gè)體系一個(gè)很重要的理由。它的挑戰也同樣存在。首先，還是一個(gè)界面的問(wèn)題，雖然它能夠形成一個(gè)穩定的SEI，如果形成一個(gè)穩定的SEI，這個(gè)里面還有很多基礎研究的工作要做。從正極的角度、從負極的角度我們都要考慮如何形成一個(gè)相對長(cháng)期穩定的。
一個(gè)車(chē)用電池，至少用5到8年，要實(shí)現一個(gè)長(cháng)期穩定，目前實(shí)驗室的數據來(lái)說(shuō)，從整個(gè)的體系產(chǎn)生到現在的時(shí)間也并不長(cháng)，所以說(shuō)實(shí)驗室的數據還沒(méi)有辦法提供一個(gè)說(shuō)我能夠保證你有8個(gè)年長(cháng)期穩定的狀態(tài)。
界面上的離子導電性如果進(jìn)行進(jìn)一步的提高，也涉及到一個(gè)加工的問(wèn)題。硫化物體系雖然它的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠進(jìn)行冷軋，其實(shí)冷軋過(guò)程當中還是存在著(zhù)一些間隙的。這個(gè)電池循環(huán)當中也涉及到了一個(gè)體積的變化，如何讓這個(gè)體積變化不影響整個(gè)電池的整體，尤其是一些機械破壞不會(huì )發(fā)射。
電池制造過(guò)程當中，如何采用一個(gè)方法使它的整體結構不會(huì )被破壞，這是一個(gè)非常大的占。
材料本身的穩定性，可制造性也是非常大的一個(gè)挑戰。
下面我簡(jiǎn)單的過(guò)一下我們在這方面的一些工作。前面說(shuō)了一個(gè)界面的穩定性，我們做過(guò)一些包覆，包覆前以及包覆后一個(gè)明顯的區別。
另外一個(gè)方面，如何把這個(gè)電極材料混合起來(lái)？我們在正極里面加了電子導體和離子導體，兩個(gè)東西加進(jìn)去之后如何形成一個(gè)非常穩定的網(wǎng)絡(luò )，有時(shí)候有一個(gè)非常巧妙的混合的方式，讓它所有的東西達到最佳的平衡，也是一個(gè)非常重要的方向。
另外一個(gè)方面，硫化物的穩定性，對這個(gè)硫化物進(jìn)行參雜，或者是進(jìn)行改進(jìn)之后，提高它在空氣里面的穩定性，對于生產(chǎn)來(lái)說(shuō)這是非常重要的，因為生產(chǎn)過(guò)程當中我們希望它能夠在空氣里面進(jìn)行加工。這是傳統的，這是我們經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后的，在空氣里面的穩定性，或者是2天之內，這個(gè)符合加工的熱需求。這也是降低成本最重要的一個(gè)方面。
最后講一點(diǎn)，大家都很關(guān)注這個(gè)事情。全固態(tài)其實(shí)很多時(shí)候它的問(wèn)題不在于材料，一些簡(jiǎn)單的加工過(guò)程，如何把它做成一個(gè)電池讓它循環(huán)起來(lái)，對于大多數人來(lái)說(shuō)還是有很大的挑戰的。我們在這些方面也進(jìn)行了一些比較基礎的研究，從如何進(jìn)行正極材料的涂布，這里面也要加入固體導體，不像傳統的，你是在后面把離子導體加進(jìn)去的，我們是預先加進(jìn)去的，經(jīng)過(guò)一輪預熱壓，后面再讓如何二次涂布？
我們經(jīng)過(guò)二此涂布之后，再進(jìn)行熱壓，全固態(tài)化之后就可以去掉孔隙。這個(gè)是一個(gè)工程研究的過(guò)程，所以很多時(shí)候科學(xué)的發(fā)展不是一個(gè)科學(xué)材料的產(chǎn)生，很多工程手段也要提升上去，我也希望大家除了把眼光放在科學(xué)的問(wèn)題上面，同時(shí)也要放到工程上來(lái)考慮。
其實(shí)很多時(shí)候工程的問(wèn)題不解決的話(huà)，遠遠是沒(méi)有希望的，工程的問(wèn)題要解決的話(huà)，肯定是在材料研究早期的時(shí)候就要開(kāi)始切入了。
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