“真正大規(guī)模研發(fā)全固態(tài)電池，是在去年大半年。到目前為止，才干了半年。前面要打基礎(chǔ)，因此今年我們的主題是全固態(tài)電池材料創(chuàng)新與研發(fā)平臺(tái)升級(jí)。到明年，我相信主題可能就是單體電池?！?/p>

2月中，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在中國(guó)全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇中說到。

一開場(chǎng)，歐陽(yáng)明高就指出，要在今年打好基礎(chǔ)，產(chǎn)學(xué)研應(yīng)協(xié)同起來，構(gòu)建中國(guó)全固態(tài)電池技術(shù)平臺(tái)，上下游企業(yè)互通有無，明確總體思路，選對(duì)技術(shù)路線，材料創(chuàng)新突破共性基礎(chǔ)技術(shù)。

“從全局看，重點(diǎn)要防范的是全固態(tài)電池技術(shù)路線帶來的顛覆性風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

不僅是國(guó)內(nèi)在全力以赴研發(fā)全固態(tài)電池，日韓同樣如此。

01.選對(duì)路線，很重要

“全固態(tài)電池技術(shù)路線的研判，就是明確總體思路，這很重要。戰(zhàn)略錯(cuò)，就全錯(cuò)?！?/span>

“為什么中國(guó)新能源汽車能有今天？技術(shù)路線選對(duì)了。為什么電池產(chǎn)業(yè)能有今天？也是當(dāng)年鎳氫和鋰電池之爭(zhēng)，最后選擇了鋰離子?！?nbsp;

圖片來源：歐陽(yáng)明高在中國(guó)全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇中的演講（下同）

歐陽(yáng)明高認(rèn)為，如今全固態(tài)電池技術(shù)路線的研判，頗類似當(dāng)年鎳氫電池與鋰電池之爭(zhēng)，以及油電混合與純電驅(qū)動(dòng)之爭(zhēng)。

在歐陽(yáng)明高看來，目前，相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)以半固態(tài)(固/液混合)為特色，對(duì)全固態(tài)認(rèn)知不一，投入不夠。

比如日本2020年全固態(tài)電池技術(shù)路線，聚焦全固態(tài)電池，固態(tài)電解質(zhì)硫化物為主、正極材料三元為主、體積比能量為標(biāo)志性目標(biāo)。第一代硫化物系，負(fù)極采用硅系或者石墨系。對(duì)于下一代，他們認(rèn)為是先進(jìn)硫化物系和氧化物系，其中氧化物系是突破了離子電導(dǎo)率后的氧化物。日本路線圖制定者認(rèn)為，只有有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)才有可能解決安全問題。

這是日本的邏輯，不一定對(duì)，但可以參考。

再看國(guó)內(nèi)。

過去幾年來，對(duì)于轎車用全固態(tài)電池技術(shù)路線，電池公司越來越多地聚焦到硫化物，超過氧化物系和聚合物系的總和。我們看到，硫化物體系包含寧德時(shí)代、比亞迪、中創(chuàng)新航、孚能科技、蜂巢能源等電池廠，以及一汽、長(zhǎng)安、廣汽等主機(jī)廠。

正負(fù)極材料又該怎么選呢？

我們繼續(xù)用數(shù)據(jù)說話，高鎳三元層狀氧化物與石墨配合后的重量比能量很難做到300wh/kg，即使是做固態(tài)，比如豐田的固態(tài)電池重量比能量就是200~300wh/kg。

如果能量密度要做到400wh/kg，負(fù)極就得用硅，正極繼續(xù)用高鎳三元。這時(shí)固態(tài)電池不僅能做到磷酸鐵鋰的安全水平，而且重量比能量相比現(xiàn)在的磷酸鐵鋰電池高一倍以上，體積比能量是三倍多。這對(duì)轎車意義太大了。

到500wh/kg，就需要鋰金屬負(fù)極，而正極則隨著能量密度的提升，將從高鎳三元層狀氧化物進(jìn)化為氧化物、硫化物、氟化物、富鋰錳基等等。要過600wh/kg，那就得是硫正極。

這其中的核心轉(zhuǎn)折點(diǎn)在哪里呢？

歐陽(yáng)明高解釋道，500wh/kg以內(nèi)相對(duì)來說是我們可以攻克的，而以上電化學(xué)類型就發(fā)生變化，從插層化學(xué)變?yōu)榱宿D(zhuǎn)化化學(xué)，難度極其高。

對(duì)于負(fù)極來說，可分為三類：石墨/低硅、高硅硅碳、鋰金屬。2030年前硅碳是重點(diǎn)，可以把比能量提升到硅混合也達(dá)不到的程度。

投入產(chǎn)出比看，硅碳負(fù)極是把電池能量密度提升到 400wh/kg是最合適的材料。在之前，隨著硅碳克容量的增加，比能量幾乎呈線性增長(zhǎng)；但是400wh/kg以上，克容量增加了很多，而比能量增長(zhǎng)的很少，投入產(chǎn)出比不合算。

第三種，鋰金屬，面臨的挑戰(zhàn)是體積膨脹，枝晶生長(zhǎng)。安全性方面，鋰金屬的熔點(diǎn)是180℃，而電池?zé)崾Э氐淖罡邷囟纫驳贸^1000℃，安全問題很難控制。

該材料的發(fā)展方向就是要金屬鋰體相復(fù)合與界面設(shè)計(jì)。人工智能AI for science，將在材料創(chuàng)新中發(fā)揮巨大作用。

歐陽(yáng)明高表示，經(jīng)過這些分析，去年6月份他提出了三代以硫化物為主體電解質(zhì)的轎車全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間預(yù)測(cè)。

2025~2027年，第一代，石墨/低硅負(fù)極硫化物全固態(tài)電池，以200~300Wh/kg為目標(biāo)，攻克化物固態(tài)電解質(zhì)，打通全固態(tài)電池的技術(shù)鏈，三元正極和石墨/低硅負(fù)極基本不變，向長(zhǎng)壽命大倍率方向發(fā)展。

2027~2030年，第二代，高硅負(fù)極硫化物全固態(tài)電池，以400Wh/kg和800Wh/L為目標(biāo)，重點(diǎn)攻關(guān)高容量硅碳負(fù)極，三元正極和硫化物固態(tài)電解質(zhì)仍為主流材料體系，面向下一代乘用車電池。

第二代，是當(dāng)前主攻目標(biāo)，材料體系先行。

2030~2035年，第三代，鋰負(fù)極硫化物全固態(tài)電池，以500Wh/kq和1000Wh/為目標(biāo)，重點(diǎn)攻關(guān)鋰負(fù)極，逐步向復(fù)合電解質(zhì)(主體電解質(zhì)+補(bǔ)充電解質(zhì))、高電壓高比容量正極發(fā)展(高鎳、富鋰、硫等)。

對(duì)于第三代，我們現(xiàn)在還處于論文階段，在證偽，而非求真。

歐陽(yáng)明高說到，在6月份以后，國(guó)內(nèi)技術(shù)路線聚焦三元/硫化物/硅碳，目標(biāo)清晰，向著400Wh/kg前行，產(chǎn)業(yè)化時(shí)間明確，定于2027年左右。

在眾志成城之下，硫化物固態(tài)電解質(zhì)已經(jīng)建立了小批量供應(yīng)能力，接下來需要重點(diǎn)攻克大規(guī)模生產(chǎn)工藝。

02.帶頭公開數(shù)據(jù)

“雖然我是全固態(tài)電池平臺(tái)的理事長(zhǎng)，但是大家的數(shù)據(jù)不會(huì)給我的，所以我還只能講我團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)。我來帶頭公開我們的數(shù)據(jù)，希望大家也能公開，至少在我們平臺(tái)內(nèi)部可以公開?！?/span>

歐陽(yáng)明高再次呼吁數(shù)據(jù)的開放和互通。

首先，固態(tài)電解質(zhì)，清華大學(xué)-四川新能源汽車創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)研發(fā)硫化物固態(tài)電解質(zhì)，取得系列進(jìn)展系列硫化物固態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)品：基礎(chǔ)型離子電導(dǎo)率>11 mS/cm；小粒徑型材料D50<500>4.5 mS/cm；分別針對(duì)正負(fù)極材料進(jìn)行界面優(yōu)化，顯著提升復(fù)合電極循環(huán)穩(wěn)定性。 

也就是，第一代追求離子導(dǎo)率9-18 mS/cm；第二代構(gòu)建復(fù)合電極離子通路，降低膜厚: 200-900nm；第三代提升可加工性，干房可加工，更軟；第四代提高循環(huán)穩(wěn)定性，那就是界面包覆緩解副反應(yīng)。

還有超薄的電解質(zhì)膜，可實(shí)現(xiàn)20 μm電解質(zhì)膜的連續(xù)化制備。他們認(rèn)為現(xiàn)在20μm對(duì)于產(chǎn)業(yè)化是可以做到的，轉(zhuǎn)印前后均具有良好的柔韌性和加工性能離子電導(dǎo)率達(dá)1.4 mS/cm，可實(shí)現(xiàn)軟包電池良好的循環(huán)性能。

其次，復(fù)合正極，也就是高鎳正極，通過前驅(qū)體原位摻雜改善一次顆粒尺寸及取向，倍率性能大幅提升(1C容量218 mAh/g，通過簡(jiǎn)易干法實(shí)現(xiàn)表面包覆，改善循環(huán)，室溫1180周循環(huán)容量保持率81.1%。

這中間有一個(gè)問題，就是復(fù)合電極是有縫隙的，怎么處理？歐陽(yáng)明高認(rèn)為，高壓實(shí)復(fù)合正極，也就是通過活性材料、電解質(zhì)等尺寸及比例設(shè)計(jì)，復(fù)合正極壓實(shí)密度可達(dá)3.5 g/cm3，活性材料占比超85 wt%，載量超3.5 mAh/cm2，設(shè)計(jì)能量密度及1C容量發(fā)揮率均優(yōu)于現(xiàn)有研究水平。

最后，高性能硅基負(fù)極，已經(jīng)成為400Wh/kg全固態(tài)電池的主流負(fù)極材料選擇。各類硅基負(fù)極材料都在研發(fā)中尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，主要挑戰(zhàn)包括提高材料性能、降低成本和解決界面問題等。

目前的主流是什么呢？國(guó)內(nèi)都在模仿的是美國(guó)G14公司發(fā)明的氣相沉積硅碳負(fù)極制備工藝，硅碳材料容量1900mAh/g，首效>82%(0.8V)，體積膨脹率大概90%。但是它的產(chǎn)品工藝的穩(wěn)定性以及硅烷的安全性目前是有問題的，已經(jīng)發(fā)生過事故，而且能耗大于5000度電。

華宜清創(chuàng)公司與歐陽(yáng)明高院士工作站發(fā)明了一步法硅碳負(fù)極工藝，容量可以大于2000mAh/g，首效83%，與G14相似，造粒后材料體積膨脹率~90%，同樣差不多。但是，生產(chǎn)過程安全，生產(chǎn)周期很短，噸級(jí)生產(chǎn)能耗小于1000度，優(yōu)于G14。

對(duì)于界面反應(yīng)和體積膨脹等最為關(guān)心的問題，歐陽(yáng)明高稱，他們的一步法硅碳負(fù)極工藝都解決了。

如采用高離子導(dǎo)率、低電子導(dǎo)率的材料進(jìn)行界面修飾，提升硅碳負(fù)極材料和硫化物電解質(zhì)之間的界面穩(wěn)定性，改善硅碳負(fù)極的循環(huán)性能。

將碳包覆硅納米顆粒和多孔碳材料進(jìn)行復(fù)配，利用多孔碳骨架預(yù)留體積膨脹空間從而顯著降低硅碳負(fù)極的極片膨脹率，打造出低體積膨脹硅碳負(fù)極。

第三方測(cè)試結(jié)果顯示，高克容量OSD硅碳負(fù)極極片膨脹率與CVD硅碳負(fù)極相當(dāng)，中低克容量OSD硅碳負(fù)極極片膨脹率低于CVD硅碳負(fù)極。

歐陽(yáng)明高院士工作站還自制了適配硅碳負(fù)極的異親和粘結(jié)劑：通過形成粘結(jié)劑網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電極中各成分形成強(qiáng)束縛作用，提升硅碳負(fù)極低壓力下(3MPa)的倍率性能和循環(huán)性能(125周增加到1050周）。

據(jù)歐陽(yáng)明高介紹，現(xiàn)在他們的多個(gè)規(guī)格型號(hào)的硅碳產(chǎn)品已向20余家電池及負(fù)極材料企業(yè)供貨，產(chǎn)能3000噸，預(yù)計(jì)到2025年到1萬噸。

03.AI for science

歐陽(yáng)明高再次強(qiáng)調(diào)了Al for Science的科研新范式。

過年期間爆火的Deep Seek大模型，在電池知識(shí)問答和電池文本挖掘任務(wù)上均表現(xiàn)優(yōu)異，在電池設(shè)計(jì)任務(wù)上具備初步的總結(jié)能力。不過通用大模型尚欠缺科學(xué)分析能力，仍需要垂直領(lǐng)域大模型解決。

并且，電池設(shè)計(jì)和材料研發(fā)方法從實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)、正向仿真方法逐步過渡為智能化全自動(dòng)研發(fā)新模式。也就是說，材料研發(fā)過程中的試錯(cuò)可能不需要大量的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室賣苦力了。智能化全自動(dòng)研發(fā)包括交互模式，檢索模式，計(jì)算模式的革新。

歐陽(yáng)明高在論壇上介紹了構(gòu)建專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)檢索詞、進(jìn)行技術(shù)譜系分類以及智能體的開發(fā)，最終目標(biāo)是開發(fā)出能夠進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)計(jì)算、性質(zhì)計(jì)算、反應(yīng)路徑計(jì)算以及材料篩選和優(yōu)化的專家智能體，以實(shí)現(xiàn)材料研發(fā)的自動(dòng)化和智能化。

而這些都離不開專家智慧、海量數(shù)據(jù)、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的協(xié)同創(chuàng)新。

歐陽(yáng)明高期待著，全固態(tài)電池研發(fā)智能公共服務(wù)平臺(tái)能夠在2027年向全行業(yè)開放，提升電池研發(fā)效率，節(jié)省研發(fā)成本。

返回第一電動(dòng)網(wǎng)首頁(yè) >