中国电子科技集团肖成伟:全固态电池研发需要产学研协同攻关
3月28日-30日,以“夯实电动化推进智能化实现高质量发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛(2025)在京隆重召开!本届论坛汇聚20+政府有关部门领导、30+院士专家、100+汽车及相关领域的企业代表,共议汽车产业变革新路径。在30日召开的动力电池论坛上,中国电子科技集团第十八研究所研究员肖成伟发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录:
中国电子科技集团第十八研究所研究员 肖成伟
首先谢谢电动汽车百人会的邀请,来参加动力电池论坛的相关活动。尊敬的杨院士、陈院士、孙院士,以及在座的各位业界同仁,大家上午好,我就介绍一下全固态动力电池技术的发展现状和趋势,前面孙院士和几位专家也介绍燃料电池、新体系电池、固态电池、液态电池、AI赋能电池产业相关的技术进展和趋势,我觉得对我们电池的发展、新技术的发展、产业的发展非常有意义。
现在的热点是全固态,大家也看到了很多新闻宣传,有一些技术进步,有一些产品落地的应用推广,包括钠离子电池,作为平抑碳酸锂价格比较好的技术取向,当然,钠离子电池也可以取代一部分锂离子电池的应用市场,取代一部分铅酸电池的市场,钠离子电池有很好的发展前景。
一、新能源汽车及动力电池产业发展现状。
昨天的主论坛和今天上午的几位专家介绍了一下,新能源汽车现在变成了全球技术竞争和产业竞争的焦点,处于技术和产业快速发展的阶段,2024年它的销量在全球突破了1700万辆,渗透率已经达到了20%左右的水平,世界上一些主要汽车强国纷纷发布了相应政策。中国在全球的角度来看,新能源汽车行业实现了引领,连续十年销量处于全球第一,去年销量接近1300万辆,市占率已经达到了40.9%。电池随着新能源汽车的发展也实现了快速发展,当然,电池对于新能源汽车的发展做了非常强力的支撑,也培养出了一些世界级的电池企业,宁德时代、比亚迪,世界销量前十名里有六家是中国的电池企业。
从产能的角度,2030到2035年,中国整个动力电池产业的产能占全球接近70%的份额,从这个角度来说,中国动力电池的技术和产业支撑了全球汽车产业的转型,作出了巨大的贡献。
再看看电池作为它最核心的关键零部件,中国政府一直在持续支持动力电池的技术研发和产业化,这里罗列了国内主要涉及到动力电池的一些产业规划,最主要还是原来的重点研发对动力电池的技术做了很好的支持,也取得了很显著的进展。
这是“十四五”期间支持的重要研究方向:
量产的锂离子电池,包括固液混合和全固态,现在设置的指标是800Wh/L和400Wh/kg。在此基础上我们做了一些技术储备,在新型锂离子电池做了一些实验,设计的技术指标是500Wh/kg,从技术研究的角度也做了相应支持。锂硫、锂空气,包括全固态锂金属二次电池等等,我们设置的能量密度指标是600Wh/kg。从产业化的角度,现在也要加快固态电池技术研发和产业化,实现装车配套和应用。
从动力电池的发展趋势来看,首先是磷酸铁锂,基于它能量密度的不断提升、高安全性、长循环寿命,当然低温性方面现在也在不断改善,它的能量密度现在基本可以做到190Wh/kg,并实现了一些量产,后面有图片会展示它的具体进展。
再就是中镍和高镍的三元电池,刚才侯敏介绍了她们在方形高镍电池的研究进展,江总介绍了大圆柱的进展,还有国轩的一些研究进展,在这些领域,能量密度后面可以调高到320Wh/kg甚至更高的指标。
再往后我们做的是固液混合,再进一步就是做全固态,最后还要在新体系方面(比如锂硫、锂空气)做一些基础研究。是按照这样的研发和产业化节奏进行相应的技术开发和研究布局。
封装的角度,有方形的、软包的、圆柱的,目前还是方形为主,圆柱的现在做的也不少,软包的少一些。
再看具体的技术进展,液态,首先是大圆柱电池,现在基本可以做到280Wh/kg的水平,刚才亿纬锂能说已经给宝马实现量产配套了,这是国内一个初创企业开发的4695、46120的产品具体技术指标,今年大概会做到310Wh/kg的大圆柱电池,有比较好的快充性能。
软包角度还是高镍正极、石墨和硅的复合负极,可以做到300Wh/kg的体系,这是宁德时代做的,给零跑汽车配了2000辆车的产品。
前面提了大方形可以做三元高镍的,同时在磷酸铁锂上也取得了非常大的进展,刀片电池,无论是长刀还是短刀,比亚迪可以做到190Wh/kg,国轩做的300和600长度可以做到190和200Wh/kg的水平,后面通过技术优化和材料升级,这个指标还会进一步提升。
从系统结构的角度,CTB的结构是比亚迪后面要讲的内容,通过极简设计,尤其是和车身做有机结合,把空间利用率做了极大的提升,同时也实现了轻量化,系统能量密度可以做到156Wh/kg,体积密度可以做到接近300Wh/L,同时把大圆柱电池可以做到CTC的结构,也有比较好的快充性能。
同时还有CTP的封装形式,宁德时代的麒麟电池,做到250Wh/kg,这还是一个非常有挑战性的指标,在一些车型里比这个容量稍微低的麒麟电池系统也做了很好的应用。
为什么我们要做全固态?在高比能的情况下提高安全性能,从这个角度讲,液态基础上全固态电池是全球竞争的热点,世界主要发达国家,包括日本、欧盟、美国、韩国纷纷发布了国家级规划支持固态电池的研发,包括我们的固液混合和全固态,在全球也形成了研发热点,很多高校、研究机构和企业纷纷布局固态电池的研发,像我们的全固态、固液混合,从材料体系来看,尤其从电解质的角度分类,有氧化物、硫化物、卤化物和聚合物,现在卤化物研究的热一些。
从全球来看,大家根据自己的技术特长聚焦氧化物、硫化物、聚合物和半固态技术的研发。
前面说了我们为什么要做固态电池,在高比能的情况下提高、改善它的安全性,首先我们可以实现量产的就是固液混合电池,可以兼容现在液态电池的工艺装备,全固态电池可以部分兼顾液态电池的生产工艺和装备,当然还有一些新装备我们要做进一步的技术开发。
在这里举两家典型的国内企业做的固液混合电池的情况,一个是北京卫蓝新能源,做了110Ah的电池,能量密度360Wh/kg,循环大概在800到1000次的水平,配套ET7的一款车型,它在外面讲它做了原位聚合的工艺方案,通过小分子、通过加热的形式做了聚合,再加上电解质盐来填充活性物质里的孔隙,在高比能的情况下实现了比较好的安全性。
再就是清陶新能源,现在配了具体车型,可以跑到1000公里,电池的能量密度大概370Wh/kg的水平,116Ah的容量。它采用的也是固液混合,正极表面做了一层固态电解质的包覆,卫蓝也是这样的技术方案。它是在正极表面涂覆或转印了一层电解质层,同时在隔膜表面涂上了固态电解质层,并没有通过原位聚合或原位固化的方案,这两个都实现了液态电解质大幅度的降低用量,我个人看法是基本会实现50%电解液用量的降低。
后面是全固态电池,这是我们做的一个科技评论,对全固态电池相应技术路线、现在需突破的关键科学技术问题、和液态不一样的工艺装备等方面的研讨内容,对国家规划的制定起了很好的支撑作用。
从材料体系来看还是以硫化物和聚合物复合做主要区分,正极材料是高镍、超高镍和富锂锰基,负极是硅基,锂合金负极或无锂负极,最主要要解决的还是界面问题和离子传输的机理问题。
从安全性角度有没有问题?现在来看,安全性有了很大提升,但电池热失控的问题还是存在,并不是完全没有安全问题的电池,它的热失控温度相比液态会提升30-50度,在高比能情况下对电池安全性提升会有很大的保障。
在使用过程里要加一个比较大的约束力,现在基本会加30-50个大气压,这对应用还是有很大影响的,我们要做一些技术提升和应用,尽可能降低它的约束力,现在我们设置的目标基本要做到10个大气压以内,比较理想的是3-5个大气压的水平。在里面对一些新的装备、效率提升还要做技术研发。
可以看一下,我们设置的技术参数单元,2025年推出全固态样车。2027年希望实现百辆到千辆级的示范,2030年实现全固态电池小规模量产和整车应用,2035年实现全固态电池大规模量产,是这样一个目标设置。
能量密度,单一体系2027年要做到400Wh/kg,2030年是500Wh/kg,希望2035年做到700Wh/kg,循环生命超过1000次,做到2C的充电倍率,现在成本还是比较大的挑战。
丰田现在除了液态,它在磷酸铁锂也要做一些低成本的产品在车上应用,再就是做三元电池,当然现在它也在做全固态硫化物的体系,原来它说2027、2028年投入实际应用,现在看来还是存在一些技术难题需要攻克,现在延期到2030年要投入应用。
再就是三星,也是硫化物的体系,高镍和无锂负极,用的硫化物,900Wh/L的目标,2027年要实现SOP。现在来看,三星也把全固态电池作为改变现在竞争状态的重要技术方向,现在在加大投入,对它来说重点能量密度要做到450Wh/kg的水平,这个技术指标还是非常有挑战性的。
在聚合物的角度来说,法国的Bollore子公司现在已经在一些车型上实现了千辆级的应用,正极用磷酸铁锂,负极用金属锂,因为用聚合物,电压窗口还是受限的,现在通过技术创新,单体密度可以做到250Wh/kg的水平,对金属锂的应用也做了比较好的探索和技术积累。
国内的比亚迪以硫化物为主做技术开发,采用高镍的三元正极,硅碳的负极,采用干法工艺路线,研发的电池能量密度可以做到400Wh/kg的水平,20Ah和60Ah样品实现了下线,经过测试之后也体现了比较好的性能。
上汽清陶做的是聚合物复合电解质体系,正极用的是高电压的锰基正极,负极是用含锂复合负极,中间电解质层用的是聚合物复合的体系,里面也用上了卤化物的电解质,采用干法电极的生产工艺开发出了30Ah的全固态电池,进行了相应测试,目前来看指标体现的还不错,进展也比较顺利。
还有钠离子电池,从正极角度分有层状氧化物、聚阴离子、普鲁士蓝的,现在产业化热点是两个方向,一个是层状氧化物,一个是聚阴离子,从安全寿命、能量密度和成本的角度对钠离子电池发展有比较大的影响,钠离子发展最主要两个方向,一个是跟磷酸铁锂竞争,一个是跟铅酸PK,这两个方向都在做相应的技术开发和产品推广。
从目前的角度来看,我们在车的领域还是用在启停领域,再就是用在微型纯电动车,前两天中科海钠发布了它的钠离子产品,用在商用车领域。这是一家企业开发的用在启停电池里100Ah的钠离子电池,低温性能和倍率性能表现非常优异,也满足了整个工况条件下大概4万次循环指标的要求,同时安全性表现优异。
还有前面提到中科海钠开发的210Ah,用在商用车领域,低温性能,2C的循环,表现也不错,能量密度可以做到165Wh/kg,整个系统集成完之后可以做到135Wh/kg,能比较好地满足商用车领域应用的要求。
同时它也在做钠离子电池固态化的工作,从高面容量的正极,耐高压的固态电解质、长寿命软包电池方面也做了很多工作,它开发了一个无机玻璃态的电解质,具有聚合物的粘弹性,也发了很好的文章,下一步我们希望从固态化的角度做一些工作,比如用复合的固态电解质,用钠合金负极或无钠的负极匹配氧化物的正极,能量密度可以做到250Wh/kg以上,也有比较好的循环,可以做到5000次以上。和铅酸PK,能量密度大概可以实现120、130Wh/kg,可以和铅酸实现比较好的竞争,下沉到铅酸的应用领域,这也是比较好的方向。
现在我们正在做路线图的工作,这里面固态电池是非常重要的一个内容,这是我们初步拟的路线图,包括固液混合和全固态电池,全固态电池大概分四类:硫化物的,聚合物复合和新体系的,这三类会归类到能量型全固态电池里,昨天主论坛上欧阳院士讲了要做一个功率型的,高倍率的全固态电池,我们设置的能量型指标是从500、600到700Wh/kg,2030、2035、2040年,是这样的时间段,大家有好的意见和建议也可以反馈回来做相应的指标和研究内容的完善。
最后说一说全固态还有一个判定方法,大家都在讲全固态电池,到底什么是全固态电池?我们提出了这样一个判定方法:
首先我们会做成一个汽车工程学会的团标,后面也会上升到国标,在真空情况下对它进行120℃下加热6小时,失重率在1%以内的,我们认为它是全固态电池。当然现在我了解的信息,现在失重率,无论做硫化物还是聚合物复合现在都低于1%,甚至到千分之几的水平,我想在国家的支持下,这对整个技术提升,还是有了非常快速的发展。
最后一点建议,全固态电池现在是研发和工程化的热点,不同的人有不同的观点,不同的技术路线在里面做相应的研发,从整个产业的角度来看,要支持联合创新的尝试,我想不是一家企业或一个研发机构单打独斗能完成的。
再有,我们要支持一些原始创新的研究,中国在液态角度已经实现了全球领先,在新技术的角度我们现在处于前无古人的形势下,我们要做一些原始创新的研究,这也是至关重要的。
当然,从工程化的角度我们要做关键技术的突破,实现产品的落地,实现在车上的应用和验证,在这个基础上我们对它的技术做进一步优化。还是希望能够在2027、2028年时实现小批量的应用,为后面大规模的应用打下很好的基础。
当然,全固态电池现在要真正用起来还有很多关键技术问题和工程问题要解决,从成本角度还要跟液态直接竞争,很多技术问题和工程化的问题需要在座各位一起解决,共同推动全固态电池的技术进步。
我就给大家汇报这么多,谢谢大家。
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