东风汽车金玲：固态电池汽车产业化应用

更新时间：2024-11-12 06:55:22  作者: 上海体育频道五星体育台在线直播_产品展示

  由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、新能源汽车国家大数据联盟联合协办的第二十届中国汽车产业高质量发展（泰达）国际论坛（以下简称“泰达汽车论坛”）于2024年8月29日至9月1日在天津滨海新区举办。本届论坛以“风雨同舟二十载 携手并肩向未来”为年度主题，邀请重磅嘉宾展开深入研讨。

  在8月30日“生态专场一：固态电池技术发展与产业化挑战”中，东风汽车集团有限公司研发总院先进材料与先行技术研究中心固态电池高级经理金玲发表题为“固态电池汽车产业化应用”的演讲。

  东风汽车集团有限公司研发总院先进材料与先行技术研究中心固态电池高级经理 金玲

  非常高兴代表东风公司受邀参加本次大会，代表东风集团分享一下我们的工作和对固态电池的认识。

  下面我的演讲从三个方面展开：第一，新能源汽车市场与行业背景；第二，固态电池发展现状及量产预期；第三，东风固态电池开发和整车应用的进展。

  从新能源汽车市场与行业背景来看，整个电池的发展始终围绕着高比能、高安全的痛点在不断迭代，从最早的1870年的铅酸电池，到中间的镉镍电池、锌锰电池、镍氢电池以及锂离子电池，和2020年之后出现的固态电池。从整个发展来看30年是一个周期，这个周期不仅包括技术的迭代，也包括工艺的迭代，让它能大批量应用。

  我们能够正常的看到电池的主要应用场景也从最初的消费电子到后面应用到动力电池，或者是低空经济这一块。再从锂离子电池的应用来看，能够正常的看到其实我们的祖国最早是在2009年左右，也是在行业学会、协会的领导专家的积极建议下，我国在国际上最早推动发布指导意见和国家政策，引导新能源发展。

  所以到目前为止，中国应该是世界上发布指导意见和政策最多的国家之一。能够正常的看到通过我们的积极努力，中国新能源汽车产业在世界上的影响力也慢慢变得大，包括本次会议的主办方中汽中心也是在汽车国际标准方面影响力慢慢的变大，牵头了慢慢的变多的国际标准，发出了中国声音。

  从销量上来看，2015年中国的新能源汽车销量已成为全世界第一。2013年、2014年的时候，我们国家新能源汽车销量是6000辆左右，到2022年的时候已经翻了1000倍，到688.7万辆，持续保持快速地增长的态势。到去年我们已达到了949.5万辆，而且新能源汽车已经成为了出口的新三样，为我们的国家经济做出了重要的贡献。

  同时我们也可以看到新能源汽车的市场渗透率也持续稳步增长。再看市场占有率这一块，前十大企业市场占有率已达到了72.3%，而且这前十排名里面能够正常的看到比亚迪，也就是中国的新能源汽车企业已经超过了合资企业，而不是像之前90年代合资刚引入的时候，市场上是合资车比国产车在消费者心中更受青睐。

  再看一下消费者购买新能源汽车始终存在的焦虑是什么。目前最主要的两个焦虑：第一个，安全焦虑。之前的专家在一些公开场合的报告提过，可能新能源汽车每8天烧1辆车，这些数据是根据国家的数据统计，所以新能源汽车消费者在购买时还有一点安全上的担心，具体原因后面会展开。第二个，续航问题。新能源汽车其实在十几年前刚刚出现的时候，它的续航里程是不超过300公里，经过这十来年的发展，随着电池技术的进步，中国新能源车续航大部分能达到300～500公里，或者是更高的续航里程。

  对于续航里程的突破最根本的还是依靠动力源即动力电池，目前实现产业化的液态锂离子电池的能量密度极限是300Wh/kg左右，续航继续提升还需要电池进一步突破能量密度。

  再从整体宏观的政府、行业的关注焦点来看，全力发展固态电池已经上升到国家战略的层面，包括美、日、韩等国都在做出相应的国家战略上的布局，中国也是在“十四五”期间明确提出要加快固态电池的研发。从国家重点研发专项来看，“十四五”期间也部署了多项国家重点研发专项，这里也向各位领导、专家报告，我们东风公司非常有幸在“十四五”的项目中拿到了一个全固态电池的国家专项作为牵头单位，在组织行业内一起来攻关。

  这一部分是国内外厂商的一个对标。从整个国内外动力电池的进展来看，欧洲还是以聚合物、氧化物、硫化物多条路线在并举开展。对于国内，主要是以氧化物、聚合物复合的路线在推进，率先搭载应用和量产。硫化物路线的难度大一些，所以目前量产的进度是要比聚合物、氧化物复合路线缓慢一些。东风目前也是在聚合物、氧化物路线方面进一步做相关的工作。

  现在对第一部分做一个小结。第一，液态电池是存在热失控风险安全和续航里程焦虑的，已经接近能量密度上限，这也是为什么一定要发展下一代的动力电池固态电池的原因。第二，固态电池从技术特点来看，它能提升电池的安全性，同时兼容高比容量的正负极，进一步打开能量密度天花板，所以成为动力电池下一轮攻关的重要方向，是下一代技术竞赛中的关键。第三，国内外整车企业、零件企业都在通过自研或者是联合开发实现布局，进入固态电池赛道，力争逐步实现固态电池大批量商业化。第四，东风目前在固液混合态或者是半固态方面已经有先行，蔚来、上汽等车企会陆续推出半固态车型。固态电池目前在技术和产品上还有些不成熟的地方，还没有完全进入商业化阶段，但是预计在2030年前后会进入商业化，并逐步具备经济性。

  从动力电池发展路线来看，包括高能量密度路线，还有低成本路线，对于储能电池我们的观点是因为储能电池对体积和大小的关注度没有像整车那么重要，因为整车的内部是一个有限空间内，有限空间内我们始终希望能布置更多的电量，这样我们能实现更长的续航，所以对于动力电池还是会以磷酸铁锂和三元体系的为主。

  从技术路线上来看，目前国内主要研究的是聚合物、氧化物、硫化物路线，但这三个路线其实各有各自的优缺点。聚合物路线的特点是柔韧性好，易大规模制造，但它的离子电导率相比其他几种电池是最低的。氧化物路线的离子电导率居中，但是它的难点是界面接触和柔韧性。硫化物路线是离子电导率最高的，但它的缺点是空气稳定性不好，会在生产制造中产生硫化氢等有毒气体。

  所以对于三种路线它的成熟度也不一样，就像刚才讲到的欧美企业是聚焦聚合物路线，国内大多选择氧化物路线，如果想产业化，可能氧化物、聚合物复合的路线是最先能进行搭载验证的。

  下面是讲到液态电池和固态电池的区别和优势，能够正常的看到刚才说到了这种安全问题，它其实就体现在液态电池里面的电解液它是可燃的、有机的电解液，所以它易发生热失控，易着火，所以它的安全性确实和固态电池本质上存在差距，所以我们说固态电池是具有本征安全性，因为它中间是用的不可燃的固态电解质，具有高稳定性、高安全性，而且像固态电池它的热稳定温度也是要比液态的高。同时通过电解质和正负极的匹配，能实现更高单位体积内的包含的能量，突破350Wh/kg。

  刚才说到了各种不同电解质的热稳定性比较，可以看到液态电池的热稳定性温度大概在200度，但是像聚合物、硫化物、氧化物这一块可以看到，氧化物在这几种电解质里面的热稳定性温度是最高的。

  对于固态电池从实验室到量产面临的四大挑战，我们认为主要包括四个方面：第一，高性能的正极材料，要开发高容量、高效率的正极材料；第二，复合电解质膜，开发出高电导、高强度、高界面稳定性的电解质膜；第三，高性能的负极材料，也是围绕着高容量、高材料稳定性来开发。第四，固态电池的工艺，工艺这一块涉及到聚合物、氧化物复合路线，它的工艺是能兼容部分目前的工艺，但是对于硫化物来说它的工艺需要更多的创新和突破。

  下面具体展开来看。第一个挑战，在正极来看，正极短期还会继续沿用高镍体系，但是镍比较活泼，安全性差，是容易发生热失控的。长期向超高镍、高压尖晶石、富锂锰基等材料迭代。

  在高压下，三元正极是容易产气失氧，这样会导致电池的鼓包，在我们正极材料企业也在研究大的单晶化和氧化物的包覆，像LTB、LZO，就包括正极，来进一步提升材料的性能和我们整个电池的单位体积内的包含的能量。如果不做单晶化，单晶化程度低是容易造成结构坍塌、颗粒粉化，影响我们的电池寿命。所以我们主要的改性策略就是提高单晶化和功能性材料的包覆。

  第二个挑战就是我们说固态电池的核心固态电解质，对于固态电解质来说首先它材料也是关键，另外是它的固固接触。第一个难点是固固接触会导致我们锂离子传输电导率低，第二影响我们的电池单位体积内的包含的能量。最后是从工艺上来讲，目前要制备20微米以下的电解质膜，从工艺和成本来说还是有一些问题需要攻关，这也是为什么咱们的国家项目里面在提到电解质膜的时候也会说更小的超薄，越薄越好。

  能够正常的看到围绕这一块，我们需要做的一些工作也主要涉及到新工艺和新材料的开发，还有我们刚才说的固固界面的接触。

  从负极来看，其实目前主要行业研究两个方面：第一个，高能量硅负极材料。第二个，锂金属负极材料。

  对于硅负极材料，有三个痛点。第一，因为硅的体积膨胀很大，可以高达300%，它会进一步导致材料的粉化和分层，最重要它会导致电芯的膨胀和鼓包。从整车的应用端来讲，实际我们研发中为了抑制膨胀，或者是吸收膨胀，在电池包的结构设计上可能就要放一些材料和它又能隔热，还能进行呼吸来吸收它的膨胀。但是这一块会进一步影响整个电池包的承阻率，这不管是电池企业还是整车企业都是后面需要关注的问题。第二个是硅导电性差，一般硅我们都是硅碳复合，包括现在有第三代的硅碳复合材料提高我们的导电性能。但是导电性也会涉及到一个负反应和库仑效率的变化。第三就是硅颗粒的易粉化失去电接触，它整个库仑效率和电性能也会降低。主要的解决策略包括多孔硅，通过这种核壳结构，让它在核壳里面进行限域的膨胀。另外是新型电解添加剂的设计，构建一个稳定的SEI膜界面层。

  第三个挑战，从超薄锂金属负极开发来看，锂金属负极可能不仅仅是刚才说到硅负极的膨胀问题造成界面失效，它还涉及到锂枝晶的生长，活性锂也会不断消耗，整个锂金属的稳定性会变差。

  对于锂金属因为我们要制备超薄，目前锂金属负极的工艺设备和限制，导致超薄锂金属的制备还不是那么容易，国内能制备的企业也不是太多。对于锂金属这一块的主要特点也包括两点：第一个，通过负极锂金属这一块的合金化的设计；第二个，这些已经消耗的锂能不能通过死锂活化进行修复。

  第四个挑战是从工艺来讲，固态电池的制造工艺还需要优化，生产设备部分需定制，这就涉及到刚才说的我们聚合物、氧化物复合路线的设备可能大部分能沿用现有的产生设备，部分进行改造，但是对于硫化物路线它会涉及到一些新的设备。对于整个产线亿元，固态电池它的产线成本应该会比液态电池更高。

  从电池本身的生产成本来看，这个数字我也是最新更新的，前两年我们当时查的还是磷酸铁锂是550元/kWh，三元是680多元/kWh。目前不管是汽车行业还是电池行业都很卷，随着上游原材料价格的下降，目前像磷酸铁锂的价格可以做到300、400元/kWh，三元是500元/kWh。对于头部大规模量产的企业，像比亚迪、宁德时代，他们占据了动力电池的前列，他们的成本能进一步做到3毛多、4毛多。

  如果在这种情况下，其实对于固态电池的应用又提出了一个新的线万元以下的车，还是非常讲究电池的性价比，对于整车性能的匹配。所以对于固态电池整个全行业来说，除了性能的提升，也要围绕着成本做更多的工作，来助力我们整个固态电池去大批量应用。

  这一块也是根据咱们国汽战研院和学会的总结，整个固态电池从技术指标、成本、量产预期来看，东风是在2022年1月全球首发了E70固态电池开展运营，后续国家从各种政策和国家项目上都有应用导向来推出固态电池的样车。我们也是根据这个预测，到2030年左右，能在国内实现固态电池小规模量产。

  这一块的小结我不细说了，主要是比较了各种电解质的优缺点，目前液态电池难以突破单位体积内的包含的能量极限，对固态电池来说半固态电池已经率先进入了产业化阶段。

  东风是在2022年1月和赣锋锂业合作，推出了固液混合态的锂电池整车公告。我们目前的这几十辆固态电池的E70示范运营已经突破了180万公里，安全及质量都没问题，同时我们也有大数据云平台在对这些车辆进行监控。

  这部分的工作也是在集团整个“十四五”战略转型，还有研发总院史建鹏院长的领导下开展的突破。这项工作也是得到了国内包括中国汽车报、学习强国、湖北日报、汽车商业评论等媒体的多轮宣传，我们整个团队在新技术上的突破也是获得了全国的创新大赛的银奖。

  对于固态电池的研发和应用搭载的推进，东风会从材料体系、电芯研发、整车集成设计方面一体化推进高比能固态电池的逐步成熟和整车应用搭载，实现我们1000公里的续航。

  第一，汽车产业在电动化转型的背景下，市场和政策的双轮驱动，其实现在更多的是市场驱动，会使我们电池，特别是固态电池成为企业竞相布局的战略制高点。

  第二，固态电池在材料和制备工艺方面还存在待突破的技术难点，随技术进步和产业高质量发展会有望实现大规模量产。

  第三，东风在固态电池开发及搭载应用上已经有一定基础，我们将逐步实现我们固态电芯自主可控，迭代开发高比能固态电池产品，助力东风新能源跃迁。