蜂巢能源科技有限公司固態電池研發總監陳少傑出席論壇並發表主題演講——《全固態鋰電池技術研發的挑戰與思考》。
以下為演講實錄:
各位專家老師早上好！很榮幸有這個機會和大家分享交流，因為我之前在中科院工作過很長時間，後來加入了蜂巢，所以結合這兩個工作單位的工作經歷給大家匯報壹下。
首先，背景介紹。
固態電池主要有幾個優點:
1，固體電解質替代易燃易爆電解質，所以相對安全。
2.固體電解質的非流動性可以在電芯內部實現串聯升壓，壹方面可以降低電芯的封裝成本，另壹方面可以提高體積能量密度。
3.因為相對安全，所以在包級可以省去或者少用冷卻系統，進壹步提高了空間利用率。也被認為可以匹配更高電壓的正極材料，使鋰金屬負極成為可能。
由於這些優勢，它在國內外開展了廣泛的技術研究。就全固態技術而言，最具代表性的企業是豐田和三星。
從專利申請趨勢來看，其實從20世紀70年代開始，歐美就已經率先申請了聚合物電解質。自2000年以來，無機固體電解質材料已得到大規模應用，主要是在日本。
我國直到2010才大規模申請無機固體電解質，而且這幾年也呈現爆發式增長，可見技術的熱度。
業界對這項技術也有很高的熱情和關註。壹些非常著名的公司和偉大的公司，包括豐田、大眾、福特、寶馬、奔馳等。，已經投資並布局了這項技術。豐田計劃在本月的東京奧運會上展示這款采用全固態電池的概念車。
回過頭來看，固體電解質的種類很多，產業化嘗試有三種:硫化物、氧化物、聚合物。
就室溫電導率而言，硫化物較高，其次是氧化物，聚合物最低。
聚合物電解質全固態電池。
最典型的聚合物是PEO。壹般認為，氧原子和鋰離子是絡合、離解和絡合導電的。PEO結晶度比較高，所以室溫下自由移動體積比較小，電導率通常比較低，只有10的負6倍。
常見的改性方法是添加無機填料，包括傳導離子的快離子導體和不傳導離子的惰性填料。
通過引入無機電介質，可以形成兩個好處:
(1)利用路易斯酸堿理論可以提高鋰離子的遷移數。
(2)形成交聯中心，降低了PEO的潔凈度，提高了導電性和機械性能。
之前在這方面做了很多研究，總體來說電導率可以達到負四級10。
除了無機復合，還可以通過分子結構的設計層面進行改性，通過交聯、接枝、聚合等方式進行熱固化或光固化。遺憾的是，目前電導率仍然沒有超過10的負3，尤其是在室溫下。
在聚合物全固態原型機鋰電池的驗證中，我們曾經做過壹項工作。在磷酸亞鐵鋰極片表面直接塗覆小單體* * *，通過光或熱固化，構建正極和電解液的壹體化結構，降低界面阻抗。
可惜電解液的電導率比較低，柔性電池只能在60度以下才有更好的電池性能。進壹步利用聚合物的非流動性，驗證並實現了內部串聯結構。確實有可能在壹個封裝和壹個電池單元封裝中實現內部升壓。
產業化方面，弱雷技術有所涉及，包括3000輛出租車，以及近期在奔馳、奔馳的電動大巴上的應用。他們采用的生產方式主要是擠出和卷對卷批量生產。
整個電池單元使用磷酸亞鐵鋰作為正極，PEO作為電解液，金屬鋰作為負極。整個電池模塊不需要冷卻系統，整個電芯只能工作在60-80度。事實上，在這個溫度下，聚合物處於熔融狀態，因此缺乏壹定的機械強度。最近因為壹些絕緣短路事件被召回。
壹般來說，聚合物的優勢在於分子結構設計靈活，想象空間大。此外，其工藝相對簡單，具有良好的兼容性和穩定性。
挑戰在於鋰離子的傳輸性能還不夠高，尤其是窗口較窄，對鋰離子傳輸機理、動力學和宏觀性質的基本認識還存在壹些問題。
具有氧化物電解質系統的全固態電池。
這裏有很多專家。如果我錯了，請糾正我。氧化物的主要類型是鈣鈦礦、NASICON和石榴石。
鈣鈦礦型的典型代表是LLTO，通常具有較高的離子電導率，但其缺點是與金屬鋰接觸不穩定，可將四價鈦還原為三價鈦。
納西康的典型代表是LATP和LAGP。通常電導率只有10的負4倍，但穩定性好，電化學窗口寬，粉體比重比較輕。它的缺點也很明顯，電導率比較低，陶瓷電解質弱而不靈活，對鋰不穩定。
LLZO是典型的石榴石型，電導率高，可達10的負3倍，電化學窗口寬。但是合成價格比較高，而且比重比較大，薄片比較脆，在空氣中會有壹些副反應。
蜂窩能源積累了氧化物，包括粉末和陶瓷片，做了相應的研究。在氧化物全固態鋰電池驗證方面做了工作，以LAGP陶瓷片為電解質隔膜，以磷酸亞鐵鋰為正極，金屬鋰為負極，用PEO保護。
整個電池在60度的工作溫度下有非常好的循環，但是要把陶瓷片做薄，降低比重，是壹個很大的技術挑戰。
在產業化方面，氧化物的研究很多主要在日本和韓國，主要是因為他們在微型器件方面有壹些全固態電池的應用，包括傳感器和計算機芯片。
當然，TDL公司也采用有機和無機復合的方法制造軟包電池，也可以制造2安時和4安時的軟包電池，但是電池需要在比較高的溫度環境下工作。
右圖是前段時間非常流行的Quantum Scape技術。技術核心是把陶瓷片做薄，基本柔性，單體電池表現出非常好的電池性能。
我覺得還是很難把電池做大，所以氧化物穩定性整體來說是壹個非常好的優勢。面臨的挑戰是室溫電導率低，顆粒比重大，成膜性差，部分對空氣敏感，堆疊技術有壹定難度。
具有硫化物電解質系統的全固態電池。
硫化物電解質有硫-鋰體系，通常分為三元體系和二元體系。
1，三進制。
除了硫化鋰和五硫化二磷之外，還可以引入第三種組分，通常是硫化鍺、硫化矽、硫化錫和硫化鋁，以構建具有高電導率的三維離子通道。
但是硫化鍺、硫化矽這些材料價格非常昂貴，每克要400到500元，而且很多公司因為儲存問題已經停產，所以個人認為如果要產業化的話，控制這些材料的成本可能是壹個很大的挑戰。
2.二進制。
顧名思義，二元體系使用兩種原料:硫化鋰和五硫化二磷。硫化鋰占硫化物電解液成本的70%以上甚至90%，可以思考如何減少硫化鋰的用量來進壹步控制成本。
3、銀鍺硫化礦。
最典型的例子就是三星和日立造船的公開報道中使用的六磷酸硫鋰。
就制備方法而言，通常有球磨法、熔融萃取法、液相法和最近的氣相法。我認為這些都是很好的進步，可以從量產的過程中進壹步降低成本。
最後，我想提壹下硫化鋰合成的優化。事實上，由於整個產業鏈沒有形成，人們對硫化磷的合成方案並沒有太多的關註。其實硫化鋰的合成方案有很多。
從降低電解質材料成本的角度，壹方面可以優化原料硫化鋰的合成方案，實現規模化，完全可以做到每公斤9000元以下。進壹步結合電解液成分設計的優化，完全可以將成本降低到每公斤5000元以下，並進壹步利用規模效應降低到每噸654.38+0萬以下。這就是成本控制的思路。
當然也有穩定性。我們都說硫化物不穩定。在實際生產過程中，我們不得不面對溶劑的穩定性，包括幹燥室的穩定性。
我們以前的工作表明，通過選擇非極性溶劑和摻雜元素，可以在壹定程度上改善它。
至於鋰的穩定性，二元體系比三元體系更穩定，因為它是壹個可逆反應。此外，通過材料改性，如碘化鋁摻雜314體系，也可以顯著提高穩定性，同時通過界面改性，包括鋰金屬的保護等。，可以進行相應的修改。
在產業化方面，固體動力被廣泛報道，其采用傳統的鋰電池制備方法。據他們說，他們減少了註射、成型和排氣的所有設備和場地，計算的成本可以減少34%。
因為固態電芯相對安全，所以在電池組層面不需要冷卻系統，可以相應降低9%。整個電芯采用NMC三元高鎳系列，負極為高矽負極和金屬鋰，電解液為硫化物。
他們計劃今年的路線圖是340 WHr/kg和720 WHr/L，量產計劃在2026年，相信鋰金屬會晚於2026年。
硫化物最大的優點是室溫電導率高，質軟。挑戰就是穩定性差，這個真的很難，工程技術難度很大。
還有壹點經常被忽視的是，全固態電池在工作過程中確實需要外界的約束壓力。目前我們國內在這方面的研究比較空白，而日本從電池、模塊、PACK不同維度提出解決方案，可供我們參考。
接下來，我想向大家匯報壹下全固態蜂窩能源的進展。第壹，我們開發了電解質材料，在幹燥室內兩小時內可以保持96%的電導率，已經形成了100克的容量。
進壹步，我們還做了正極，開發了每平方厘米4 mAh的正極極片。室溫下0.1C充放電，首效可達96.3%，克隆量可達220。這個0.1C的速率完全可以接近現在的液位。
從循環來說，我們選擇了1/3 C的比例，從這個循環來說，目前可以有更好的循環，但是從放大倍數來說確實需要重點考慮下壹步。
同時，我們還想把極片做得更厚，使其成為每平方厘米5 mAh厚度的電極。不幸的是，第壹個效果已經下降，比容量也失去了。這是下壹個要解決的難題。
至於電解質膜，我們也是采用濕法鍍膜，常溫下厚度可以達到20-30微米，基本接近三星報道的數據。蜂巢能源在材料工藝、組件、器件、測試等方面都有積累，還申請了54項專利。
目前開發的是AH級全固態鋰電池。陽極采用三元高鎳材料，陰極主要采用矽基合金材料，電解液和電解質膜由我們自主研發。能量密度可達320 WHr/kg，安全性得到充分保障。它還通過了針灸和壹些切割和燃燒的演示。
第四，總結與展望。
氧化物、聚合物和硫化物都有各自的優缺點。我們認為，關鍵材料固體電解質的創新和突破是加速全固態技術應用的關鍵。我們也很高興看到鹵化物等新材料的出現，給了我們更多的選擇。
除了材料，還需要解決加工層面的問題，主要包括四個方面:
(1)改進了對材料和界面的控制。
(2)解決處理的挑戰和成本。
(3)超越先進鋰離子電池的性能。
(4)在不影響成本和能量密度的情況下，保持固態電池組的最佳堆疊壓力。
我們相信針對3C消費產品、特殊電池等應用需求的全固態電池會在短時間內實現，實際上在日本航天領域已經實現，全固態電池要滿足電動汽車的性能、成本和可制造性可能還需要更多時間。
作為壹家以通過創新前進、打造偉大公司為目標的企業，蜂巢能源願意繼續關註這項技術的發展。謝謝大家！