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本文来源:先进电池与材料联盟 微信公众号 ID:Tsingsun-Power
陈立泉,著名功能材料学家,中国工程院院士,先进电池与材料产学研技术创新联盟名誉理事长。主要从事锂电池及相关材料研究,在中国最先研制成功锂离子电池,解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题,实现了锂离子电池的产业化。近年来,开展了全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、室温钠离子电池等研究,为开发下一代电池奠定了基础。曾获国家自然科学奖一等奖、中科院科技进步奖特等奖和二等奖,2007年获国际电池材料协会终身成就奖。
记者于ICEnSM2019会议期间对陈院士进行了专访,以下为专访实录
固态电池实际上不是现在新有的概念,在我进入到这个领域的时候,就是固态电池刚起步的时候。1976年,我受科学院的派遣到德国,西德斯图加特马普协会的固体所去进修,当时全所都在做一种材料——氮化锂,分子式是Li3N。当时我是学晶体学专业的,从事晶体生长的工作。全所都要这个晶体,我就感到奇怪,氮化锂有什么用?
当时的同事告诉我,氮化锂的用途很大,它是离子导体,可用来制造开汽车的固体电池。这一句话把我吸引住了,我想既然是这样,我为什么不去学这个?后来经过科学院同意,我就改行到固态电池方向来。
在德国一共度过了一年零八个月,在这期间,有两个人对我进入到固态电池研究领域起了非常大的作用,一位是从斯坦福大学去固体所学术休假的R.Huggins教授,一位是刚在他实验室做完博士后的W.Weppner博士。
所以,1976年我就已经进入到固态电池领域了,在1978年回国后,我立即向科学院以及科技部提交报告,请求国家关注、重视固体电解质材料领域。后来,科学院连续三个五年计划里,固态电池都作为一个重点课题。
在后来实行的863计划,固态电池也在其中。所以就固态电池来说,中国人起步时间并不比国外晚,我们在这方面是有一定基础的。
我认为新能源汽车快速发展有两个问题,一个是续航里程,一个是安全。现在无论是电动汽车还是储能,锂离子电池都存在一个安全问题:液体电解质的可燃性。所以无论储能或电动汽车,想要安全首先要解决液体电解质的可燃问题。
另外从续航的角度来讲,能量密度要提高,才能解决电动汽车的续航里程问题。有人说续航里程长不节能,我认为这句话是片面的。这句话适用于电池能量密度不高的情况。
举一个形象的例子,如果电池的能量密度是100Wh/kg,续航里程为500公里,自然会装的多一些。电池装的多,整车的重量就增加了,重量增加摩擦力就增加,这肯定是不节能的。但如果把能量密度提高,从100Wh/kg提高到300Wh/kg,那同样开500公里,只需要之前1/3的电池就可以了。
但能量密度想要提高,还是有很多问题存在。现有的锂离子电池,只能是正极用高镍的三元材料,负极用硅碳负极,这个做300Wh/kg应该是没问题的,但如果要想进一步再提高,达到500Wh/kg甚至更高的水平,就很吃力了。所以目前来看,现有的锂离子电池面对的挑战还是不小的。
我觉得应该会,固态电池的电解质是固体材料,两个电极正负极都是固体材料,它没有燃烧的问题,也就没有爆炸的问题。
但是不是金属锂做负极就那么安全?百分百的不会出问题,也很难说。因为锂本身是个比较活泼的金属,要解决固态电池的一些问题,还是需要投入时间探索和研究,比如“枝晶生长”的现象。
所谓枝晶就是充放电的时候,充电时部分锂变成离子通过电解质跟正极反应,放电的时候这些锂离子再回去,沉积在金属锂的表面,我们知道沉积理想的状态是均匀平行的。但电池是一个大的表面,如果电场很均匀,沉积自然很均匀,一旦电场不均匀,或热量分布不均,可能造成某些部分凸起来。一旦发生凸起,越向外凸的部分就越容易沉积,这样逐渐循环,生长出来的枝状晶体就是枝晶。
枝晶的产生,有可能把固体电解质穿透。穿透固体电解质,就会跟正极发生短路,这可能也会有安全问题的存在。但由于固态电池没有液体电解质,不会燃烧,也就不会起高温热化学反应。
现在的液体电解质,只要发生短路或其他事故,正负极一碰,温度就会迅速升高。温度升高的话,会发生热化学反应,就会出现很多问题,甚至会产生一些原有系统中没有的问题,可能伴有剧毒。
固体电解质虽然有这方面的好处,但不能说一点问题没有,如何不让固态电池产生枝晶,是目前大家都在研究的事情。
早在2010年,我在北京锂电的论坛说中国锂电如何突围?当时我显示了一个世界市场占有率的曲线的变化情况,日本本来是百分百的的占有率,但一直下滑,到2010年我做报告的时候,日本快要下滑到韩国人的市占率曲线的下面了。韩国人是一直往上升的,当时中国的市场占有率还处于缓慢上升阶段,比日本低不少。所以当时我就提出这个问题,中国锂电如何突围?
当时我很着急,提出看法后,CATL董事长張毓捷先生就来向我咨询。他信心十足的说:锂电突围从CATL开始。恰逢当时我国要实行补贴政策,在我发表完演讲后没多久,中国锂电池开始蓬勃发展,经过了4年时间,中国的动力电池世界市场占有率就已经超过了韩国,处于世界第一,就代表着突围成功。
但现在面临一个问题,新能源汽车正在退补,补贴浪潮褪去后,会不会有可能被韩国、日本再反超,是我们都需要重视的一个问题。退补就等于世界各国站在了同一起跑线,大量的锂电池品牌将进入到我国,无论是韩国、还是日本,都对本土电池企业产生了一定的压力,这也是需要本土企业打起精神来应对的状况。
现在我国锂电池产业,算是并跑状态。从跟跑到并跑,再到领跑,需要经历很长的时间,可能会经历一些曲折。未来我预测,我国的电池企业一定可以成为“领跑者”。
我在五年前,提出一个观点:固态电池要用5年时间实现产业化,也就是2020年实现产业化。
从目前的情况来看,国内成立的固态电池公司有5、6家了。他们也都在往产业化走,应该说还是产业化的初期阶段。我认为在2020年实现产业化的可能性还是非常高的。
我觉得恰恰相反。对于固态电池,我希望不要完全甩掉现在的锂离子电池,最好在锂离子电池的基础上进行改进,这样发展起来会很快,也会很顺畅。而且从目前的形势来看,我们也需要做这方面的工作。
虽然现在看多种电池并举,都有自己的优缺点,但未来一定是固态电池的天下。目前日本、韩国以及欧美国家都在着手发展固态电池,想在未来固态电池市场中占据主导地位,形势刻不容缓。
1991年的时候,SONY宣布锂离子电池产业化,这在当时震动相当大,因为当时它的锂离子电池各方面性能都不错,这样国内肯定是要跟跑的。
当时我有机会去参观SONY,看到了它整个生产线,相当震撼。当时的SNOY生产线自动化程度就非常高,18650圆柱形电池的检测基本实现了自动化,哪个部分没焊好,都能一目了然。分检也相当严格。做极片的生产线,大概只有一两个人,而我们的工厂当时一条生产线是有很多人的。
虽然当初固态电池已经有了成品——大小在100cm2左右,但毕竟难以达到产业化目标,如果当时不投入到锂离子电池中,我国将在很长一段时间受到国外掣肘。而且SONY宣布产业化后,大家也都感兴趣,所以当时国内大部分都转到锂离子电池去了,固态电池基本上就停摆了一段时间。
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