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      編者按：2019年5月11日下午，輝能科技創始人、CEO楊思枏出席主題為“勇氣”的第十一屆中國汽車藍皮書論壇，發表了題為《固態電池在電動車市場商業化可行性與產業化時程》的主題演講。

 

       他認為，如果液態電池做不到的固態電池也做不到，那么商業化、甚至取代液態電池就將變成遙不可及的目標了。同時，他對固態電池的未來充滿信心，“固態電池的使用壽命要更長、更穩定。”

 

       在技術層面，氧化物是他最為看好的固態電解質，其在安全性方面要更有優勢。“從氧化物安全性上來講，要優于液態電解質和其他固態電解質，這一點基本上是毋庸置疑的。”

 

       以下為楊思枏演講錄音整理，未經本人審定，有刪減，題目為編者所加。

 

       各位前輩，大家好！今天我們輝能科技很榮幸有機會受主辦方的邀請參與國內這么盛大的一個論壇會議。

 

       我想大家都了解，現在在電動車上來講最重要的零部件就是電池、模組、電池包部分，最近幾起安全性方面的問題，也凸顯出液態電池可能在安全性上會有一些限制，所以我們會針對固態電池來說明一下。

 

       大家都認為固態電池是下一個最主要的主流模式，像鋰鐵，后來變成三元，三元可能再變成固態電池。當然，我們輝能走的比較早一點，所以今天我來跟大家討論一下固態電池在電動車層面商業化、產品化的可行性，其有沒有機會成為下一個主流的電池模式。同時，還有幾個主要競爭者在產業化方面的情況，

 

       固態電池優劣勢明顯，首選氧化物

 

       先說六大需求，在電動車方面，對于電池的需求我們把它分為三個必要條件和三個充要條件。必要條件方面，主要是安全性、能量密度以及低成本。至于說充要條件，客戶肯定都希望有快充、長使用壽命以及比較寬廣的使用溫度等。這些在液態電池上，原則上并不能完完全全符合現在汽車市場的需求，于是就變成固態電池的機會，讓其能夠進入到這個市場。

 

       但是有一個問題，液態電池做不到的固態電池能做到嗎？固態電池如果做不到，商業化、甚至取代液態電池就變成遙不可及的目標了，所以我們今天來好好討論一下。

 

       討論它的商業化之前，我們先把幾個主要的固態電池系統分析一下：

 

       第一個，薄膜電池。薄膜電池從1997年問世到現在，最大的問題點就是它的成本過高，無法成為主流。它采用的是半導體的制程方式，成本過高，所以造成一個必要條件做不到，戴森在2018年放棄了這個技術，他們對于這個專利基本上也不再做維護了。

 

       接下來，如果從量產的狀況來看，較好的是固態聚合物，它的量產形式是相對比較好的狀況，成本和制造模式相近于現在的液態電池，但是最大的問題在于它的導電度。它的導電度，基本上需要加溫才能夠做到60度—80度，而60度—80度代表了一個方面的問題，就是電池包的能量密度，其需要加溫系統和加壓系統，這使得電池包能量密度會降到110Wh/L—140Wh/L。這個部分和現在的液態電池相比，后者動輒在200Wh/L—250Wh/L以上。因為這樣的關系，去年博世基本上也放棄了。

 

       如果要說導電性最好的，就要說硫化物。硫化物現在是所有電池、尤其是電解質這個系統上，較液態電池導電性要更高。硫化物導電性高的特點，促成了固態電池可以實現的一個比較好狀況。但很可惜它的穩定性并不太好，自身和自身之間沒有太大問題，但是自身和其它硬物質，包括溶劑、助粘劑，活性材料水氣等之間會產生不良的反應。

 

       尤其是從全線制造上面來講，如果有水，要去水才能夠恢復到好的離子導通狀況，這樣卻會產生硫化氫。硫化氫有產毒的可能性，且會燃燒。按照這樣來看，硫化物會比較麻煩。也因為這樣的關系，如果有水分的狀況下，它就必須要全線都在干燥室內，干燥室的條件非常高，這就是一個很大的成本問題。豐田在2019年日本電池展上也提到了，主要的問題就是這個。

 

       再來看氧化物。氧化物的穩定性應該是所有電解質里面最好的，但是有很大的問題，就是它的導電性，它的導電性大概只有硫化物的1/10到1/20。另外一個問題，就是它的界面接觸狀況也不太好，因為氧化物的顆粒比較硬，同時它的物理接觸面積較小，比較容易堆積形成不連續面，容易破裂，這就會產生短路問題，短路會造成在量產方面良率的大幅度下降。

 

       簡單來看我們比較確定的是，硫化物和氧化物有成為主流的可能性。當然問題相對也比較多，我們簡單的介紹一下。

       氧化物固態電解質的優勢，包括電解質穩定，電解質的界面也很穩定，極化問題基本上是非常好的一個狀況，濃差極化不存在，等一下會提到快充下的優勢。電解質和隔膜的散熱系數較高，會使得整車廠在產品散熱系統方面能更有優勢。

 

       談完優勢要談一下它的瓶頸，氧化物電解質的導電率是較大的問題。液態電池會在高溫時有揮發和分解問題，在低溫的時候會有分離的問題，在固態電解質上是看不到這個問題的。氧化物比液態電解質導電率低一點，還是有它的好處的。但是在界面的阻抗方面，不管是硫化物還是氧化物都會有問題，電解質跟電解質本身之間是存在一些比較大的問題，尤其氧化物，如果說以高溫燒結，成本太高，如果是低溫壓合又沒有辦法得到較好的離子導通。

 

       從電解質和活性材料方面來講，我們會把它分為化學性和物理性，化學性基本上硫化物相對較差，尤其它形成正極的時候，會使得它的離子導通會下降百分之一到千分之一，同時會有污染的問題出現。氧化物化學性較好，但是它的物理性接觸面積就變得較差了，這部分也是它的一個大問題。

 

       極層成膜性，也是固態電池上面非常大的缺點，尤其是氧化物。剛剛也提到容易產生破裂的問題。還有就是隔層的厚度，隔層是由固態電解質形成的，顆粒越多或者孔洞越多的時候，就會造成它需要更厚的狀況，避免貫通形成。這時候它的隔膜越厚代表能量密度越低，厚膜極化的問題更嚴重。

 

       最后一項，就是隔層和極層本身的阻抗，這部分也是固態電池不OK的地方。因為隔層和極層的介面并不是一個連續介面的狀況，所以會造成整個界面阻抗較高。當然大家可以看到，已經進行了一些改善，這些改善我們等一下會提到，包括如何進行商業化。

 

       基于我們之前所改善的狀況，我們來討論固態電解質商業化的可行性。

 

       第一個問題，剛剛提到了三個必要條件，其中一個是安全性。從氧化物安全性上來講，優于液態和固態電解質，這一點基本上是毋庸置疑的，可以看到不管是電解質穩定性、界面穩定性等均是如此。

 

       第二個問題，硫化物的安全性。很抱歉，我認為我們現在還是沒有辦法確定它是否是安全的。因為硫化氫本身含有毒性、同時可燃，一旦電解質的封裝產生問題，不管是穿刺還是其它封裝的狀況下，都可能會使安全性無法保證。

 

       我們來講個基本的證明，您可以看到，下面屬于液態電池電阻反應的重點，原則上會有一、二、三、四，這個是用NCM811做出來的一個測試，你可以發現基本上對標于現在的NCM811，這個期間就有很大的差距。因為我們的測試基本上做到280攝氏度的烘烤測試，280攝氏度的烘烤測試可以把它分成一、二、三、四的狀況，這些東西都是發生反應或者產熱的一些過程。

       我們舉幾個例子，隔膜基本上來講，液態電池高溫狀況下會有熔融的問題，這個時候會產生更多的能量外泄，促使溫度能夠提升到正極分解的溫度狀況，這是非常重要的一環。但是我們的固態電池，即便達到280℃—300攝氏度的狀況，隔層基本上還是有隔層的效果，就使得負極和正極不會直接接觸。那個藍色線就是電壓，所以這樣的狀況下代表它還是能夠維持很好的隔離效果，使得正極和負極不接觸。

 

       另外一個問題，就是正極分解狀況。NCM811和一般的液態電解液反應，大概180攝氏度的時候就會分解。如果是固態電池，大概在220攝氏度—230攝氏度。通常來講180攝氏度下，正極和液態電解液反應分解產生大量氣體和氧，這個部分trigger point溫度就會形成了，但是固態電池到220攝氏度—230攝氏度才發生。

 

       第二個問題，產熱也相對比較小，這使得固態電池在安全性上相對大很多。可能大家對于液態電解質和固態電解質安規檢測不太了解。一般來講，國內現行的標準，烘烤高溫測試狀況是130攝氏度為主，固態電池基本上能通過200攝氏度或者280攝氏度，這個過程安全性上來看，固態電池的確比現在液態電池好很多。

 

       這就是由10安培小時到18安培小時在車廠測試的結論。當然高溫測試不僅僅是高溫，還包含了在60度狀況下做5C、10V穿刺。現在國內基本上已經不做穿刺測試了，液態電池現在的標準是，過充的測試大概是1C、1.5倍的最高電壓，就是大概6V左右。現在高壓要求有更高鎳的材料，現在可能會降到1.1倍、4.5V左右的狀況，可是在固態電池上可以過5C、10V。

 

       因為一會有能量密度的問題，這是一個最重要的商業化的依據，所以我們等下再來談一下這個，我們簡單把其他部分進行下討論。

 

       第一個，固態電解質可以快充嗎？基本上是可行的，等下我們介紹。

 

       我們的架構技術利用的是氧化物，但是我們是用這個方式做的，混成固態的時候將近有10個百分點的液態電解質和固態電解質，體積、重量更低了點。這個部分有一個非常關鍵性的改善，使得我們的阻值大幅度下降，從原來的250mΩ降到只剩下15mΩ，這個在2.4安培、2.3安培小時的狀況，比較液態電池18650，這個是松下的一個電池，在2.8安培左右的時候是在這樣的狀況，基本上完全相同了。

 

       無區域極化的問題，使得我們的快充是有機會做到和液態電池相同，甚至是比液態電池更有優勢。不過這里必須提到定電流變成定電壓，這是一個電池上面的專用術語。如果用這樣的方式充電的話，我們的電池基本上在12分鐘以內可以充到77%。比起現在一般液態電池更快。

 

       但是要說明的是，我們(測試對標)主要采用的是3C的產品，所以它并不是為快充準備的，可能這方面稍微低一點。不過這個至少和現在的液態電池接近、甚至稍好一點點。好的地方在哪里？主要在溫度，一般來講快充過程當中，電壓溫度上升幅度很高。對于我們的固態電池，差了將近10度到20度左右的差距，這也一樣會使得電池包的散熱系統能夠做得更簡單。

 

       長使用壽命，基本上分成循環壽命和日歷壽命兩種。使用壽命最主要的是物理界面和化學界面的穩定，長使用壽命、循環壽命這兩項都包含在內。

 

       我們公司，因為改善物理界面，本身就是固態電解質的優勢。所以可到看到，我們大概在千次的放電，1C充放大概可以超過80%，可以到1000次—1200次。如果0.5C充放大概2000次—2500次，基本上滿足了我們現在電動車的需求。同時，我們還有比較特別的地方，比如高溫循環，高溫循環的壽命測試我們可以做到0.5C充放、500次，83%，這是一般液態電池絕對不可能做到的。

 

       另外就是日歷壽命，日歷壽命最重要的一點，如果它的DCIR增加幅度不太一樣的情況下，高串并會使這個電池包充不飽、放不完，這個就會使實際行駛距離大幅度減少。固態電池的確有這方面的優勢，所以你可以看到，我們從60攝氏度、60天的測試狀況來看，DCIR幾乎不增加，這部分代表了后續固態電池使用的狀況。使用壽命、日歷壽命會非常穩定，而且非常適合高串并的狀況。

 

       高低溫操作和剛才的狀況比較相同，就是界面本身的穩定，包括固態電解質的本質穩定。可以看到，我們大概在85攝氏度的狀況下可以充放，甚至100攝氏度—150攝氏度把電壓降下來，一樣可以做充放電。

 

       另外，因為低溫狀況下，固態電解質本身沒有向分離、析出的問題，所以它可以儲存在負65攝氏度狀況下，在3個月、5個月之后還可以恢復正常使用。同時，在負20攝氏度到負25攝氏度狀況下，和現在的液態電池差不了多少，最重要的是在負30攝氏度到負40攝氏度的時候，一樣可以在這樣的狀況下進行放電，同時不會產生太嚴重的問題。這部分也幫助了現在我們的電池包能夠進行在低溫狀況正常的放電，這在固態電池上都得到了比較好的解決。

 

       我們剛才看到，充要的條件基本上我們都能夠有一定的恢復狀況，但是有一個重點，能量密度部分，基本上來講都覺得固態電解質的能量密度比現在液態電解質高，其實是對的、也是不對的。

 

       固態電池成本有望下降

       固態電解質本身的密度比液態電池高，所以理論上，如果你采用的是相同于正極跟負極材料的話，它的能量密度是不可能和現在的液態電池一樣高的。但是為什么大家覺得它的能量密度還是會更高呢？是因為它采用了更高利用率和更高能量密度的正極、負極材料，但是更危險，因為固態電池本身能夠提供非常穩定的平臺，所以這部分就有辦法改善。

 

       問題來了，會討論到一個所謂的新技術導入規模化市場上的悖論問題。大家也提到，它可以采用更高利用率的正極材料和負極材料，但是相對而言這個材料是比較少的，而且單價比較昂貴，這就造成了市場上非常困難的地方，造成所謂的悖論問題。

 

       我們現在有很重要的一環，其實固態電池從來都不是單純的電芯材料技術或者電芯技術而已，它還包含了雙極電池的電池包的技術，而這個技術的成組效率非常高。這個是C公司今年度發布的新聞，成組效率是73%，比能量是245Wh/kg，假設它用NCM811，我們也用NCM811，我們得出的是200多瓦時/公斤，但是成組效率大概80%—85%的時候，我們就能達到176Wh/kg—183Wh/kg，接近于現在的液態電池。當然安全性還要好很多。

 

       但是第二個問題，在體積能量密度狀況上，他的成組效率是53%，我們成組效率是70%—75%，這個時候我們就超過它了。得出的結論就是說，如果用雙極電池技術的狀況下，我們的能量密度，就算是采用相同的活性材料也能夠達到和現在(液態電池包)一樣的水平，唯一的問題點就是只有固態電解質本身的價格。

 

       固態電池就比液態電池貴嗎？這是我們的成本分析。假設我們的產能1GWh時電芯成本1.6倍、電池包成本1.3倍，這個10GWh時電芯成本大概1.3倍，電池包的成本大概是1.05倍。到20GWh的時候，就有機會在電池包的狀況得到98%。

 

       我剛剛少提了一個狀況，雙極電池包它的成本較一般的電池包低，只有7成，因為簡化了串聯方式，我們的安全性雙極電池就是直接在電芯里面做一個所謂的內部串聯接觸，它會使得這個系統基本上簡化了電池芯數量，BMS也簡化了，它的冷卻系統也簡化了，所以它的成本基本上會變得更低。因為這樣的關系，所以在20GWh的狀況下面，固態電池就有機會做好。按照這樣的概念來看，固態電池的商業化基本上是可行的。

 

       這是我們的兩個核心技術，如果有興趣，我們可以看一下，這個我們剛剛得了美國的愛迪生發明創新獎的金獎。

 

       最后一部分，是量產時間表的狀況。這里面有提到TOYOTA和日立，原則上大家的基本技術開發都需要時間，我們因為比較早做，所以比較快點。根據TOYOTA的狀況來講，我們覺得有幾項工藝他們還需要做克服，我們已經差不多了。

 

       我們現在已經有40個百萬瓦時的中試線，在2017年完成卷式生產，接下來我們大概在2020年的時候會開始完成我們1GWh產線的試車，大概在2021年的年初會進行大量量產。我們所推出來的產品都會比TOYOTA稍微快一點，它達到450瓦時/公升，我們能夠達到680瓦時/公升。那剛才說的成組效率基本上大家都相同的時候，我們就會有一定程度的領先。

       最后是改善方向，這個就是我們的長項。可以再加強的部分，就是把我們隔層厚度再降低，降低我們的隔層厚度和增加我們的能量密度，同時增加我們的放電能力和充電能力，當然這個就是我們現在能量密度的表現。

 

       到2023年的時候會達到100% SiOx，其實我們現在實驗室基本上已經做到了400次，我們希望能夠做到800次，這個TOYOTA 2022年能夠做到Target 450瓦時/公升，我們已經做到了，這個就是我們的發展狀況。

 

       最后還是要提到，電池包和電池的目標，國標目標我們電池芯沒有辦法達到，因為我們的能量密度之后比較高的，但是如果加上雙極電池包這個架構技術，我們就能夠達到國標的目標，在2020年能夠達到220Wh/kg，2025年能夠達到300Wh/kg左右。謝謝大家！