中汽中心首席科學(xué)家王芳：固態(tài)電池當前面臨的挑戰及應對策略
4月27日下午，在第五屆新能源汽車(chē)及動(dòng)力電池(CIBF2024重慶)國際交流會(huì )上，大會(huì )主席/中汽中心首席科學(xué)家王芳，作題為“測評視角下的固態(tài)電池：探索與挑戰”的主旨發(fā)言。
圖為大會(huì )主席/中汽中心首席科學(xué)家王芳作主旨發(fā)言
以下為速記內容：
尊敬的成院士，各位領(lǐng)導、各位嘉賓，大家下午好!
實(shí)際上這個(gè)題目是張雨老師給我的命題作文，我也很忐忑，我說(shuō)講固態(tài)實(shí)際上我還沒(méi)有積累太多，但是前一段時(shí)間相關(guān)的一些領(lǐng)導和專(zhuān)家也在要求我梳理固態(tài)電池的測試評價(jià)和標準化的工作。我結合前面幾年測試的所有固液混合的電池經(jīng)驗，今天來(lái)淺談一下我在梳理過(guò)程中對固態(tài)電池的發(fā)展、它所面臨的一些挑戰和我們需要做的一些工作，簡(jiǎn)單地跟大家交流一下我粗淺的一些觀(guān)點(diǎn)。
總共分為三個(gè)部分，首先來(lái)談一談多路線(xiàn)協(xié)同發(fā)展的固態(tài)電池。
我用這一頁(yè)作為開(kāi)始，實(shí)際上伴隨著(zhù)新能源汽車(chē)這十多年的快速發(fā)展，我們能夠看到動(dòng)力電池技術(shù)的快速提升。我在2014年，在國際全球法規的制定過(guò)程中，中國在國際上率先提出來(lái)要求重視動(dòng)力電池的熱失控以及擴散防護技術(shù)的提升。這過(guò)程當中我們國內電池在不斷地進(jìn)步，尤其是在前幾年中，結構的創(chuàng )新我們能夠明顯看到。當然結構創(chuàng )新里面實(shí)際上包含材料的一些改性的提升。這是從2020年到2024年典型的電池系統，之前在一些會(huì )上我也跟大家分享過(guò)，每一個(gè)電池系統它里面的一些關(guān)鍵技術(shù)，當時(shí)給大家分享過(guò)，做了一個(gè)詳細的表格和魚(yú)骨圖。各家企業(yè)從材料的改性，到電芯的設計，以及集成，還有技術(shù)的管理，全方位地去提升電池的技術(shù)水平。感覺(jué)2024年動(dòng)力電池的熱點(diǎn)詞是材料的革新，也就是說(shuō)大家現在把焦點(diǎn)放在了體系的創(chuàng )新，也就是電池的固態(tài)化技術(shù)。實(shí)際上電池的固態(tài)技術(shù)里，我們可能看到的實(shí)際上除了引進(jìn)了新材料以外，隨著(zhù)新材料的引進(jìn)，新體系、新結構、新工藝都會(huì )在里面體現。
大家關(guān)注固態(tài)電池，一是希望利用固態(tài)電解質(zhì)代替傳統的液態(tài)體系，這樣能夠通過(guò)減少或者取消易燃的組分，實(shí)現更高的安全性。二是希望通過(guò)匹配高能的電極，能夠在良好的控制策略下實(shí)現電池綜合性能的提升。這些是大家的愿景，希望在安全和性能上能夠得到更好的提升，就像今天上午院士們和老師們跟大家分享的，希望能夠六維度都能有更多性能上的提升。但實(shí)際上我們在這過(guò)程中可以看到，它仍面臨著(zhù)非常多的挑戰，不妨從技術(shù)、測試角度看一看需要在未來(lái)這個(gè)產(chǎn)業(yè)想要技術(shù)快速提升和產(chǎn)業(yè)化方面面臨的挑戰是什么?，F在固態(tài)電池的路線(xiàn)，實(shí)際上有很多種。上午大家也看到了，包括硫化物、氧化物以及復合基這樣一些固態(tài)電介質(zhì)。每一個(gè)固態(tài)電解質(zhì)跟傳統的液態(tài)電解質(zhì)可能有相同的特點(diǎn)，它的熱穩定性，也就是說(shuō)以熱特征的這種安全邊界是明顯地拉大了，但是又會(huì )面臨著(zhù)一些液態(tài)電解質(zhì)所不具有的一些挑戰。所以我們可能在未來(lái)的過(guò)程中需要去攻克這樣一些問(wèn)題。
第二個(gè)想跟大家聊一聊，無(wú)論是固態(tài)電池還是其他的動(dòng)力電池，我們需要它滿(mǎn)足什么樣的性能，必須要考慮它的應用場(chǎng)景。對于車(chē)用動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，我們要考慮車(chē)，對于汽車(chē)來(lái)說(shuō)實(shí)際上無(wú)論是消費者還是我們從業(yè)人員，關(guān)心的點(diǎn)其實(shí)都是這幾個(gè)方面，性能、安全和壽命。大家希望有更高的續航里程，有快速的補能，也能夠滿(mǎn)足較高的安全需求。所以對于車(chē)來(lái)說(shuō)，它的綜合性能反饋到電池上就是我們對于電力電池的要求。動(dòng)力電池的要求包含能量密度、安全性和熱力壽命等。我們之前可能也會(huì )跟大家提，我們提出電力電池指標時(shí)，不談壽命，只提能量密度的指標說(shuō)明，肯定是不合理的，無(wú)稽之談。
所以我們可以看到，對于車(chē)用動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，必須要考慮車(chē)的場(chǎng)景。對于動(dòng)力電池的評價(jià)來(lái)說(shuō)，首先，一定是面向實(shí)車(chē)場(chǎng)景的綜合評估，包括實(shí)際路面的振動(dòng)，機械沖擊以及最近非常關(guān)注熱點(diǎn)的底部沖擊、底部磕碰。同時(shí)，另一個(gè)會(huì )場(chǎng)安全的討論，我們同事也跟大家分享，動(dòng)力電池標準目前正在修訂，修訂里關(guān)注的焦點(diǎn)包括熱擴散，包括底部磕碰，包括快速補能的安全。這里面我們團隊也關(guān)注并分析了大概1000多例底部磕碰的案例，去看到底它會(huì )面臨什么樣的挑戰，動(dòng)力電池應該滿(mǎn)足什么樣的要求。
另外一個(gè)是在熱的方面，也要滿(mǎn)足全場(chǎng)景的要求。包括外部的火燒，包括電池內部的單個(gè)電芯熱失控帶來(lái)的挑戰，除了熱以外，電的安全是也要考慮的。第二個(gè)電池的這種要求，它是全生命周期內，動(dòng)力電池實(shí)際上是個(gè)活的生物，它是個(gè)動(dòng)態(tài)變化的能源載體，所以我們必須在全生命周期內考慮它在健康使用的可用的這種評估，以及如果發(fā)生失控的可能性，必須評估當它能夠控制在安全可控的范圍內應用的狀態(tài)。另外，一旦失控以后如何把安全的風(fēng)險降到最低，而且對周?chē)奈：档阶畹汀?/p>
第三個(gè)特點(diǎn)，對于動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，車(chē)用動(dòng)力電池是全層級的，從材料到整車(chē)全層級的性能要求，也就是說(shuō)無(wú)論是材料層級還是產(chǎn)品層級，還是系統層級，還是整車(chē)層級，各自都分擔著(zhù)各自的安全和性能的要求。這是我們必須要考慮的。從這些角度來(lái)說(shuō)，我們必須得考慮固態(tài)電池在車(chē)上應用同樣也必須滿(mǎn)足這樣一些要求。
從測試來(lái)看固態(tài)電池面臨著(zhù)哪些挑戰。
首先，固態(tài)電池和液態(tài)電池的這些差異，也做了一個(gè)表格，看看固態(tài)電池里引用固態(tài)的電解質(zhì)，所以它的離子傳輸機制發(fā)生了一些變化，在固態(tài)電解質(zhì)的環(huán)境下，它的傳輸路徑會(huì )變得蜿蜒，它的傳導會(huì )變慢，同時(shí)特性會(huì )發(fā)生變化。昨天在北京開(kāi)了一個(gè)鋰金屬電池的應用研討會(huì )，大家在這里面討論得最多的可能就是有效地接觸界面的問(wèn)題，這在固態(tài)電解質(zhì)的應用下界面的接觸特性和副反應也是發(fā)生一些變化。
另外一個(gè)當我們從實(shí)驗室走向產(chǎn)品，走向生產(chǎn)線(xiàn)，走向最終的成品時(shí)候，不能忽略的是電池對于環(huán)境的敏感性。固態(tài)電池對于力和溫度的敏感性帶來(lái)了對于未來(lái)在電芯制造和系統的集成方面關(guān)鍵要考慮的點(diǎn)。
我們再來(lái)看看固態(tài)電池作為動(dòng)力電池所要滿(mǎn)足性能的綜合評價(jià)是什么呢，里面關(guān)注的比如說(shuō)固態(tài)電解質(zhì)，它的電子電導率的特征，使得在做成電池以后必須要關(guān)心弱電流的特性以及它的變化。它的敏感性導致在電池電芯的層面必須關(guān)心在不同的溫度下，不同的壓力狀態(tài)下，它的性能表現。另外還要關(guān)心在這種力的安全邊界，安全的范圍變大的情況下，它對于力的敏感性，帶來(lái)在車(chē)上使用的機械振動(dòng)等破壞下，它面臨的安全力學(xué)安全的可靠性，又會(huì )發(fā)生什么樣的變化。
對于固態(tài)電池的生產(chǎn)設計和制造來(lái)說(shuō)，它一定是一個(gè)多平臺去共同支撐、推進(jìn)的工作。比如說(shuō)需要在原材料的層面綜合地評估材料的整體參數和它制成電池以后材料的內部特性和電池的外部特性關(guān)系。同時(shí)考慮做成電池的過(guò)程中，它的界面特性以及比如說(shuō)硫化物的固態(tài)電解質(zhì)，它在制造過(guò)程中需要的等級壓的要求，以及到了系統層面電池層面綜合的熱力學(xué)的管理，以及借助AI以及機器學(xué)習的算法等，綜合提升我們對于固態(tài)電池的研發(fā)設計和制造的能力。
具體地來(lái)看一看材料層面。實(shí)際上，材料層面因為固態(tài)電池有新的材料引路，剛才提到新材料、新體系、新結構、新工藝，實(shí)際上面臨著(zhù)很多未知和需要解答的一些東西，對于材料來(lái)說(shuō)，我們必須要關(guān)注材料，比如說(shuō)硫化物等這樣的固態(tài)電解質(zhì)，本身這種特性以及與正極材料、負極材料進(jìn)行匹配的過(guò)程中，電池的外特性表現出來(lái)的最終綜合的性能和它的內部材料選擇以及匹配工藝適配性的關(guān)系，這是我們在未來(lái)固態(tài)電池設計和制造過(guò)程中必須要建立的一個(gè)龐大數據和綜合的設計能力。
界面層級，在固態(tài)電解質(zhì)電池里，正極側界面會(huì )存在著(zhù)接觸不良，界面反應力學(xué)失效，負極也會(huì )出現體積變化，界面層不穩定等問(wèn)題。昨天我們討論比較多，包括比如說(shuō)初始的電池剛剛制造出來(lái)，初始有效接觸面積，怎么能夠不斷地提高這種有效接觸面積，去提升它的致密性。另外就是在實(shí)際使用過(guò)程中，我們怎么能保持這種有效的接觸面積，這是在固態(tài)電解質(zhì)里面可能要求必須要下大功夫去解決的問(wèn)題。
到了電池設計層級，比如說(shuō)硫化物體系，典型的幾個(gè)體系，一個(gè)是硫化物體系。實(shí)際上，在電芯成型的過(guò)程中，就需要一個(gè)較高(幾百兆帕)的環(huán)境去制造，同時(shí)使用過(guò)程中需要有一個(gè)外部壓力的施加。將來(lái)真的能夠產(chǎn)業(yè)化裝到車(chē)上，必須要解決的問(wèn)題包含了從電解質(zhì)模本身的特性，比如說(shuō)必須要關(guān)心它的模量，不斷提高它的耐壓和耐變形，耐機械沖擊的能力，同時(shí)要關(guān)心材料的熱膨脹特性，去保障在未來(lái)外部環(huán)境溫度變化的情況下它能夠不受影響或盡量少受影響。到了單體的層級，我們是在想要把它用在車(chē)上，我們希望是什么?盡可能地少施加外部壓力，就需要提升電池的本身和模組的結構方面，通過(guò)內部設計去降低它對外部壓力/壓緊力的依賴(lài)，才有可能更好地用到電動(dòng)汽車(chē)上。否則這種使用環(huán)境對大家來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常大的挑戰。
所以在現有的鋰離子電池基礎上，可能在管理層面除了BMS的電管理和熱管理以外，要增加的是固態(tài)電池方面需要有個(gè)力學(xué)的管理系統。
在聚合物集的一些固態(tài)電解質(zhì)里面，它怎么能夠有這么大的外部壓力要求，但它也需要外部的壓力控制去提升界面的接觸面積的力化過(guò)程，降低它的力化過(guò)程，提升它的狀態(tài)。這過(guò)程需要關(guān)注整個(gè)溫度控制的能力，而且要關(guān)心的是溫度、倍率和力學(xué)這三者之間在使用充放電過(guò)程中耦合關(guān)系。所以如果想這個(gè)將來(lái)做更好的應用，對于溫度的環(huán)境管控是非常重要的。
另外一個(gè)就是安全，實(shí)際上安全還是關(guān)注的焦點(diǎn)。大家以前可能說(shuō)為了解決安全問(wèn)題，所以我們要用固態(tài)電池。但實(shí)際上到了今天以后，大家現在應該已經(jīng)很深度地理解到固態(tài)電池并不等于零風(fēng)險電池。固態(tài)電池除了比如說(shuō)熱失控的溫度梯點(diǎn)往后移，安全的熱邊界會(huì )擴大，但不代表它沒(méi)有邊界，這是我們之前做的一些，當然，澄清一下，這做的都是固液混合，不是全固態(tài)。做的過(guò)程中可以看到隨著(zhù)固態(tài)電解質(zhì)的增加，在各方面優(yōu)勢能夠明顯地看到，但它還是會(huì )有一些薄弱點(diǎn)。再看一看，我們對固態(tài)電池除了安全期待以外，還有能量密度的提升，在這樣的體系下我們可以想象的是，隨著(zhù)高能量釋放效率的金屬鋁、高鎳體系的加入，有可能發(fā)生什么樣的狀態(tài)呢?在做電池實(shí)驗時(shí)，絕熱的測試，可以看到電池的熱失控溫度，自產(chǎn)熱的溫度T1和熱失控的溫度T2的距離會(huì )怎么樣?可能會(huì )縮短。也就意味著(zhù)縮短的結果就是第二個(gè)視頻，第二個(gè)視頻也是固態(tài)電池做針刺時(shí)，沖過(guò)邊界或當固態(tài)電池使用一段時(shí)間以后，到了中期或者末期以后，當發(fā)生失控的時(shí)候它從T1直接跳到T2，溫度迅速升高發(fā)生爆燃，未來(lái)設計過(guò)程中可能也要考慮怎么樣去避免或者盡量地降低這種可能性。
對于全固態(tài)電池來(lái)說(shuō)，無(wú)論是安全性和性能要求，實(shí)際上也是全層級的，從材料到部件到整個(gè)系統，需要不斷地去尋找最合適的材料和電池的設計工藝，然后不斷地去提升電芯的制造和集成的能力，能夠達到最終的產(chǎn)業(yè)化目標。
另外一個(gè)我們也必須要關(guān)心的，剛才說(shuō)的作為電化學(xué)的系統，它還是會(huì )存在著(zhù)失效或者失控的可能性。我們必須要考慮到。因為新材料的加入，這種失效會(huì )產(chǎn)生一些新的機制。這種情況下我們必須關(guān)心，我剛才提到的因為高的能量釋放效率，這些材料的加入帶來(lái)能量的驟然釋放，包括爆燃，同時(shí)我們也要關(guān)心硫化物等等這樣一些新材料的應用帶來(lái)的有可能發(fā)生的一些新的形態(tài)。
上午老師分享了對硫化鋅的分析，認為它的安全遠遠低于安全釋放的數值。但大家肯定還是要關(guān)心，到底釋放的量會(huì )怎么樣，對于人員的安全防護，我們能不能夠做到，這是在未來(lái)的設計中，肯定前期要考慮到的問(wèn)題。包括后期氣體的收集，氣體的成分，以及發(fā)生爆燃或者說(shuō)失控的情況，爆炸極限和燃燒速度是什么樣的，這樣才能夠更好地在前期產(chǎn)品設計中做好一些規劃。
總之，根據我前期的一些測試分析，給大家做一個(gè)粗淺的分享，這是我們在過(guò)去的十多年當中建立起了從材料到系統，甚至到整車(chē)的一個(gè)完備的動(dòng)力系統測試評價(jià)的體系，我在前一階段梳理時(shí)，我們團隊也做了這樣一些分析，當面臨固態(tài)電池的這樣一個(gè)階段時(shí)候，我們在原有的動(dòng)力電池基礎上可能還要增加一些關(guān)注點(diǎn)，比如說(shuō)包括離子和電子帶來(lái)的電池熱電流以及能力保持的變化，包括熱學(xué)和力學(xué)耦合的情況下，它對力學(xué)對熱的敏感性帶來(lái)的對于電池性能的挑戰和適配性的挑戰，以及包括在有可能新增加力學(xué)管理系統的情況下，對于整個(gè)電池Pack的考核和考量，所以未來(lái)固態(tài)動(dòng)力電池測試評價(jià)的體系，還會(huì )不斷地完備。未來(lái)，也希望跟固態(tài)電池相關(guān)的從業(yè)人員和專(zhuān)家，能有更多的機會(huì )去交流，我們通過(guò)共同努力去支撐這個(gè)產(chǎn)業(yè)快速地發(fā)展。
這是我的分享，謝謝大家!
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