储能电池

陆明博士谈全固态电池:氧化物、硫化物、聚合物 哪一种技术路线能胜出?

2020-05-06 09:44:05 起点锂电大数据 作者:起点研究

目前,国际巨头都在纷纷布局全固态电池技术,包括英国的迈克阿伦,还有戴森;德国的宝马、大众、奥迪、博世;美国的菲斯克;法国的博洛雷;日本的丰田、本田、东芝、日立;韩国的现代、三星等等。

(来源:公众号“起点锂电大数据”ID:weixin-lddsj 作者:起点研究)

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国际巨头纷纷布局全固态电池

陆明博士介绍,其任职的英国Ilika公司于2008年与丰田合作,丰田是固态电池第一梯队企业。丰田早期在2007-2008年的时候,就已经着手全固态电池的研究,当时Ilika公司受丰田委托,开始研发全固态电池电解质。所以Ilika公司从2008年开始,做了丰田的项目已达5-6年的时间,是极早进入全固态电池研发领域的企业。

目前,国际巨头都在纷纷布局全固态电池技术,包括英国的迈克阿伦,还有戴森;德国的宝马、大众、奥迪、博世;美国的菲斯克;法国的博洛雷;日本的丰田、本田、东芝、日立;韩国的现代、三星等等。

陆明博士称,大家比较关心国内的情况,中国的固态电池研究也并不落后,且起步也较早,国内的产能非常大,特别是液态电池的产能非常大。Ilika公司与国内非常多车企都有接触,发现国内对固态电池方面跟得比较紧。

据了解,国内的两大巨头,宁德时代与比亚迪都有布局全固态电池,并且投入了非常大的人力与资金。国内市场上最早宣布量产全固态电池的是清陶,清陶宣布量产的产能是0.5GWh。

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三大技术路线,谁能胜出?

现在全固态电池主要的技术路线方面,市场公认的可以分为三种,一种是聚合物,一种是硫化物,还一种是氧化物全固态电池。

每一种技术路线都有其优势与劣势。丰田选择是的硫化物路线,Ilika公司选择氧化物路线,法国公司博洛雷选择聚合物路线。

首先说一下丰田公司。丰田是最早进入全固态电池研究的公司。实际上可以把硫系与氧化物做一个比较:化学性能方面,氧化物固态电池的稳定性更高,硫系是比较差的。其它的指标如导电率、界面阻抗等方面,区别并不大。

加工成本方面,硫系加工成本比较高,氧化物方面成本较低。但是从集成方面看,硫系则更容易一些,氧化物则比较弱。

从聚合物看,与硫系及氧化物相比,不占优势。但是比如容易集成方面,还是有一些优势的。但聚合物固态电池的制造成本也是一个劣势。法国博洛雷的固态电池实际上已配套了2000多辆汽车,但是热管理方面无优势。聚合物固态电池要保证电池的温差,对电池的热管理要求高,造成的负担较重,需要花费较高的能量与成本,这增加了聚合物固态电池量产的难度。

市场认为硫系非常好,硫化物固态电池装机后各项指标及示范效果都不错。不过,丰田于2017、2018年的时候宣布三年后量产全固态电池,但实际上目前仍未量产。未量产的主要原因,或者说最大的问题,一方面是硫系的化学稳定性比较差,导致产线需要额外增加非常多的防护措施,设计方面也需要想到更多防护办法,包括封装。

另一方面是电池做好之后,操作过程中,这个电池在使用方面,是非常脆弱的。总的来说,硫系技术非常好,甚至在某种程度上超过氧化物,但是硫系全固态电池的商业化,最大的障碍是成本。

Ilika公司也考虑到这一点,所以选择氧化物技术路线。氧化物也有技术难点,但是氧化物全固态电池的技术难点一旦突破了之后,它在商用、大规模量产方面,成本竞争力就非常强。

当然,现在还无法判断哪种技术路线最终能够胜出。但是通过Ilika公司的具体经验看,陆明博士认为,如果单纯从技术方面去讲,如果是做学术、发文章的话,这是一个方面,但是未来大规模商用、量产的考虑,可能技术占一部分,但不是全部。

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全固态电池制造工艺之丝网印刷

氧化物是电导率比较低,Ilika公司通过将中间的电解质做得非常薄,来弥补它的缺点。

据陆明博士介绍,Ilika公司生产的全固态电池采用的工艺,是印刷工艺。现在Ilika公司还在做一些测试,一旦材料和技术上有所突破的话,将来商业化的前景是非常好的。为什么呢?因为Ilika公司采用的是丝网印刷的技术,这个技术与传统的薄膜电池,际上它的工艺路线是大体相当的,它最吸引人的地方是,可以根据丝网的模板印出不同形状的电池,另外的优势是丝网印刷比较容易上量。

当然,丝网印刷也存在一些技术难点,比如如何保证电芯的一致性、如何控制它的呼吸(即充电与放电时的膨胀与收缩)等,这些都是技术难点。但难点一旦解决的话,它的量产成本将呈现直线式下降。

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Ilika全固态电池正极

Ilika全固态电池的正极材料,与三元相同,目前采用111,能量密度可达到300Wh/Kg-350 Wh/Kg;今年三季度后将采用811,继续提高能量密度,大概明年6月份可实现400 Wh/Kg;811验证之后,封装将运用新技术,目标是达到480 Wh/Kg;最终的目标是2025年达到550 Wh/Kg这样的要求。这个也是政策的要求。

陆明博士的补充:Ilika的最新动态方面,在三月前,即英国政府宣布居家令以后,Ilika当时举办了一个新股发行的活动,面向股东招股。当时在伦敦进行。原计划是募集800万英磅,但实际上超额认购,达到1500万英磅。这说明在疫情这么严重的情况下,很多经济活动都受到影响的情况下,Ilika仍获超额认购近一倍,这说明市场对全固态电池极其看好。

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互动交流环节(节选)

问:Ilika的负极材料是什么 ?

陆明博士:负极方面,可能很多固态电池用的是锂,但是我们不用锂,原因是锂太活跃了,我们采用的是硅碳组合。

问:可以多介绍一下印刷技术吗?这个技术难度在哪里?是尺寸还是厚度?

陆明博士:简单介绍一下印刷技术。不知道大家对太阳能光伏解有多少。实际上光伏的技术脉络,最开始的时候是单晶硅,即单晶硅切片做成光伏板。但是单晶硅太贵,后来采用了多晶硅。多晶硅的转化效率可能不如单晶硅,但是成本要低一些。但人们还是觉得成本过高,所以采用了丝网印刷,也就是薄膜太阳能。虽然薄膜太阳能的光电转化效率要比前面两种低,但可以非常低成本地量产。这与我们做固态电池的技术路线相似。我们一开始做固态电池的时候,采用的是做到单晶硅片上,但显然,这并不适合应用于电动汽车。所以我们采用的是丝网印刷,直接印正极,印负极。

印刷的过程中要加压、要加温度。这些是难点。

问:全固态电池将首先应用到哪种车型上?

陆明博士:全固态电池最终用于什么车型上,取决于PACK。现在说可能为时尚早。

全固态电池也可以用于其它方面,比如手机与笔记本电脑。

问:全固态电池的生产需要用到哪些新材料?现有材料是造满足氧化物全固态电池的生产?

陆明博士:现有的原材料体系能满足全固态电池的需求。

问:全固态电池将给设备领域带来哪些机会?

陆明博士:全固态电池的工艺方面涉及一些设备,我们公司现在用的是德国的设备。当然,国产设备也有非常大的机会,前提是需要做一些验证。

问:全固态电池如何才能大规模配套新能源汽车?

陆明博士:全固态电池应用于汽车领域,挑战挺大。第一方面性能方面要保证;第二方面是成本需要降下来。按国外的预测,到2025-2030年,电池的成本需要降至100-80美元每瓦时。

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关于陆明博士

陆明先生毕业于英国南安普顿大学,获得硕士,博士学位。现任英国Ilika公司的业务发展总监,负责全固态锂电池的业务发展。

陆明博士是美国OSA的正式会员,在铌酸锂的制备研究等方面拥有多项美国专利、欧洲专利及PCT国际专利,在国际学术会议和期刊上发表了二十多篇论文,应邀在多个国际会议、研究机构等发表学术演讲,在准相位二次倍频晶体研究和制备等领域取得了突出的成果。

关于Ilika公司

Ilika(LON:IKA)成立于2004年,是世界领先的固态电池技术开发商和新材料研发企业。2010 年于伦敦证券交易所上市

自2008年起,Ilika与丰田合作开发固态动力电池技术。ilika拥有固态电池核心知识产权。通过IP 授权的方式将其固态电池技术运用在包括新能源汽车和运输、电站、智能建筑、医疗等行业。

自2018年开始,公司全固态电池产业化项目(Goliath项目),是在现有成熟的固态电池基础上, 将全固态电池技术产业化,以满足《英国政府新能源汽车2025产业规划》对动力电池的要求。具有体积小,重量轻(是现有的50%),能量密度高(现有的2-3倍),安全可靠,快速充电(10分钟),长寿命等特点(循环5000次以上),已有多家战略合作伙伴参与到该项目中。

Ilika(在过去的10年时间里致力于新材料的研发。其产品应用于包括新能源汽车、航空航天及电子 元件等在内的众多领域。同包括丰田,本田,罗尔斯罗伊斯,希捷等世界著名大企业建立了长期合作伙伴关系。

公司总部位于英国,同时在德国、美国,中国及日本等地开展业务。


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