梁成都：全固態(tài)鋰電池的挑戰(zhàn)與發(fā)展
圖為ATL梁成都博士
梁成都：首先感謝大會組委會給我這次機(jī)會講一講全固態(tài)電池。全固態(tài)電池是一個長期的一個布局，現(xiàn)在對于這個車用電池的安全方面，前面那位嘉賓已經(jīng)講了很多安全的問題。其實全固態(tài)電池首先從安全的角度來考慮，它可能能給大家?guī)硪恍┫Ｍ苍S在能量密度上有一個更好的提升。
今天也算是拋磚引玉，講一下整個領(lǐng)域的一些準(zhǔn)確，接下來簡單地介紹一下我們公司的一些工作。
全固態(tài)電池目前處在一個研發(fā)早期，研發(fā)的公司也比較多，這個里面不僅僅有大的公司，也有一些初創(chuàng)公司。這是一個新的技術(shù)，無論大公司還是小公司都是在同一水平上，大家都有機(jī)會的，也很有可能小公司會做得很大。
在這個里面我簡單介紹一下全固態(tài)電池，基本上集中在兩個地區(qū)，一個是美洲（北美），另外一塊是東南亞。現(xiàn)在對一些動力電池的研究，東南亞這一塊是最火的。
我們的路線主要是采用硫化物體系，聚合物體系也是另外一個我們關(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，這個聚合物體系已經(jīng)開始裝車了。幾年前就開始了產(chǎn)業(yè)化，這里面雖然有一些問題，但是不是說全固態(tài)沒有任何的基礎(chǔ)、沒有任何理由。等會兒我會提到當(dāng)前他們的局限在什么地方，我們將來在什么方面會有進(jìn)一步的突破。
這是美國的一個初創(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)電池的一個企業(yè)研發(fā)的分布狀態(tài)。
全固態(tài)電池其實它關(guān)鍵的問題是它的傳質(zhì)，由于傳質(zhì)引起的一系列的問題，這個中間包括電子傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo)的一些相關(guān)的問題。這個里面主要強(qiáng)調(diào)的是離子導(dǎo)電。在傳質(zhì)里面離子的傳導(dǎo)是最主要的部分。在電解質(zhì)里面的離子傳導(dǎo)，電極里面的離子傳導(dǎo)、界面上的離子傳導(dǎo)是非常關(guān)鍵的。對于固態(tài)電解質(zhì)當(dāng)前還是主要分為三類，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(xiàn)在對這三類來逐步的展開，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方向主要做的一些公司，或者是一些研究機(jī)構(gòu)。大概有這么幾個，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。這個都是基于聚合物的，聚合物對金屬鋰來說是相對比較穩(wěn)定的，這是一些公司發(fā)布的數(shù)據(jù)，磷酸鐵鋰對PEO的體系。這個也是最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一個領(lǐng)域方向。
對于這個方向，我們公司也進(jìn)行了一些研究，主要是對它的導(dǎo)電性、加工性能各方面進(jìn)行了一些改進(jìn)。
其實真正預(yù)測的話題，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)的壽命的要求不會像傳統(tǒng)的業(yè)態(tài)電池要求的那么長。它的電量大了，所以每充完一次之后它的續(xù)航里程就比較長了。
我們也驗證了，或者證明了，他這個電池安全性能方面確實是有優(yōu)勢的。這個是剪切，折彎，大家常見的聚合物電解質(zhì)在安全方面的一些優(yōu)勢確實是可以體現(xiàn)出來的。
它有很多的缺陷，對于聚合物電池來說，最重要的缺陷是它的離子導(dǎo)電性很低。離子傳導(dǎo)與溫度的關(guān)系很大，溫度升高之后離子傳導(dǎo)就會極具的加速。溫度升高之后，電池性能各方面都體現(xiàn)出來了，所以在這個聚合物的固體電池里面一般都有一個加熱元件，這個加熱元件就可以使它的能量密度降低。在這里面一般都會匹配一個電氣系統(tǒng)，有的是用的超級電源器，有的是配一個普通的傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池。
現(xiàn)在目前來看，它的能量密度在這個電池包的水平上，大概是做到了150瓦時每公斤，和傳統(tǒng)的液態(tài)電池進(jìn)行比較的話，它的優(yōu)勢沒有辦法體現(xiàn)出來，尤其是在能量密度上面。
另外一個非常重要的方面，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(nèi)有一些研究機(jī)構(gòu)在這方面做出了一些開創(chuàng)性的工作。目前來看還是在4伏的范圍下。這個單體電池它確實很難超過300瓦時每公斤的一個設(shè)計。
這個是基于聚合物體系的另外一個局限，大家也在尋求有沒有另外一個很好的體系，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，所以在早期的時候，在上世紀(jì)早期90年代的時候，國家實驗室，這是美國的，Sakti3這個公司做過一些以氧化物或者是磷酸鹽為基礎(chǔ)的全固態(tài)電池。
薄膜電池的循環(huán)性能很好，幾完圈都沒有問題，但是問題是什么？循環(huán)的厚度非常的薄，厚度一增厚之后循環(huán)的厚度就沒有辦法體現(xiàn)出來。從這個角度也可以理解一下金屬鋰的循環(huán)，它本身很大的問題不是說金屬鋰不可以循環(huán)，而是厚度變厚的時候，真正要做成大電池的時候，這個里面存在了一些關(guān)鍵性的問題。
基于氧化物來說，它的問題還很嚴(yán)重，主要是離子導(dǎo)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LLTO、LLGO之類的，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，尤其是做一個實用的電池，在實驗室里面做一個實驗還會好一點(diǎn)，你要真正做生產(chǎn)的時候，這個界面會是一個關(guān)鍵的問題。
氧化物比較硬、比較脆，你如何讓它形成一個正極和固體電解質(zhì)之間形成一個比較好的界面，這個是比較困難的。
假如說你采用薄膜的方式進(jìn)行沉積的話，這個費(fèi)用以及它的效率在工業(yè)上來說，你根本沒有辦法體現(xiàn)出來。在這個方面挑戰(zhàn)的難度很大，尤其是對于大的電池，對于EV這種電池來說，這個需要做更多的工作。
目前來看，單純就氧化物為固體電解質(zhì)做一個全固態(tài)電池的話難度特別大，還處在一個非常早期的階段。
另外一個方面，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(dǎo)演性，據(jù)報導(dǎo)已經(jīng)接近了液體電解質(zhì)，大家也看到了一些測量，在這個里面也有一些爭議，這個里面大家認(rèn)為它的離子導(dǎo)電性還有硫化物本身可能有一些電子導(dǎo)電性等等。但是不管怎么樣，一些基礎(chǔ)模型的數(shù)據(jù)確實也有它的一些優(yōu)勢。
基于這個硫化物體系電池充放電的一些數(shù)據(jù)，也給這個領(lǐng)域帶來了一些希望。我們公司在這個方面也有一些研究，現(xiàn)在在這個方面以后也會有一些深入的投入。
我們在這個里面對它的導(dǎo)電性進(jìn)行一個比較，從某種意義上來說基于硫化物來說，它的優(yōu)勢是在于它的離子導(dǎo)電性比較好。另外一個電化學(xué)窗口比較寬，硫化物本身是正極也好，負(fù)極也好，這兩個方向其實都是不穩(wěn)定的，但是硫化物和正極、負(fù)極之間都可以形成一個SEI，在這樣的基礎(chǔ)上就可以把電化學(xué)窗口拓的很寬，在10伏的基礎(chǔ)上都還可以顯示出一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
大家也可以看到，對于固態(tài)來說，對稱的循環(huán)，這是最能測試這個材料的穩(wěn)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(dǎo)電性不不僅高，而且界面穩(wěn)定性在它形成SEI之后也是比較好的。
硫化物的加工比較簡單，這也是我們選擇這個體系一個很重要的理由。它的挑戰(zhàn)也同樣存在。首先，還是一個界面的問題，雖然它能夠形成一個穩(wěn)定的SEI，如果形成一個穩(wěn)定的SEI，這個里面還有很多基礎(chǔ)研究的工作要做。從正極的角度、從負(fù)極的角度我們都要考慮如何形成一個相對長期穩(wěn)定的。
一個車用電池，至少用5到8年，要實現(xiàn)一個長期穩(wěn)定，目前實驗室的數(shù)據(jù)來說，從整個的體系產(chǎn)生到現(xiàn)在的時間也并不長，所以說實驗室的數(shù)據(jù)還沒有辦法提供一個說我能夠保證你有8個年長期穩(wěn)定的狀態(tài)。
界面上的離子導(dǎo)電性如果進(jìn)行進(jìn)一步的提高，也涉及到一個加工的問題。硫化物體系雖然它的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠進(jìn)行冷軋，其實冷軋過程當(dāng)中還是存在著一些間隙的。這個電池循環(huán)當(dāng)中也涉及到了一個體積的變化，如何讓這個體積變化不影響整個電池的整體，尤其是一些機(jī)械破壞不會發(fā)射。
電池制造過程當(dāng)中，如何采用一個方法使它的整體結(jié)構(gòu)不會被破壞，這是一個非常大的占。
材料本身的穩(wěn)定性，可制造性也是非常大的一個挑戰(zhàn)。
下面我簡單的過一下我們在這方面的一些工作。前面說了一個界面的穩(wěn)定性，我們做過一些包覆，包覆前以及包覆后一個明顯的區(qū)別。
另外一個方面，如何把這個電極材料混合起來？我們在正極里面加了電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體，兩個東西加進(jìn)去之后如何形成一個非常穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，有時候有一個非常巧妙的混合的方式，讓它所有的東西達(dá)到最佳的平衡，也是一個非常重要的方向。
另外一個方面，硫化物的穩(wěn)定性，對這個硫化物進(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(wěn)定性，對于生產(chǎn)來說這是非常重要的，因為生產(chǎn)過程當(dāng)中我們希望它能夠在空氣里面進(jìn)行加工。這是傳統(tǒng)的，這是我們經(jīng)過改進(jìn)之后的，在空氣里面的穩(wěn)定性，或者是2天之內(nèi)，這個符合加工的熱需求。這也是降低成本最重要的一個方面。
最后講一點(diǎn)，大家都很關(guān)注這個事情。全固態(tài)其實很多時候它的問題不在于材料，一些簡單的加工過程，如何把它做成一個電池讓它循環(huán)起來，對于大多數(shù)人來說還是有很大的挑戰(zhàn)的。我們在這些方面也進(jìn)行了一些比較基礎(chǔ)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(dǎo)體，不像傳統(tǒng)的，你是在后面把離子導(dǎo)體加進(jìn)去的，我們是預(yù)先加進(jìn)去的，經(jīng)過一輪預(yù)熱壓，后面再讓如何二次涂布？
我們經(jīng)過二此涂布之后，再進(jìn)行熱壓，全固態(tài)化之后就可以去掉孔隙。這個是一個工程研究的過程，所以很多時候科學(xué)的發(fā)展不是一個科學(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)的問題上面，同時也要放到工程上來考慮。
其實很多時候工程的問題不解決的話，遠(yuǎn)遠(yuǎn)是沒有希望的，工程的問題要解決的話，肯定是在材料研究早期的時候就要開始切入了。
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