全固態鋰離子電池應用于汽車動力裝置的技術現狀及前景展望

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

電動汽車可定義為采用高壓電池與驅動電機提供驅動力來源的車輛。動力電池是電動汽車的動力來源，也是動力傳動中的重要一環[1]。為了開發出高比能量的電池，需要使用高比容量和高電位的電極材質，鋰有著摩爾質量小(6.94 g/mol)、比能量高(3.86 A·h/g)等顯著優勢，因此非常適合用作電極材料。

鋰電池是以金屬鋰為負極的電池[2]，其固有優勢包括工作電壓高、能量密度大、工作溫度范圍廣、放電電壓平穩、儲存性能好、自放電小等，成為電池界與材料研究領域的熱門方向。

盡管一次鋰電池的研究較為成功，自20世紀80年代以來得到廣泛應用，但二次鋰電池的開發卻遭遇了較大的困難。盡管金屬鋰的沉積效率較高，但是以金屬鋰作為負極來制造二次電池仍存在諸多問題：

(1)金屬鋰溶解不均勻，導致部分鋰會從主體脫落，形成死鋰，致使電池容量下降[3]；

(2)沉積層均勻性差，導致鋰電池內部容易產生枝晶，引發短路，安全性較差；

(3)其鈍化反應會產生強烈發熱現象，導致電池自身過熱，并且鋰自身熔點較低，可能會出現熱失控現象。

為解決上述難題，提出了鋰離子電池技術方案——以石墨、焦炭等可逆的碳材料代替金屬鋰作為負極。

1 鋰離子電池的特點及分類

鋰離子電池經過近年來的發展，其性能有了明顯提升。該類電池的標志性特點是其體積比或質量比相比鎳鎘電池、鉛酸電池等更高，總體性能亦是傳統二次電池中最為優越的[4-5]。

而鋰離子電池按照電解質溶液的狀態可分為：

(1)液態鋰離子電池，即傳統的鋰離子電池。

(2)聚合物鋰離子電池。通常指電解質呈膠凝狀態的鋰離子電池[6]，目前聚合物鋰離子電池已經得以商品化。

(3)全固態鋰離子電池，該類鋰離子電池采用真正意義上的固體電解質。

隨著傳統化石燃料的日漸枯竭，及其對環境造成的污染日益嚴重，使得對高性能鋰離子電池的需求日益增強。曾經認為鋰離子電池可實現的理論能量密度為250 W·h/kg，但是隨著固體電解質材料等技術的不斷發展，技術較為成熟的鋰離子電池的能量密度仍有一定的提升空間，超出了當時的理論極限。聚合物電解質可作為傳統液體電解質與全固體電解質之間的過渡產物。

2 全固態鋰離子電池及其特點

不像傳統的鋰離子電池[7]，采用全固態鋰離子電池在其制備工藝中并不會存在多余的電解質，因此更為穩定，也不會由于電池的過量充電、損壞或過度使用而導致危險[8]。新一代的全固態電池在其形狀上可塑性更強，大大提升了造型設計的靈活性。并且易于與產品需求相匹配，可有效優化產品性能。

鋰離子電池采用固體電解質可抑制枝晶鋰的生長，此外還可有效避免液態電解質漏液的缺陷。采用有機電解質的傳統鋰離子電池，因存在過度充電、內部短路等異常現象可能會導致電解質過熱，會導致自燃甚至爆炸。全固態鋰離子電池采用固體電解質代替有機電解質，安全性大幅提升[9]。

全固態鋰離子電池可被制成更薄(厚度僅為0.1 mm)、能量密度更高、體積更小的高能電池[10]。固體電解質具備良好的成膜性、穩定性、柔韌性、低成本等優點，既可作為正負電極間的隔膜，又可作為傳遞離子的電解質[11]。總體而言，全固態鋰離子電池具備如下優勢：

(1)工作電壓高，使用時間最長，容量最高，如表1所示[12]。

(2)幾乎可制成各種形狀或尺寸的電池，可直接集成于電路中[13]。

(3)可充放電數千次，并且自放電速率較低，無記憶效應。

(4)自身性能較為穩定，同時其安全性較好。

(5)工作溫度范圍寬廣，可在-20～125 ℃之間進行穩定工作。

表1 全固態鋰離子電池與其他電池的比較[14]

3 全固態鋰離子電池技術應用于汽車動力裝置的研究現狀

理論上全固態鋰離子電池比傳統的液態鋰離子電池更適用于電動汽車。在車用鋰離子電池的構件組成中，相當一部分附屬部件并非用于儲存能量，而是用于冷卻及安全防護。以日產Leaf EV為例，如果采用全固態鋰離子電池，電池組在同樣質量為280 kg的前提下，可儲存的電量達32 kW·h以上[15]，有效地增大了電動汽車的續航里程。

3.1 國外技術現狀

早在2012年9月豐田的環境技術說明會上，豐田就已展示了一款全固態鋰離子電池。該試制品電池以負極與正極，及正負極之間的固體電解質為1個單元，共有7個單元布置于層壓薄膜中作為一個整體。每一個單元的電壓約為4 V，整體電壓可達28 V[16]。

近年來豐田公司對固體電解質材料進行了進一步改良，采用了硫化物類的Li10GeP2S12。此次改進加入了鍺(Ge)，使其結晶形狀更為規整，鋰離子可呈直線狀排列。此類含鍺的新型固體電解質材料，可將鋰離子的電導率提升至1×10-2S/cm。不可否認，目前豐田公司的全固態鋰離子電池技術已位居世界前列。

日本新能源產業技術綜合開發機構已于2018年內宣稱，日本國內部分企業及學術機構將在未來5年內聯合研發車用全固態鋰離子電池，力爭早日實現大規模投產。該項目預計總投資100億日元(約合5.8億元人民幣)，包括豐田、本田、日產、松下等23家汽車、電池和材料企業，以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究，預計到2022年可全面掌握相關技術。

與此同時，德國寶馬宣布與美國電池公司Solid Power聯合研發下一代全固態鋰離子電池汽車，目標于2026年正式進行推廣。而日前，雷諾/日產/三菱聯盟表示，預計于2025年推出使用全固態鋰離子電池的電動車。

3.2 國內技術現狀

近10年來，中國大陸也逐漸開展了對全固態鋰離子電池的研發。早在2010年12月底，河北某新能源企業即在863火炬計劃鋰離子動力電池產業化項目的支持下，研發了從10～500 A·h系列的大動力全固態鋰離子電池產品。其中該500 A·h的電池產品已在大連某客車公司生產的電動客車進行試用，取得了一定的成果。此類單體電池的循環壽命可達2 000次。

寧德時代、比亞迪、比克電池等國內知名企業及科研單位均開展了對固態鋰電池的技術探索。寧德時代在聚合物和硫化物基固態電池方向分別開展了相關的研發工作，并取得了初步進展；中天科技集團與中科院青島能源所簽約開發高性能全固態鋰電池[17]；中科院寧波材料所目前已在全固態鋰電池結構設計及界面調控方面取得重要進展[18]。

國內在固態鋰電池領域的技術水平與國外仍存在差距，但國內相關電池企業及科研單位對全固態鋰離子電池產業的研發投產力度及項目推進速度則是處于世界前列的。但目前如要在汽車動力裝置領域投入具體應用，并在2020年之前實現大規模量產，仍存在一定的技術困難。

4 全固態鋰離子電池當前技術發展趨勢及難點

目前全固態鋰離子電池的發展趨勢在于大力開發新型高性能材料[19]，對于電池正極而言，提升其比容量、降低成本并增強大電流放電的性能，使其滿足電動汽車的動力需求[20]；對于電池負極而言，可對碳材料、非碳高比能量負極材料進行進一步研發[21]；在電解質方面，需對固體電解質作進一步的研發，使其具備高離子電導率的性能，并不斷提升其安全性能，同時推進其實用化進程。

如上文所述，全固態鋰離子電池技術開發的難點在于固體電解質電導率較低，這也是全固態鋰離子電池并未得以大規模應用的首要原因[22]。

5 結論及展望

全固態鋰離子電池具備能量密度高、使用壽命長、形狀可塑性強、充放電次數多、性能穩定、安全性好、工作環境適應性強等顯著優勢，目前已廣受關注[23]。全固態鋰離子電池在國內汽車研發領域正處于高速發展階段，但仍與世界知名企業存在一定的技術差距。全固態鋰離子電池的當前發展方向在于開發新型電極材料，并解決固體電解質電導率較低的問題，盡管目前仍未大規模商業投產，但仍不失為一類充滿前景的車用動力裝置。