高鎳三元液態(tài)電池要怎么解決安全問(wèn)題，固態(tài)電池能否成為下一代動(dòng)力電池技術(shù)……鋰電池的安全性、能量密度、成本能否撐起電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)？當(dāng)這些問(wèn)題得到解答，鋰電池將迎來(lái)真正地起飛。

今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了鋰電池，鋰電泰斗J. B. Goodenough成最高齡獲獎(jiǎng)人。

這份諾貝爾獎(jiǎng)對(duì)鋰電池意義重大。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，他們研制出一個(gè)可充電的鋰電池，創(chuàng)造出可充電的世界，卻遲遲沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)。而我們已經(jīng)憑借這項(xiàng)發(fā)明享受到種種便利。

但這個(gè)時(shí)間點(diǎn)很奇妙。

鋰電池已經(jīng)普遍用于手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子中，是我們?nèi)粘Ｉ钪须x不開(kāi)的工具。即使曾否認(rèn)它的汽車(chē)，也將它加諸于身，作為動(dòng)力電池提供驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的能量。鋰電池的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，甚至成為電動(dòng)汽車(chē)能否駛向未來(lái)的關(guān)鍵。它，似乎迎來(lái)自己的高光時(shí)刻。

另一方面，鋰電池遇到了它的另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這就是汽車(chē)行業(yè)對(duì)鋰電池的接受程度。為了能夠?qū)囯姵匕l(fā)展為更合格的動(dòng)力電池，國(guó)內(nèi)外電池企業(yè)從正負(fù)極材料入手，探索高鎳三元鋰電池的應(yīng)用。鋰離子電池從NCM111、NCM523一路升級(jí)到NCM622、NCM811。當(dāng)正極的化學(xué)配方依據(jù)能量密度的方向得以重新調(diào)整時(shí)，現(xiàn)有鋰電池的短板就呈現(xiàn)了出來(lái)。它無(wú)法兼顧能量密度和安全，實(shí)現(xiàn)平衡。無(wú)論車(chē)企還是消費(fèi)者，對(duì)它在汽車(chē)上的應(yīng)用存有疑慮。

高鎳三元液態(tài)電池要怎么解決安全問(wèn)題，固態(tài)電池能否成為下一代動(dòng)力電池技術(shù)……鋰電池的安全性、能量密度、成本能否撐起電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)？當(dāng)這些問(wèn)題得到解答，鋰電池將迎來(lái)真正地起飛。

液態(tài)電池能量密度和安全的平衡

三元鋰電池努力的方向先是集中在能量密度和降本上，而后側(cè)重于安全。

2017年以來(lái)，補(bǔ)貼政策對(duì)能量密度的要求提高了許多。最低系統(tǒng)能量密度臨界值從2017年的90Wh/kg到2018年的105Wh/kg，2019年的125Wh/kg；最高補(bǔ)貼系數(shù)為120Wh/kg、160Wh/kg和160Wh/kg。

能量密度的提升直接對(duì)應(yīng)到續(xù)航里程的增加上，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航從200KM向300KM、500KM攀升。

為了適應(yīng)能量密度向前向上轉(zhuǎn)變的速度，不少車(chē)企拋棄更為安全的磷酸鐵鋰電池，轉(zhuǎn)而使用三元鋰電池。到今年，三元鋰電池的能量密度最高達(dá)到180Wh/kg。

能量密度提高的方法，一是改變正負(fù)極材料體系，二是減少電池組配件重量。而這兩種方法均會(huì)導(dǎo)致液態(tài)鋰電池的熱失控，最后形成事故。

中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在近日的國(guó)際電池安全研討會(huì)提到，正極三元材料的鎳含量不斷提高，它的釋氧溫度不斷下降，正極材料的熱穩(wěn)定性越來(lái)越差。釋氧溫度下降就意味著鋰電池更加不耐熱，正極材料容易發(fā)生分解，釋放活性氧，進(jìn)而導(dǎo)致電解液的氧化分解。它的后果是產(chǎn)生更多的熱量，引發(fā)鋰電池的熱失控。

若減少電池組配件，如做薄隔膜、正極鋁箔、負(fù)極銅箔，固然能夠減輕電池的重量，減小電阻，提高性能，但也會(huì)加大短路的風(fēng)險(xiǎn)。

能量密度提高的代價(jià)是犧牲掉循環(huán)壽命和安全性，但電動(dòng)汽車(chē)的普及需要能量密度和安全性的并重。因此，電池供應(yīng)商從正負(fù)極材料、新型安全電解液、安全隔膜材料、熱管理等層面探求高鎳電池、模組及PACK的熱安全方案。

正負(fù)極和電解質(zhì)層面，如歐陽(yáng)明高所言，從多晶到單晶就可以使釋氧的溫度提升100度；可以使用高濃度電解質(zhì)，降低防熱功率，且不與正極發(fā)生反應(yīng)。

當(dāng)電芯或PACK出現(xiàn)熱失控，更精密的BMS和TMS是抑制失控反應(yīng)的關(guān)口。它可以防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池的損傷，并且可在必要時(shí)刻切斷高壓電氣系統(tǒng)，確保電池包的安全性。

除此之外，對(duì)電芯異常的預(yù)警和報(bào)警，防火隔熱材料在液態(tài)鋰電池?zé)崾Э刂芯潜ＷC乘客安全的措施。

高鎳三元鋰電池應(yīng)該是最適合當(dāng)下電動(dòng)汽車(chē)要求的電池，如果它的安全性能夠得到穩(wěn)定保證。但若談到未來(lái)，它也只能成為過(guò)去。

固態(tài)電池的技術(shù)儲(chǔ)備

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳立泉指出：“想要達(dá)到2020年及以后的動(dòng)力電池能量密度發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)能量密度大于500Wh/kg的目標(biāo)，現(xiàn)有的液體電解質(zhì)電池體系恐怕無(wú)能為力。作為下一代面向500Wh/kg的電池技術(shù)路線，固態(tài)電池體系的研發(fā)已成為剛需。新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展需要新的技術(shù)儲(chǔ)備，固態(tài)鋰電池則有望成為下一代車(chē)用動(dòng)力電池主導(dǎo)技術(shù)路線，它不只是未來(lái)二次電池的重要發(fā)展方向，也是當(dāng)前的重要任務(wù)。”

液態(tài)鋰電池觸及安全和能量密度天花板，國(guó)內(nèi)外眾多電池企業(yè)探尋下一代動(dòng)力電池的解決方案。至少現(xiàn)在，對(duì)比多項(xiàng)電池正負(fù)極材料和技術(shù)后，固態(tài)電池被視為最有希望突破鋰電池瓶頸的電池。本次獲諾獎(jiǎng)的Goodenough先生是全固態(tài)電池的堅(jiān)定支持者，多年來(lái)從事全固態(tài)電解質(zhì)的研究。

鋰離子電池之父John Goodenough

為更好解決當(dāng)前電動(dòng)車(chē)電池所面臨的各類(lèi)問(wèn)題，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中許多企業(yè)都把眼光了瞄向了下一代汽車(chē)電池技術(shù)。

尤其在今年，固態(tài)電池的聲音格外響亮。國(guó)內(nèi)造車(chē)新勢(shì)力蔚來(lái)、愛(ài)馳與輝能簽下固態(tài)電池樣車(chē)開(kāi)發(fā)協(xié)議，哪吒汽車(chē)與清陶達(dá)成合作。歐洲，寶馬投資了美國(guó)電池公司Solid Power；大眾投資QuantumScape，可能從2024或2025年開(kāi)始批量生產(chǎn)；雷諾到2025年將使用鈷含量為零的固態(tài)電池。

日本，豐田、松下等23家汽車(chē)、電池和材料企業(yè)及15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)電動(dòng)車(chē)全固態(tài)鋰電池。韓國(guó)，LG化學(xué)、三星SDI和SKI聯(lián)手開(kāi)發(fā)固態(tài)電池、鋰金屬電池和鋰硫電池。

從熱失控的角度出發(fā)，固態(tài)電池相比現(xiàn)在的液態(tài)電池更為安全。固態(tài)電解質(zhì)或混合電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)，避免內(nèi)部短路的產(chǎn)生，強(qiáng)化安全性。

目前電池企業(yè)開(kāi)發(fā)的固態(tài)電池前面沒(méi)有加“全”字。全固態(tài)電池受制于技術(shù)和成本，難以量產(chǎn)。因此類(lèi)固態(tài)電池作為過(guò)渡產(chǎn)品，從解決電池安全入手，到實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，降低固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的成本。

在《能量密度高，成本低……這是真實(shí)的固態(tài)電池嗎？》一文中，NE時(shí)代記者通過(guò)采訪和資料搜集等途徑，盡力挖掘固態(tài)電池的真實(shí)樣貌。我們了解到，固態(tài)電池相比液態(tài)鋰電池最明顯的優(yōu)勢(shì)是安全。但在電芯層面它的技術(shù)還沒(méi)有成熟到打開(kāi)能量密度大幅提升的大門(mén)。

到大家關(guān)心的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展方面，國(guó)內(nèi)固態(tài)電池企業(yè)普遍處于中試階段，2023年至2025年是固態(tài)電池能夠規(guī)模量產(chǎn)的起始時(shí)間段。

固態(tài)電池基本上是下一代電池技術(shù)儲(chǔ)備中走得最靠前的動(dòng)力電池。但它的未來(lái)存在一些不明朗的因素，需要一步步地攻克。

液態(tài)鋰電池平衡術(shù)待練，固態(tài)電池技術(shù)不成熟，但我們對(duì)這些技術(shù)的突破又充滿期待。三位鋰電元老的諾獎(jiǎng)?wù)钦Q生于希望與質(zhì)疑同在的時(shí)刻。這份諾獎(jiǎng)更像是對(duì)鋰電池過(guò)往的認(rèn)可，對(duì)未來(lái)的鼓勵(lì)。