全固态锂离子电池应用于汽车动力装置的技术现状及前景展望

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

电动汽车可定义为采用高压电池与驱动电机提供驱动力来源的车辆。动力电池是电动汽车的动力来源，也是动力传动中的重要一环[1]。为了开发出高比能量的电池，需要使用高比容量和高电位的电极材质，锂有着摩尔质量小(6.94 g/mol)、比能量高(3.86 A·h/g)等显著优势，因此非常适合用作电极材料。

锂电池是以金属锂为负极的电池[2]，其固有优势包括工作电压高、能量密度大、工作温度范围广、放电电压平稳、储存性能好、自放电小等，成为电池界与材料研究领域的热门方向。

尽管一次锂电池的研究较为成功，自20世纪80年代以来得到广泛应用，但二次锂电池的开发却遭遇了较大的困难。尽管金属锂的沉积效率较高，但是以金属锂作为负极来制造二次电池仍存在诸多问题：

(1)金属锂溶解不均匀，导致部分锂会从主体脱落，形成死锂，致使电池容量下降[3]；

(2)沉积层均匀性差，导致锂电池内部容易产生枝晶，引发短路，安全性较差；

(3)其钝化反应会产生强烈发热现象，导致电池自身过热，并且锂自身熔点较低，可能会出现热失控现象。

为解决上述难题，提出了锂离子电池技术方案——以石墨、焦炭等可逆的碳材料代替金属锂作为负极。

1 锂离子电池的特点及分类

锂离子电池经过近年来的发展，其性能有了明显提升。该类电池的标志性特点是其体积比或质量比相比镍镉电池、铅酸电池等更高，总体性能亦是传统二次电池中最为优越的[4-5]。

而锂离子电池按照电解质溶液的状态可分为：

(1)液态锂离子电池，即传统的锂离子电池。

(2)聚合物锂离子电池。通常指电解质呈胶凝状态的锂离子电池[6]，目前聚合物锂离子电池已经得以商品化。

(3)全固态锂离子电池，该类锂离子电池采用真正意义上的固体电解质。

随着传统化石燃料的日渐枯竭，及其对环境造成的污染日益严重，使得对高性能锂离子电池的需求日益增强。曾经认为锂离子电池可实现的理论能量密度为250 W·h/kg，但是随着固体电解质材料等技术的不断发展，技术较为成熟的锂离子电池的能量密度仍有一定的提升空间，超出了当时的理论极限。聚合物电解质可作为传统液体电解质与全固体电解质之间的过渡产物。

2 全固态锂离子电池及其特点

不像传统的锂离子电池[7]，采用全固态锂离子电池在其制备工艺中并不会存在多余的电解质，因此更为稳定，也不会由于电池的过量充电、损坏或过度使用而导致危险[8]。新一代的全固态电池在其形状上可塑性更强，大大提升了造型设计的灵活性。并且易于与产品需求相匹配，可有效优化产品性能。

锂离子电池采用固体电解质可抑制枝晶锂的生长，此外还可有效避免液态电解质漏液的缺陷。采用有机电解质的传统锂离子电池，因存在过度充电、内部短路等异常现象可能会导致电解质过热，会导致自燃甚至爆炸。全固态锂离子电池采用固体电解质代替有机电解质，安全性大幅提升[9]。

全固态锂离子电池可被制成更薄(厚度仅为0.1 mm)、能量密度更高、体积更小的高能电池[10]。固体电解质具备良好的成膜性、稳定性、柔韧性、低成本等优点，既可作为正负电极间的隔膜，又可作为传递离子的电解质[11]。总体而言，全固态锂离子电池具备如下优势：

(1)工作电压高，使用时间最长，容量最高，如表1所示[12]。

(2)几乎可制成各种形状或尺寸的电池，可直接集成于电路中[13]。

(3)可充放电数千次，并且自放电速率较低，无记忆效应。

(4)自身性能较为稳定，同时其安全性较好。

(5)工作温度范围宽广，可在-20～125 ℃之间进行稳定工作。

表1 全固态锂离子电池与其他电池的比较[14]

3 全固态锂离子电池技术应用于汽车动力装置的研究现状

理论上全固态锂离子电池比传统的液态锂离子电池更适用于电动汽车。在车用锂离子电池的构件组成中，相当一部分附属部件并非用于储存能量，而是用于冷却及安全防护。以日产Leaf EV为例，如果采用全固态锂离子电池，电池组在同样质量为280 kg的前提下，可储存的电量达32 kW·h以上[15]，有效地增大了电动汽车的续航里程。

3.1 国外技术现状

早在2012年9月丰田的环境技术说明会上，丰田就已展示了一款全固态锂离子电池。该试制品电池以负极与正极，及正负极之间的固体电解质为1个单元，共有7个单元布置于层压薄膜中作为一个整体。每一个单元的电压约为4 V，整体电压可达28 V[16]。

近年来丰田公司对固体电解质材料进行了进一步改良，采用了硫化物类的Li10GeP2S12。此次改进加入了锗(Ge)，使其结晶形状更为规整，锂离子可呈直线状排列。此类含锗的新型固体电解质材料，可将锂离子的电导率提升至1×10-2S/cm。不可否认，目前丰田公司的全固态锂离子电池技术已位居世界前列。

日本新能源产业技术综合开发机构已于2018年内宣称，日本国内部分企业及学术机构将在未来5年内联合研发车用全固态锂离子电池，力争早日实现大规模投产。该项目预计总投资100亿日元(约合5.8亿元人民币)，包括丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，预计到2022年可全面掌握相关技术。

与此同时，德国宝马宣布与美国电池公司Solid Power联合研发下一代全固态锂离子电池汽车，目标于2026年正式进行推广。而日前，雷诺/日产/三菱联盟表示，预计于2025年推出使用全固态锂离子电池的电动车。

3.2 国内技术现状

近10年来，中国大陆也逐渐开展了对全固态锂离子电池的研发。早在2010年12月底，河北某新能源企业即在863火炬计划锂离子动力电池产业化项目的支持下，研发了从10～500 A·h系列的大动力全固态锂离子电池产品。其中该500 A·h的电池产品已在大连某客车公司生产的电动客车进行试用，取得了一定的成果。此类单体电池的循环寿命可达2 000次。

宁德时代、比亚迪、比克电池等国内知名企业及科研单位均开展了对固态锂电池的技术探索。宁德时代在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作，并取得了初步进展；中天科技集团与中科院青岛能源所签约开发高性能全固态锂电池[17]；中科院宁波材料所目前已在全固态锂电池结构设计及界面调控方面取得重要进展[18]。

国内在固态锂电池领域的技术水平与国外仍存在差距，但国内相关电池企业及科研单位对全固态锂离子电池产业的研发投产力度及项目推进速度则是处于世界前列的。但目前如要在汽车动力装置领域投入具体应用，并在2020年之前实现大规模量产，仍存在一定的技术困难。

4 全固态锂离子电池当前技术发展趋势及难点

目前全固态锂离子电池的发展趋势在于大力开发新型高性能材料[19]，对于电池正极而言，提升其比容量、降低成本并增强大电流放电的性能，使其满足电动汽车的动力需求[20]；对于电池负极而言，可对碳材料、非碳高比能量负极材料进行进一步研发[21]；在电解质方面，需对固体电解质作进一步的研发，使其具备高离子电导率的性能，并不断提升其安全性能，同时推进其实用化进程。

如上文所述，全固态锂离子电池技术开发的难点在于固体电解质电导率较低，这也是全固态锂离子电池并未得以大规模应用的首要原因[22]。

5 结论及展望

全固态锂离子电池具备能量密度高、使用寿命长、形状可塑性强、充放电次数多、性能稳定、安全性好、工作环境适应性强等显著优势，目前已广受关注[23]。全固态锂离子电池在国内汽车研发领域正处于高速发展阶段，但仍与世界知名企业存在一定的技术差距。全固态锂离子电池的当前发展方向在于开发新型电极材料，并解决固体电解质电导率较低的问题，尽管目前仍未大规模商业投产，但仍不失为一类充满前景的车用动力装置。