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加拿大国家工程院院士张久俊：全固态电池十年内商业化能成功

2023-05-14 15:03:00 来源：懂车帝

作为动力电池未来技术路线中难度较大的一种，宝马、大众、丰田等车企押注多年的全固态电池究竟何时能顺利商业化量产，一直广受业内外关注。

在5月13日于江西新余召开的2023中国（新余）锂电新能源材料科技大会上，加拿大国家工程院院士、加拿大皇家科学院院士张久俊对澎湃新闻记者表示，“未来五年内全球全固态电池的商业化可能会有些难度，但十年内商业化量产没有问题。”

(资料图片)

张久俊院士在会议演讲中，澎湃新闻记者森宁拍摄

在此次大会作的《高能固态锂电池及复合电解质的发现、现状、挑战、展望》报告中，张久俊指出，发展固态电池是提高电池能量密度和改善电池安全性的有效策略。

通常认为，固态锂电池是一种采用固体电极和固体电解质的锂离子电池，不使用有机电解液和塑料类高分子隔膜，电池负极未来可以用锂金属替代石墨和硅作为原材料。

在张久俊看来，目前，传统主流的液态锂离子电池面对着十大挑战，分别包括能量密度、功率密度、安全特性、循环寿命、日历寿命、自放电、快充性能、温度范围、资源环境、成本等。“其中能量密度和安全性是研发最关注的指标，被认为是技术更新换代的标志。”张久俊说。

除了安全性能高、能量密度高（使用锂金属作为负极能量密度能达到500Wh/Kg），固态电池的优点还包括热稳定性好（温度范围更广），结构紧凑，易于组装。

实际上，近年来诸多国际主流车企和电池企业一直不遗余力地支持固态电池研发。今年早些时候，日本汽车制造商日产（Nissan）宣布，日产研发的全固态电池和现在的液体电解液锂离子电池相比，成本会降低50%，能量密度提高1倍，并且可提供比现在电池快3倍的充电速度。日产计划在2025年建立并运行全固态电池试点生产厂，2028年首次应用在汽车上，逐步实现量产。

大众集团投资了固态电池初创公司QuantumScape，并在2021年称，预计固态电池投入使用的时间将在2025年。宝马集团则与初创公司Solid Power公司合作，第一辆采用全固态电池的宝马原型车计划2025年之前推出，2030年之前将实现全固态电池的量产。

就在上个月的上海国际车展上，全球动力电池龙头宁德时代发布了全新一代凝聚态电池，并宣布将于年内量产，用于载人航空和新能源汽车。电池使用了高动力仿生凝聚态电解质，高比能正极，新型负极和电池隔膜，能量密度达到了500WH/kg。在业内看来，宁德时代的凝聚态电池被认为是介于液态电解质和全固态电解质电池之间的一种路线。

而国内的电池企业中，除了宁德时代，赣锋锂业的使用锂金属负极固态电池样品能量密度可达到400Wh/Kg，已经通过了针刺等严苛安全测试。公司正在重庆建设20GWh的全国最大的固态电池基地，生产半固态电池产品，已和多家车企达成合作，将在多款车型上实现装车运营。

此外，国内固态电池的积极参与者还有蔚来汽车、孚能科技、清陶能源、国轩高科、天齐锂业、辉能科技等，目前产品多为含有部分液态电解质的半固态电池，大部分还在实现量产落地装车的进程中。

复合固态电解质材料可成为新方向

在张久俊看来，固态电池的发展趋势，仍然是液态电解质含量逐步下降，最终实现电解质的全固态。

不过，可以看到，受技术和成本的制约，固态电池的量产仍然存在挑战。张久俊指出，固态电池的挑战是离子电导率一般较低，电极/电解质界面接触，部分材料成本相对较高。

其大规模发展要求电解质材料具有高离子导电性、高离子迁移数、宽电化学窗口、机械强度高、热稳定性好，与电极接触良好等性能。

据介绍，目前全球主流的固态电解质材料路线主要有三种，例如，Solid Power、SEE选择的是聚合物固态电解质路线，松下、本田、丰田、三星、宝马、宁德时代选择的是硫化物固态电解质路线，QuantumScape、赣锋锂业、清陶能源、大众、LG新能源选择的是其中氧化物电解质路线。

但张久俊认为，单组分固态电解质的性能参数目前看来各有优劣，很难达到电池性能要求，例如“聚合物固态电解质的缺点是离子电导率低，氧化电压低；氧化物固态电解质的主要缺点是界面接触差；硫化物固态电解质的主要缺点是易氧化，水汽敏感。”张久俊说。

基于此，张久俊提出，使用复合固态电解质将成为解决固态电池缺点的有效解决方案。具体而言，四类主要的复合固态电解质包括了无机填充复合固态电解质、二维层状结构复合固态电解质、三位连续结构复合固态电解质以及开放骨架机构复合固态电解质。

以零维无机颗粒填充复合固态电解质为例，零维颗粒无极材料填充于聚合物中可形成复合固态电解质，相对于单相固态电解质材料，所形成的复合固态电解质的室温离子导电率提高了几十倍到上百倍。

张久俊院士在会议演讲中，澎湃新闻记者森宁拍摄

张久俊告诉澎湃新闻记者，“无机颗粒填充复合固态电解质目前来看可能发展最快，同时成本最低。”

尽管目前业内对于固态电池的商业化前景仍然充满了争议，但张久俊表示出了对固态电池前景的看好。“固态锂电池的进一步开发是实现电动汽车电池安全性高、长循环寿命、高能量密度目标的必要策略。提高能量密度、功率密度、寿命、安全性仍然是固态电池开发的研究重点，而探索低成本的高性能电极、固态电解质材料是关键因素。”张久俊说。

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