访南策文院士：锂电池远未触及“天花板”

文，本报记者，王伟

3月1日，四部委发布了《促进汽车动力电池产业发展行动计划》，对电池性能、容量、安全性、材料和设备提出了明确要求。面对100千兆瓦时的跨越式发展前景，行业应该如何面对“无穷无尽”的新技术？本报近日采访了中国科学院院士、清华大学材料科学与工程学院院长南希·温。他认为全固态锂电池将大大提高安全性和性能，但现有技术仍需不断改进才能实现产业化。未来，随着新材料的不断发现，锂电池技术和产业有着无限的发展空间。

解决安全问题的“金钥匙”

《能源评论》:2017年，随着电动汽车的迅速扩张，安全问题受到了前所未有的关注。你认为全固态锂电池比传统锂电池有什么优势？

温南希:简单地说，传统的锂离子电池是一种结构，其中的正极和负极由一个隔板隔开，并填充有机电解液。电解液容易渗出，特别是在正负极短路或过充电的情况下，会导致电解液快速升温、蒸发和分解，产生大量气体，从而导致电池的安全问题，甚至导致电池的燃烧和爆炸。

全固态锂电池利用全固态电解质发挥二合一的作用，替代传统电池中的隔膜和电解质，解决了安全问题。同时，采用全固体电解质后，金属锂可以作为负极，提高了能量密度。

安全是工业发展的关键和基础，也是电池行业生存的基础。能源密度是产业研发的核心，关系到产业的发展前景。从解决安全问题和利用现有材料提高能量密度的角度来看，全固态锂电池有望满足工业发展的需要，值得大力发展。

《能源评论》:在现有技术的基础上，安全问题能否得到更好的解决？

南希·温:提高锂离子电池的安全性有很多技术手段，比如电池管理系统。然而，电池管理系统是一种“治标不治本”的措施，而“治本”需要从电池材料本身开始。其中，陶瓷隔膜的使用是提高锂离子电池安全性的一个很好的方向。它是在隔膜的基材上涂覆一层纳米陶瓷(Al2O3)颗粒涂层，这增加了隔膜的机械强度和抗热收缩性，降低了正极和负极之间直接短路的可能性，从而提高了安全性。新一代陶瓷隔膜产品是纳米陶瓷纤维涂层隔膜(江苏陶青能源生产)，具有更好的耐热性等性能，对提高锂离子电池的安全性更有效。第二代产品是涂有活性陶瓷纤维的隔膜。使用陶瓷电解质纤维不仅可以提高安全性，还可以提高锂离子的导电率，从而提高电池的倍率性能。总的思路是通过陶瓷隔膜提高现有锂离子电池的安全性，并逐步发展到用全固体电解质替代隔膜和电解质，以彻底解决安全问题。

能源评论:从这个角度来看，全固体电解质是解决电池安全的“金钥匙”。根据目前的产业布局和研发，你认为该行业应该选择什么样的发展战略？

温南希:目前，法国的博洛雷、美国的萨基3和日本的丰田分别代表了聚合物、氧化物和硫化物固体电解质的典型研发方向。事实上，结合几种方法也是一种思维方式，例如，结合无机材料和有机材料。总的原则是在几个方案中进行尝试。未来更有可能的发展战略是缓慢过渡，逐步减少电解质的用量，例如从20%~30%减少到5%~10%，甚至0%，并逐步从半固态发展到全固态。

尽管目前的全固态电池是“远水解而不近干渴”，不能产业化，但业界一直在不断改进现有技术，以逐步提高现有电池的安全性和能量密度，如提高现有材料比、改善电解液性能、电池管理系统(BMS)等。

科研和产业化:从1%到100%

能源评论:你对全固态锂离子电池的产业化进程有什么期望？

温:对于工业化，国内的提法一般是在2020-2025年实现，也有专家提出争取在五年内实现工业化。只有大家共同努力，这个目标才能实现。当然，这也取决于工业化的标准、程度和规模。例如，据报道，德国的宝马公司的目标是2028年，日本的丰田公司还没有宣布其商业化的时间表，但它已经在全固态电池领域投资巨大，并一直在努力工作。

能源评论:未来，全固态锂离子电池将应用于哪些领域？

温:目前，全固态电池主要用于一些特殊行业，如航空航天、医疗等对安全有绝对要求的行业。未来在电力、储能等领域有很好的前景。

能源评论:作为一项新技术，全固态锂电池不可避免地存在技术不成熟和成本高的问题。你如何评价高成本是其工业化的最大瓶颈这一观点？

温:全固态锂电池的整体低倍率性能是一个需要慢慢解决的科技问题。成本不是最大的瓶颈。事实上，任何新技术或新产品的成本在开始时都相对较高。一旦生产技术成熟，产量增加，成本自然会下降。因此，成本是一个行业可以解决的问题，而不是学术界。

同时，实验室研究和产业化追求的目标是不同的。为了在研究中追求1%的可能性和可行性，我们可以通过不断的试错创新来发现新材料。只要有可能，甚至1%都可以使用。业界正在寻求99%甚至100%的可靠性和一致性，这一点也不差，所有方面都应该仔细考虑。因此，从1%到99%甚至100%，中间需要一个转化的桥梁和过程，需要从实验室和中试逐步完善，然后放大和成熟，实现完全控制。

发展没有“上限”。

能源评论:化学电池的突破依赖于材料科技的创新。从这个角度，你如何评价全固态锂电池的发展方向？

南希·温:与普通人的理解不同，锂离子电池不同于普通的电子元件，实际上是一个非常复杂的系统。例如，正电极和负电极与各种材料复合，电解质和隔板也可以是各种材料的混合物。

全固态电池看起来很简单，但也很复杂。例如，液态锂离子电池的正极层包含多种成分，例如正极活性材料、导电剂、电解质、粘合剂等。如果用固体电解质代替正电极层，由于在正电极层中没有电解质渗透，各种组分的混合比例和组合的问题将非常复杂。制造液态锂离子电池就像将沙子和水泥混合在一起铺平道路。加水可以混合石头、沙子和水泥。然而，在所有固体电池中，没有液体物质。如何解决固体与固体材料的界面问题，保证有效物质的活性，是一个巨大的挑战。

能源评论:你认为从磷酸铁锂、三元、高镍三元到全固态电池的技术路线将会有什么样的发展？

温:单个电池的能量密度应该达到300瓦时/千克，在现有技术系统上开发新产品并不困难。一旦超过400~500瓦时/千克，就更需要新的突破。从技术上讲，进化路线是根据时间来进行的，但不同技术水平的电池不是生死攸关的关系，可能是共存和共生的。这意味着在新一代电池出现后，其他电池不会完全淘汰，这可能是一个渐进的交替过程，可能会长期共存。以铅酸电池为例。虽然它的能量密度较低，污染较大，但到目前为止，铅酸电池还没有完全被锂离子电池所取代，发展相当不错。原因是它的成本低，它的安全性是可以接受的，它解决了回收问题，所以它一直与锂离子电池共存。不同的电池有不同的特性，存在于不同的适用领域。

能源评论:就能量密度而言，作为元素周期表中的第三种元素，锂金属电池理论上可以达到700瓦时/千克。这是电池能量储存的极限吗？

南希·温:当然这不是极限。电池的能量密度需要综合考虑正极和负极材料。如果发现新的正极材料，其比容量和比电压比三元或现有材料高得多，电池的能量密度也会增加。锂电池的极限，或者说上限，至少在技术上还看不到。如果必须确定相对极限，作为能量密度比当前锂离子电池高一个数量级以上的锂空气电池，可以将其想象为极限(理论能量密度约为3500瓦时/千克)，但700瓦时/千克不是极限。