固态电池规模化制备装备亟待突破——专访中南大学张永柱教授

  2021年3月11-12日，由中国粉体网主办的“第二届高比能固态电池关键材料技术大会”在湖南长沙成功召开。期间，我们邀请到参加会议的专家、学者做客“对话”栏目进行专访。本期为您分享的人物专访是来自中南大学冶金学院、加拿大NRC国立研究院的张永柱教授。

  中国粉体网记者：张教授，首先请您介绍一下目前全球各国固态电池产业的布局情况？中国在固态电池的研发及产业化进程方面处于什么发展水平？

  张教授：固态电池是电池产业的核心，未来突破产品安全性、单位体积内的包含的能量和循环寿命性能方面，有潜力产生质的突破，因此日、韩、美、英等各个国家和全球有名的公司纷纷布局，全力发展固态电池。

  日本申请的专利数量居全球首位，产业化进程方面同样领先于其他几个国家。日本针对全固态电池的研发主线，已经从最初的探索高性能的电解质材料，逐步转移到解决诸如电芯的试制、制造工艺的开发、充放电循环寿命等课题之上。研究重点已确定进入了根据不同的应用，尝试正极材料和负极材料的适当组合，以及尝试实现大规模量产的制造工艺开发的阶段。

  韩国研究固态电池的企业主要有三星SDI、LG和现代汽车等，其中三星、LG和SK创新选择成立联合基金共同开发固态电池。现代没有参加以上的三家联盟，而是选择自主开发、与高校合作和外部投资的方式进入固态电池的产业链。在专利方面，韩国分布相对来说还是比较集中，三星SDI、LG和现代占比50%以上；在技术路径方面均以硫化物电解质为主。

  在能源部（DOE）科学基金的推动下，美国固态电池研究取得了重大进展；众多初创公司，如Quantum Scape、SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials等，这些初创公司以其在固态电池技术的先进性，分别得到了宝马、大众、现代等汽车巨头和多家风投基金的投资，确保了美国进入全球固态电池研究水平的前列。从技术路径来看，初创公司以聚合物电解质和氧化物电解质为主，负极多采用锂金属。

  国内企业不及日美韩等起步早，但随着锂电技术的发展，目前已经有更多的企业参与到了固态电池的研发和产业化过程中来。国内专利布局的企业包括江苏清陶能源、比亚迪、桑顿新能源、赣锋锂业、北京卫蓝、国轩高科、C公司等。此外，如珈伟股份、万向、中电力神、鹏辉能源、横店东磁等也都宣布涉足固态电池领域，但大部分企业仍处于规划布局阶段。

  2020年7月29日，总投资55亿，清陶宣布世界第一款10GWH固态电池在江西省宜春市投入量产。

  据潇湘晨报2020年11月12日报道，由浙江锋锂新能源科技有限公司投建，全球首条0.3GWH混合固液电解质锂电池产线即将在宁波国家高新区试机投产。

  2021年3月合众旗下新能源汽车哪吒U正式上市，天际ME7样车使用了固态电池，并将于2022年投入批量生产。

  目前国外固态电池依然处在研发状态，离产业化生产及商业化应用尚有一定的距离。

  中国粉体网记者：在各种固态电解质材料体系中，您认为哪种的前景最广阔？不一样的材料体系的固态电池量产，面临着哪些难题？

  主要的技术路线年，Bolloré实现聚合物固态电池的装车。Ionic Materials近期较受瞩目，已获得三星SDI、Dyson、万向123等投资。国内如CATL、珈伟股份也取得一定进展。

  为什么有人说马上量产，有人却说需要10-20年？目前市面上宣传的那些量产的“固态电池”，并不是全固态电池，而是一种“混合固液电解质锂电池”系列(半固态电池)。半固态电池，通常是一侧电极采用固态电解质，而另一侧电极仍用液态电解质。尝试半固态电池的，很多是出于快速商业应用的考虑，比如丰田将目标定于研发电车用的全固态电池，但也表示会从 “半固态电池” 开始慢慢地进入市场。而C公司所说的量产需要十年，指的是全固态电池，这是电池的终极目标。关于固态电池的具体量产时间，行业预计2025年半固态电池实现量产，全固态到2030年前后有一定突破。

  一方面现在半固态电池的优势主要在于安全性，单位体积内的包含的能量和快充性能仍需要一些时间来研发突破。另一方面固态电池的上下游供应链尚未完全确定，大多仍沿用原先正负极供应商。同时全固态电池的技术，仍然有很多基础科学问题尚未解决，量产时间会在半固态电池之后的5-15年。

  要解决电池的单位体积内的包含的能量问题，消灭里程焦虑，最后的方案是固态电池。虽然固态电池有很多优点，但是由于成本高、产能低，一直迟迟未得到普及。固态电池的商业化进程可能没大家想的那么快，2019年C公司就表示，正在进行全固态电池的研发工作，也制作出了样品，但是要完全商品化还需要10年时间，也就是说离量产还很远。每一次电池技术变革，都是一次产业大发展的机会。固态电池技术将持续进步，在不久的将来为新能源的发展书写更辉煌的篇章。

  对全固态电池来讲，我们大家都认为整个电池规模化制备装备是亟待突破的，国内在这一块还是有所欠缺的，这一块我相信对很多设备企业是一个机遇。

  总的来说，对于固态电池的研究，目前还是偏学术多一些，在产业化方面，因为一些关键技术涉及到各个企业核心技术而无法获取，导致基于工程化应用方面的技术还要进行进一步探究。

  任何一种电池包括固态电池，不可能一统天下。通过上述分析，产业界通常认为未来二十年，传统液态电池包括半固态电池拥有非常良好发展的产业体系和用户应用市场基础，依然会保持其市场的盟主地位。乘用车以三元材料及磷酸铁锂电池平分秋色为主，大巴及重型卡车朝着氢燃料电池方向发展。锂电池的形状将逐步过渡到以大容量的方型铝壳和软包为主，方便CTP形式的PACK无模组电源。以便减少重量，体积和成本，且大幅度的增加汽车的安全性能，提高单位体积内的包含的能量和续航里程。

  试生产克服了工程及量产化方面的问题，目前处于寻找合作及商业化应用阶段。中南大学校友们也有涉及锂硫电池(李劼，赖延清，陈康华教授)，氧化物固态电池(陈伟东，比亚迪)方面的团队。国内企业在固态电池产业化方面已超越海外公司了。我们十分期待与国内外同行的专家学者和企业一起交流合作，共同推进新能源事业发展。谢谢大家的支持和鼓励。中国粉体网记者：

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