新材料●新能源●低碳环保】 2018 第六期 固态电池竞争激烈？细数宁德时代、天齐锂业、赣锋锂业等国内企业进度；南策文院士：锂电池远未触及天花板，全固态锂电池任重道远！ 科研人员攻克镁电池技术难关【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第六期 固态电池竞争激烈？细数宁德时代、天齐锂业、赣锋锂业等国内企业进度；南策文院士：锂电池远未触及天花板，全固态锂电池任重道远！ 重大突破！科研人员攻克镁电池技术难关！ 2018-04-10 张江发展战略研究院 采编 | Paul 微信 ID | rdryaobd 微信| （ID： 业界风云 固态电池竞争激烈？细数宁德时代、天齐锂业、赣锋锂业等国内企业进度 未来电池的技术路线是什么？“肯定是固态电池。”一位业内技术大咖如是说。 固态锂电池从 20 世纪 50 年代就已开始研究。只不过早期固态锂电池的电化学性能、安全性、工程化制造方面一直无法满足应用要求。随着近年来固态锂电池在技术上的接连突破，颠覆传统技术的固态电池终于被正式搬上了台面，进入到大众视野中。
不久前，由福建省招标采购集团投资建设的、国内外首创的单体大容量固态聚合物动力锂离子电池一期项目正式投产的消息，更是引爆了这一话题。 据锂电大数据记者不完全统计，已有多家企业加快了固态锂电池领域的布局。 天齐锂业 3月24日，天齐锂业年报披露，其香港全资子公司于2017 年12 月使用自有资金1,250 万美元，参与了SolidEnergy 的“C 轮优先股”融资，投资后持股比例为11.72%，SolidEnergy 位于美国马萨诸萨州，专注于开发具有超高能量密度的超薄锂金属负极电池（固态锂电池）。 据悉，天齐锂业投资的电池公司 SOLIDENERGY 电池能量密度达到了450WH/KG。天齐锂业提前布局下一代电池技术，有助于公司及时调整锂产品结构，稳固锂产品龙头的地位。 赣锋锂业 3月20日，赣锋锂业在互动平台表示，公司固态锂电池中试生产线选址在宁波，已通过多项第三方安全测试，争取今年年底完成中试线的建设。其RIM股权收购仍在商谈中。
2017年12月6日，赣锋锂业发布公告称，计划以不超过2.5亿元投资建设第一代固态锂电池研发中试生产线。且固态电池专家、原中科院材料所研究员许晓雄博士与赣锋锂业达成战略合作协议，目标在3年内实现固态锂电池产业化。 福建巨电 3月18日，由福建省招标采购集团投资建设的，福建巨电年产6．4亿瓦时动力锂电池一期项目正式投产。国内外首创的单体大容量固态聚合物动力锂离子电池，目前已经通过了权威检验检测。 该集团已先后控股了河北神州巨电新能源科技开发有限公司、旭成（福建）科技股份有限公司等企业，并和徐州空港经济开发区达成初步协议，将在徐州投资设立江苏巨电新能源股份有限公司。 珈伟龙能 3月15日，位于如皋开发区的珈伟龙能固态储能科技如皋公司正式投产试运行。新研发的电池充电时间和破坏性测试结果显示，这种新型电池完成一次充电仅需5分40秒，即使被三枚铁钉深深击穿，电池也没有出现燃烧爆 炸现象，仍然在正常工作。 目前，珈伟龙能一期已投入试生产，二期项目于2017年10月开工，预计在今年6月20日左右完成建设。该项目采用自动化生产线，生产效率将更高。 威马汽车 2017年12月22日，中国的新兴车企威马则与台湾固态电池开发商辉能科技合作，并于2018年共同兴建5GWh的固态电池厂，预计于2019年完工投产。此外，还有多家国内电动车企业正在与辉能科技接触，未来或将进一步铺开锂陶瓷固态电池的量产。 坚瑞沃能 2017年12月13日，坚瑞沃能在互动平台上称：坚持三元锂电池、储能以及固态电池的研发。关于全固态电池，沃特玛储备的全固态电池技术，“10Ah能量密度高于800Wh／L”。但是技术均不太成熟，全固态电池离真正产业化尚需时间。 沃特玛到2025年产能规划在25GWh以上，技术路线以磷酸铁锂为主,三元锂电和全固态高能量电池做技术储备。 宁德时代 据悉，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，能显著提高硫化物在空气中的稳定性。
目前，宁德时代所生产的电池系统能量密度已经能够达到160Wh/kg，而其正通过研发固态电池技术，使电池组体积更小，加强电动车续航能力。 江苏国泰 公司控股子公司华荣化工正在研发固态电解质，其跟踪研究锂硫二次电池电解质取得突破性进展，但锂硫电池还未进入产业化阶段。 其他 此外，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；当升科技在固态电池材料和富锂锰基材料等新一代正极材料方面积极进行技术研发储备；科恒股份公司也在相应研发固态电池正极材料…… 而亿纬锂能、星源材质、国轩高科、新宙邦、天赐材料等多家企业均在互动平台表示，在固态电池领域有研究。不过，大部分公司的试线并无具体产能要求，主要用于产品验证与开发。
总结 1、国内企业在固态锂电池领域的技术，大多处于积淀阶段，且国内排名前列的电池及相关企业都在推进技术储备力度；2、中国动力电池产业将全固态电池作为主要发展目标之一，对固态电池领域极为重视；3、各大企业积极开展固态电池的研发和投产，预计2020年为主要阶段，正式投产、应用于动力汽车上的步伐已悄然临近。 技术洞察 南策文院士：锂电池远未触及天花板，全固态锂电池任重道远！ 3月1日，四部委印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，对电池性能、产能、安全性、材料和装备提出明确要求。面对1000亿瓦时的跨越式发展图景，产业界当如何面对“层出不穷”的新技术？ 记者日前采访了中国科学院院士、清华大学材料科学与工程研究院院长南策文，他认为，全固态锂电池会极大提高安全性和性能，但在实现产业化之前，尚需不断提升现有技术。未来，随着新型材料的不断发现，锂电池技术和产业发展空间无限。 1、全固态锂电池——解决安全问题的金钥匙 记者：2017年，随着电动汽车规模的迅速扩大，安全问题得到了空前的重视。您认为，与传统锂电池相比，全固态锂电池优势在哪里？ 南策文：简单来讲，传统锂离子电池是正、负极被隔膜分开，并灌入有机电解液的结构。电解液易渗出，特别遇到正负极短路或者过充等，将导致温度快速升高，电解液蒸发分解，产生大量气体，从而使电池出现安全问题，甚至导致电池燃烧爆 炸。 全固态锂电池是用全固态电解质发挥二合一的功效，取代传统电池里的隔膜和电解液，从而解决安全问题。同时，采用全固态电解质后，可以使用金属锂作为负极，从而提升能量密度。 安全问题是产业发展的关键和基础，也关系电池行业生存的根本；能量密度是业界研发的一个核心，关系行业发展的前景。从解决安全问题、用现有的材料来提高能量密度角度来看，全固态锂电池可预期满足产业发展的需求，值得大力发展。 记者：基于现有技术，能否较好地解决安全问题？ 南策文：现有多种技术手段用来提高锂离子电池的安全性，例如电池管理系统(BMS)。但BMS是“治标”手段，“治本”还需从电池材料本身着手。其中，采用陶瓷隔膜是提高锂离子电池安全性的一个很好的方向。就是在隔膜的基材上，涂上一层纳米陶瓷(Al2O3)颗粒涂层，增加了隔膜机械强度和耐热收缩性，减少正负极直接短路的可能性，从而提高安全性。新一代陶瓷隔膜产品是一种纳米陶瓷纤维涂覆隔膜（江苏清陶能源生产），具有更好的耐热等性能，对提高锂离子电池安全性更有效。第二代产品是活性陶瓷纤维涂覆隔膜，使用陶瓷电解质纤维，除了可以改善安全性以外，还会提升锂离子传导速率，从而提高电池倍率性能。总的思路是，先通过陶瓷隔膜，改善现有锂离子电池的安全性，逐步发展到把隔膜、电解液用全固态电解质替代，以期完全解决安全问题。 记者：这样看来，全固态电解质堪称解决电池安全的“金钥匙”，基于当下的产业布局、研发情况，您认为，业界应该选择什么样的发展策略？ 南策文：目前法国Bolloré、美国Sakti3和日本丰田分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术研发方向。实际上，几种方式结合起来也是一种思路，比如把无机材料跟有机材料结合起来，总体原则是要在多个方案中间进行尝试。未来更可能的发展策略是慢慢过渡，逐渐减少电解液用量，例如，从20%~30%减少到5%~10%，甚至0，从半固态逐渐发展到全固态。 虽然目前全固态电池体型“远水解不了近渴”，尚无法实现产业化，但在此之前，业界一直在不断改进现有技术，逐步提高现有电池的安全性、能量密度等问题，比如完善现有材料配比、改善电解液性能、电池管理系统（BMS）等等。 2、科研与产业化：从1%到100% 记者：对于全固态锂离子电池的产业化日程，您有何预期？ 南策文：对于产业化，国内的提法一般是到2020~2025年实现，也有专家提出来要争取在五年之内产业化。这个目标需要大家共同努力，才有可能实现。当然，也取决于产业化标准，在多大程度、多大规模上实现。比如，据报道德国宝马公司的目标是到2028年，日本丰田公司并未宣布商业化日程，但是较早就在全固态电池领域投入力度很大，一直在鼓足劲加油干。 记者：未来，全固态锂离子电池会应用于哪些领域？ 南策文：全固态电池目前主要是应用于一些特殊的行业，比如对安全性有绝对要求的航空航天、医疗等。未来在动力、储能等领域具有很好的前景。 记者：全固态锂电池作为一项新技术，不可避免会有技术不够成熟、成本偏高等问题。对于认为成本偏高是其产业化最大瓶颈的看法您如何评价？ 南策文：全固态锂电池的倍率性能整体偏低等问题，都是科学技术问题，需要慢慢解决。成本问题不是最大的瓶颈。实际上，任何新技术、新产品刚一开始出来，成本都较高，一旦生产技术成熟、产量上去了，成本自然而然就能下来，所以成本是工业界解决的事情，不是学术界能解决的问题。 同时，实验室研究和产业化追求的目标不一样。做研究追求1%的可能性、可行性，可以通过不断试错创新，发现新的材料，只要存在可能性，哪怕1%也可以；产业界追求的是99%甚至100%的可靠性和一致性，一点都不能差，而且各个方面都要考虑周到，所以要把1%变成99%甚至100%，中间还需要一个转化的桥梁和过程，需要慢慢从实验室、中试逐渐完善，然后放大成熟，实现完全可控。 3、发展没有天花板 记者：化学电池的突破，依赖材料科技的创新。从这个角度，您如何评价全固态锂电池研发的方向？ 南策文：和一般人理解不同，锂离子电池和普通电子元器件不一样，实际上是个很复杂的系统。比如正极、负极是多种材料复合在一起的，电解液和隔膜也可是多种的混合物。 全固态电池看似简单，其实也很复杂。比如，液态锂离子电池的正极层中，包含了正极活性物质，导电剂、电解液、粘结剂等多种成分，假如换成全固态电解质，因为正极层中没有电解液渗透，多种成分的配比组合问题会很复杂。做液态锂离子电池就像我们和沙子搅水泥铺地面，加水就可以让石子、沙子与水泥调和，但是在全固态电池没有液态物质参与，如何解决固态跟固态材料的界面问题并保证有效物质的活性，挑战很大。 记者：您认为，由磷酸铁锂、三元、高镍三元再到全固态电池的技术路线，会是什么样的演进格局？ 南策文：单体电池的能量密度要达到300瓦时/千克，在现有技术体系上研发新产品，难度也不小。一旦超过400~500瓦时/千克，则更需要新的突破。从技术上来说，演进路线是按照时间进行的，但不同技术水平的电池并不是你死我活的关系，可能是并存共生的格局。这意味着，并不是出现新一代电池后，其它电池就会完全淘汰，可能是一个逐渐交替的过程，而且也可能并存较长时间。以铅酸电池为例，虽然其能量密度较低，污染也较大，但到目前为止，铅酸电池并未被锂离子电池完全取代，而且发展得也挺好。原因就在于其成本低、安全性还可以，而且较好解决了回收循环利用等问题，所以至今一直还和锂离子电池并存。不同电池有各自不同特点，存在于不同的适合自身的应用领域。 记者：就能量密度而言，作为排在元素周期表第3位的元素，锂金属电池理论上可以达到700瓦时/千克，这会是电池储能的极限吗？ 南策文：这当然不是极限。电池的能量密度是需要综合考虑正极和负极材料，如果发现新的正极材料，比容量和电压比三元或者现有材料要高出很多，电池的能量密度还要上涨。锂电池的极限，或者天花板，至少目前从技术上还看不到。如果非要确定相对的极限，作为高出目前锂离子电池能量密度一个多数量级的锂空气电池，也许可以想象为极限（理论能量密度约为3500瓦时/千克），但700瓦时/千克不是极限。 南策文简介：
南策文，材料科学专家。清华大学教授。1962年11月生于湖北省浠水县，籍贯湖北浠水。1982年毕业于华东理工大学无机材料系，1985年获该校硕士学位，1992年获武汉理工大学博士学位。现任清华大学材料科学与工程研究院院长，国际陶瓷联盟(ICF)理事长。 主要从事功能复合材料和陶瓷材料的研究。构建了处理复合材料中复杂多场耦合效应的有效介质方法，给出了计算宏观多场耦合性能系数的解。设计发 展了铁磁合金基磁电复合新体系，提出了复合巨磁电效应。系统研究了多铁性磁电复合薄膜，提出了多种新型磁电存储器及传感元件。建立了计算非均质材料界面因素对宏观物理输运性能影响的有效介质模型方法；在界面模型指导下，发展了新型高介电材料、安全锂电池用复合固态电解质等。曾获国家自然科学二等奖和北京市科学技术奖一等奖。 重大突破！科研人员攻克镁电池技术难关
NREL科研人员攻克可充电镁电池难关示意图
上文中的插图显示了NREL的科学家是如何解决可充电镁电池问题的。
文章来自Tech Plore，原文题目为Research overcomes major technical obstacles in magnesium-metal batteries，由材料科技在线汇总整理。 关于张江发展战略研究院 上海张江发展战略研究院是张江国家自主创新示范区的智库和智囊。主要承担了5项工作： 1 2 3 4 5
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