辉能科技杨思枬：固态电池在电动车市场商业化可行性与产业化时间-产业资讯

辉能科技杨思枬：固态电池在电动车市场商业化可行性与产业化时间

NE时代

阅读 833 更新于2019-10-25 08:22:04

在2021到2040年期间，介于液态和全固态的混成固态，有望达到高安全性、高能量密度和低成本的可能性。然后再慢慢转进，形成一个全固态状况。

本文为NE时代和同科芯能于10月16-17日联合主办的"2019中日韩下一代新能源汽车电池技术大会"演讲嘉宾的现场实录。

演讲人： 辉能科技股份有限公司CEO杨思枬

演讲主题： 固态电池在电动车市场商业化可行性与产业化时间

辉能科技专注固态电池13年，一开始我们的产品基本上像温教授所说，是用软性电路板为电池基材，就是所谓的软性电子、软性电池的部分。我们把软性电路板和陶瓷电池整合在一起，既然软性电子要穿在身上，一定要非常安全，当时的想法一开始只是想用一般的聚合物来执行，后来发现聚合物的电池还是有很多风险，所以在2006~2008年公司初创前期我们选择了氧化物作为电解质系统，从2008~2012年我们花了很长时间进行研究，在2012年日本电池展时正式展出我们的电池。那时候的倍率状况是1C放电大概只有50%~60%，但至少室温可行。

2012年以后，我们接到了一个订单，来自于HTC。我们是全球第一个生产氧化物固态电池、同时在市场销售的一家公司。因此，欧洲两家车厂买了HTC产品，取出我们的电池，做了逆分解之后觉得我们电池非常安全，就说我们电池很不错，很安全，但是有一个很大的问题，电池阻值超级高，大概是一般电池的15~20倍，这样没办法在动力电池上执行。我们从头到尾都没有想过在动力电池上执行，有这样的机会点，我们就朝向混成固态的部分去思考。

我们一开始是全固态，后来反而往混成固态上走，重新做了很特定的设计解决这个问题。我们并没有觉得它一定能够成功，2016年底把这个产品交给了欧洲车厂做测试，得到了比较有趣的反馈:第一、我们的阻值ACIR降到跟现在现行锂电池差不多，DCIR还是有2~3倍的差距点，这我们会持续修正。第二、安全性没有太大的变化。

今天的题目是产业化的概念，产业化必须要思考2020~2040年的前景。因为安全性的问题，产生了比较大的困扰，这时候在能量密度的提升必须得跟安全性进行妥协。这个过程当中就产生了一些缺陷，从NCM811的状况来看，现在多数都已经开始在导入，但是真正大量量产的时间点在很多研调单位提到的大概都在2025年以后，才会把现行的622多数转换为811，转化比例大概50%而已。刚才温教授提到锂硫电池和锂空气电池，是最终极的状况，它们的能量密度非常高。当然这些技术还是有很多问题点，所以产品技术要到2040年以后才能商业化。

因此在2021到2040年期间，固体电池可能会是一个比较好的解决方案。我所谓的固态电池采用的是混成概念，再慢慢转进，有机会形成一个所谓的全固态状况。混成是介于液态和全固态的解决方案，有可能达到高安全性、高能量密度和低成本的可能性。

简单介绍一下现行主要的固态电池技术路线，我想thinfilm battery大概大家都知道它已经走不下去了，连Dyson自己都放弃造车、也放弃Sakti3，主要就是在量产性上面的问题点。如图，固态聚合物量产性很好，但导电需要加温，稳定性也相对不好，必须有电压的限制，所以只能用到LFP的状况，电池包因为要加热，成组后的能量密度并不好。其实电芯能量密度并不代表电池包的能量密度，电池包如果复杂设计的话，它的能量密度相对来讲就会低一点，能量密度低的情况下，没办法跟后面的氧化物和硫化物做对比。硫化物和氧化物厚膜技术目前看起来应该是比较主流的路线，以导电度来看，硫化物可以做到导电度10的负2次方，主要问题是稳定性。界面稳定性相对比较差，它跟正极、溶剂、binder都必须用非常独特的东西来做。最麻烦的地方在于它的含水量，非常容易吸水，会产生去水和HS的问题。所以硫化物需要在负80的dewpoint情况下执行，氧化物就相对容易得多。但是氧化物有它的问题，第一就是导电度，10的负3次方界面导电度比硫化物和聚合物差，物理接触面积、也就是覆盖性是氧化物非常大的问题点。另外，它非常硬，造成它非常容易产生内部短路问题、破裂问题，造成量产性变差。

我们公司从2008年开始执行这个部分，不断地做一些克服，像内部里面的极层破裂，我们用microcell技术解决，界面内阻以ceramion技术解决。

原则上，2018年以前氧化物真的发布执行的人很少，但之后大幅度地跳跃。像QuantumScape2016年以前是固态聚合物技术，2017年之后改采氧化物厚膜技术。至于TDK, FDK, NGK本身是烧结型全固态电解质，但很可惜的是容量太小无法做到动力电池，而现在国内的其他可敬的对手，像清陶、卫蓝、锋锂等，早期都不是做氧化物的，之后陆陆续续投向氧化物的怀抱。我们也理解到，氧化物可能初期很难开发，但是后期在量产上有它的好处。

接下来是全球研发固态电池的厂商分布地图，在不同的技术架构状况下，做氧化物越来越多。另外就是量产时间点，现在看起来大概只有两家公司有提出，一个是丰田，另外一家是我们。我们也必须要讲，我们两个的路线虽然在主要的固态电解质系统来讲有相当的差距点，他们是硫化物，我们是氧化物，他们是全固态，硫化物不能做成混合固态，问题点会比液态电池更多，我们第一代氧化物属于混成固态的概念，但是我们选择的正极是三元系、选择负极是Graphite+Sillion oxide，封装技术跟他们有相同的模式，这部分代表的是我们在路线上是非常相近的。

再来这是我们主要的两个核心架构技术，一个是锂陶瓷电池，一个是MAB。固态电池基本上从固态电解质材料，进入电池芯的设计，最后到电池包的设计，全套都应该要为了固态电解质全新做设计，这样的解决方案才是固态电池能够在产业界里面执行的最重要的原因。 MAB，因为它是直接内堆叠的方式做串联，不是用外部串联的方式，所以以欧姆定义来看，电子几乎没有移动距离，电池的移动面积非常大，所以阻值非常小，不但不会增加阻值，还会降低阻值，所以它的产热会少，同时冷却系统也可以做一个简化。固态电池不是不用冷却，我们不但要用冷却系统，还加上MAB。MAB可以这样看，假设这块是整个电池，我们把这个电池再切小一点，让它的边缘可以进行散热，因为太大片电池，中间的热无法传出，这样的状况就缺乏了垂直串联的可能性，所以我们开发了一个技术——横向串联。这就是我们今年得了爱迪生奖Edisonaward金奖的创新发明技术。

其次是产业化，产业化第一个一定要有基础技术开发，第二个是产品商业化，所有电池性能满足市场需求之后，才会进入到产品产业化，到中试线、到量产线。这是现阶段的状况，一开始我们的初心就是为了安全，接下来持续利用片状生产的样片线持续做开发，让我们的产品商业化达到水准：三大刚性需求和三大弹性需求，这部分原则上是新能源车最重要的需求点。商业化之后才确立卷式生产的中试线，最后到量产线。

三大刚性需求的第一点是高安全性。这个问题点是，氧化物跟硫化物跟固态聚合物在材料本质上还是有差别的，像硫化物在HS是有可燃性和毒性的，这些都是很大的问题。那我们的氧化物电池首先是在一千度左右下，离子导通能力变化不大，接着这张是单纯正极放热峰和涂了氧化物电解质的正极放热峰比较，因为有了氧化物这层之后，放热峰基本上缩小，而且是往后移。

再来是固态电解质的隔层，用固态电解质所形成的隔层，即使在300度C的高温下，它的尺寸也没有变化。且高压电阻值维持相当的状况，非常高的水准，持续在300度左右的时候，都能够有很好的阻绝效果。回过头看这个液态电池热失控的说明，最大问题点在图上的2和4。 2是140度C时隔离膜溶化，正极和负极接触在一起，把整个电池容量释放出来。所有液态电池都有隔离膜，一旦有隔膜就会产生这个问题，所以现在多数的高温thermalrunaway测试，例如 Oven test，大概只有130度，不管是UL认证、PSE认证等等都是一样。而图上的4，正极和液态电解质一接触会降低triggerpoint，所以像NMC811在180度C就会分解，一旦分解会产生大量氧气和热量，产生热失控。对比右图我们电池，4的部分，这边有一个小小的peak放热峰，但那个peak不在180度C，在230~240度C，我们温度有往后延，peak量也小。再加上电压下降幅度也很小，一直到280度的状态下，它的电压值只是稍微下降，并不是一个立刻猝死的状况，安全性从这边可以看的出来。

下面这些全部的测试都是由欧洲车厂测试出来的，全部都是EUCAR测试的Harzard level 2到3级。有做60度C、5C10V的过充测试、有做60度C的高温针刺测试，这些被针刺的电池都是12安培到20安培大小的状况。这是oventest的状况，一家公司用program分阶段到200度，另外一家是直接跳到200度的测试。另外这是中车他们希望能找到非常安全的电池，所以要我们直接做跳到300度C的测试，结果显示这个电池没有发生任何问题的状况。

安全性总的来说，第一必须容量要大，第二必须是量产产品，像上述测试的电池就是由我们中试线产生出来的，第三它安全性必须高于液态电池非常多。三大刚性需求的第二点是高能量密度，由于固态电解质的密度较高，所以固态电解质如果采用相同的活性材料，基本上电池芯能量密度没有办法跟液态电池相比，必须用很高的材料才能超过液态电池。如图，我们在NMC811+Graphite能做到240Wh/kg，差不多等于CATL的NMC811+Graphite液态电池的比能量，液态电池不需用到Si负极就可以做到。而这是我们另外一款电池，用了100%Si就能够做到330Wh/kg。上述2款都是混合固态，最后一款是全固态的，把Li-metal和NMC811加起来就能够做到383Wh/kg。但是330Wh/kg 的纯Si负极电池cycle 只有400-500次、383Wh/kg锂金属负极 cycle 只有260次，所以这两款还不是商业化产品，真正商业化产品应该是240Wh/kg这一款cycle也高的状况，它还有机会。

这个是我们现在的路谱概念，我们有第一代固态和第二代固态的状况，能量密度会持续提升。除了从电芯增加能量密度之外，我们也试着从电池模组增加的方式来做，这点丰田有相同的做法。丰田第一代量产电芯是450Wh/L，乘75%的体积成组效率，希望电池包能做到338Wh/L的状况。特斯拉现在电芯是715Wh/L的密度，乘33%的体积成组效率，得到236Wh/L的电池包。所以丰田就算电芯只有450Wh/L，在高成组效率状况下电池包能量密度还是得到了很大的成长空间。那辉能2020年电芯路谱543Wh/L乘上75%的体积成组效率，电池包可以做到407Wh/L。这部分的成组效率是一个非常重要的点，而BiPolar双极电池技术在这上面有一个很大的贡献。

谈到三大刚性需求的第三点成本问题，刚才提到要用更高利用率的活性材料才能达到更高能量密度，但伴随的另一个问题点是这个材料非常昂贵，另外这个材料供应量非常少，这时候要进入到巨大的市场，其实这百分之百是个悖论，根本不可能发生的状况。刚才丰田的路线也给我们指出了另外一个方向，就是把三个技术合并在一起，电芯材料、电芯加上电池包技术，整合在一起，就会有戏剧化的变化。如图表，假设活性材料完全相同都是NMC811+Graphite，液态电池芯245Wh/kg乘上73%，电池包有175Wh/kg，我们电池芯只有215Wh/kg，乘上成组效率82~85%，我们能做到176~183Wh/kg电池包，如果是体积能量密度530Wh/L，成组效率70~75%，我们电池包能达到397Wh/L，优于液态电池包的307Wh/L。即便用的活性材料相同，但我们可以利用成组效率方式，来加强电池包的能量密度，而多数车厂实际上要的不是cell的能量密度，而是pack的能量密度，另外因为MAB可以简化冷却系统(不是不要，是简化)、简化BMS系统、简化保护材机构，所以MAB Pack成本仅占一般传统封装方式的七成。而当固态电池产能达到10GWh到20GWh时，我们的成本就可以跟现在的液态电池接近。

最后是三大弹性需求。现在的放电能力和充电能力来看，我们跟液态电池比较，2C和3C表现差不多。之前有提到我们在高温60度C下也没问题，所以在快充过程中电芯温度上升也没关系，4C15分钟可以做到98%，5C 12分钟可以做到91%的状况，所以快充也是有机会做到。在循环寿命上来讲，如图，对标现在的CATL和三星SDI的数据，我们0.5C/0.5C有1800次，1C/1C有1300次，0.5C/2C 也有600~700次。高温60度C循环方面，我们可以做到500次83%的状况。那从2C和4C快充循环寿命来看，循环800-900次曲线几乎还是平的。使用寿命部份，这个是日本厂商做的测试，它认为我们是最稳定的电池，因为可以看到在60度60天放置，得到的retention值90~95%，最重要的这个DCIR值几乎完全没有增加，这表示基本上在高串状况下，不会因为DCIR变化造成很大的充不饱放不完cellbalance上的问题点。其次是高低温的操作，也是非常宽广的，充电可以从负20度到85度C，放电可以从负40度到85度C (负40度只有在0.05C到1C下可以做到)。另外储存温度是负65度C，高温储存可以到85度~105度C。

最后看一下产业化的状况，我们需要商业化后才能完成材料、设备、工艺的确立，这是我们跟一般电池的差异点。重点是，我们需要有2907个控制点才能够执行完成。最后是良率状况，良率92%，cyclelife非常稳定，一致性够高。最后就是要进入产业化了，这个是我们在今年2019年到2021年的最终目标。我们在固态电池上来讲是有机会可以持续执行下去，也谢谢大家，希望各位前辈各位同伴们也好，国内也好、国际也好，我们非常希望大家一起努力，能够把固态电池推到一个高点，同时候让我们可以提出更好、更安全的产品给全世界的消费者使用，谢谢。