貝特瑞李子坤：干法工藝“應(yīng)戰(zhàn)”全固態(tài)電池電極制作
近期，在第五屆新能源汽車及動(dòng)力電池(CIBF2024重慶)國(guó)際交流會(huì)上，貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司研究院院長(zhǎng)李子坤博士，作題為“固態(tài)電池用關(guān)鍵材料的研究進(jìn)展”的主題演講。
圖為貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司研究院院長(zhǎng)李子坤博士演講
以下為速記內(nèi)容：
各位參會(huì)的嘉賓，大家下午好!
最近這段時(shí)間比較火的、聊的比較多的應(yīng)該是固態(tài)電池了，今天我也想借此機(jī)會(huì)，圍繞固態(tài)電池的核心材料，把現(xiàn)在行業(yè)的發(fā)展情況，包括我們貝特瑞的情況跟大家分享一下。
鋰離子電池的發(fā)展趨勢(shì)
先看一下鋰電池的應(yīng)用需求，高安全、低成本、高比能這三個(gè)需求大家都很熟悉了。在滿足這三大需求的情況下，還有更高性能方面的要求，比如快充。雖然現(xiàn)在快充需求提的比較多，不過(guò)基本需求還是這三個(gè)。
為了提升鋰離子電池能量密度，在材料設(shè)計(jì)方面，貝特瑞想方設(shè)法在正負(fù)極材料上把能量密度提上去。比如負(fù)極已經(jīng)達(dá)到600mAh/g以上，以硅為主，硅之后是什么，我們也在思考。
在電芯設(shè)計(jì)方面，電芯企業(yè)在努力做一些電芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，來(lái)提升能量力度。
為了提升鋰離子電池的安全性，在多種因素中，我們認(rèn)為最基礎(chǔ)的是從材料角度，對(duì)正負(fù)極材料表面的包覆層做優(yōu)化，從而改善電池?zé)崾Э氐臓顟B(tài)。
同時(shí)，在電池管理上，很多企業(yè)也在做電池系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化，包括智能檢測(cè)等。在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，也引入了一些阻燃材料。
如何做到一款電芯體系既能保證它的高能量密度，又能保證高安全性?其實(shí)現(xiàn)在大家關(guān)注點(diǎn)都放在固態(tài)電池上了。
固態(tài)電池從某種意義上來(lái)講，拋棄原有的有機(jī)電解液，本征安全肯定沒(méi)有問(wèn)題，又可以引入現(xiàn)在液態(tài)電池沒(méi)法用的高容量的正負(fù)極材料，從高比能和高安全的角度來(lái)說(shuō)，固態(tài)電池確實(shí)是一個(gè)很好的選擇。
從去年開(kāi)始，行業(yè)內(nèi)對(duì)于固態(tài)電池的研究已經(jīng)非常多了。從今年過(guò)完年到現(xiàn)在的這幾個(gè)月，透露出來(lái)的關(guān)于中國(guó)的固態(tài)電池的信息量非常大的。比如上汽、廣汽等，都有公開(kāi)的報(bào)道。
消費(fèi)類也有，vivo、OPPO、小米等，都有關(guān)于固態(tài)電池的應(yīng)用報(bào)道。還有低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深圳市當(dāng)前主要在推這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
固態(tài)電池的設(shè)計(jì)
對(duì)于固態(tài)電池的設(shè)計(jì)，從現(xiàn)在的液態(tài)電池到半固態(tài)，未來(lái)肯定是全固態(tài)，基本發(fā)展邏輯是這樣。中國(guó)企業(yè)把很多焦點(diǎn)放在中間的半固態(tài)。未來(lái)我們覺(jué)得固態(tài)電池的理想狀態(tài)應(yīng)該就是全固態(tài)。日韓現(xiàn)在在全固態(tài)上投入比較多。
針對(duì)固態(tài)電池的發(fā)展路線，貝特瑞從技術(shù)、材料等方面也做了一些探索。
半固態(tài)領(lǐng)域，像我們的氧化物的電解質(zhì)材料和聚合物的電解質(zhì)材料，我們?cè)诖罅咳ネ七M(jìn)，同時(shí)，摻混、包覆、原位固化等技術(shù)，我們也在推進(jìn)。
對(duì)于全固態(tài)硫化物的電解質(zhì)材料，或?qū)⑹俏磥?lái)全固態(tài)電池的首選。還有包括干法電極技術(shù)、低成本硫化物的合成，以及基于未來(lái)全固態(tài)搭建的金屬鋰負(fù)極的載體材料、鋰金屬負(fù)極骨架結(jié)構(gòu)等，都將進(jìn)一步發(fā)展。
接下來(lái)是半固態(tài)電池的一個(gè)設(shè)計(jì)思路。我列了一些公司，從他們公開(kāi)報(bào)道的數(shù)據(jù)看，在電池能量密度、安全性上都有一些改善。
提到半固態(tài)，我們行業(yè)中很多專家也在說(shuō)“治標(biāo)不治本”，我們?cè)O(shè)想的固態(tài)應(yīng)該就是全固態(tài)。但是，作為過(guò)渡期的半固態(tài)電池，它現(xiàn)階段也發(fā)揮出一些優(yōu)勢(shì)。比如，從安全性能、還有倍率低溫等，我們實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，是有一些提升的。
現(xiàn)在面臨的問(wèn)題是成本和工藝問(wèn)題，我們要解決如何把它實(shí)際投入使用的問(wèn)題。
但是，一方面，目前行業(yè)中關(guān)于半固態(tài)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有建立起來(lái)，要真的大規(guī)模推進(jìn)，這些工作都要做。
另一方面，從配套的裝備、材料、電芯設(shè)計(jì)，到整套系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其實(shí)也是需要產(chǎn)業(yè)鏈一起來(lái)推動(dòng)。
介紹一下貝特瑞半固態(tài)電池材料的應(yīng)用情況。我們目前市場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)覆蓋到氧化物的固態(tài)電解質(zhì)、聚合物的固態(tài)電解質(zhì)，并覆蓋3C、動(dòng)力、儲(chǔ)能領(lǐng)域。
對(duì)于半固態(tài)電池的設(shè)計(jì)，主要是把中間的電解液換成硫化物的固態(tài)電解質(zhì)，并引入新型正負(fù)極高能量密度的正負(fù)極材料。
下面介紹一下全固態(tài)電池的設(shè)計(jì)思路。以豐田為代表，他們?cè)诠虘B(tài)電解質(zhì)方面也暴露出一些問(wèn)題，我們上次專門拜訪了豐田，對(duì)方提到阻抗的問(wèn)題，就是電界面和電極片之間的界面阻抗。關(guān)于電解質(zhì)這個(gè)層比較厚的問(wèn)題，他們用的是濕法涂布。
還有電極材料中，固態(tài)電解質(zhì)的顆粒跟電活性物質(zhì)的顆粒能夠均勻混合，出現(xiàn)團(tuán)聚的問(wèn)題，想到用一些濕法的工藝。對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)和活性物質(zhì)之間的縫隙問(wèn)題，采用了等靜壓的技術(shù)。通過(guò)這些方式來(lái)解決現(xiàn)在全固態(tài)電池里面存在的一些問(wèn)題。
全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，其優(yōu)勢(shì)包括高能量密度;拋棄了隔膜和電解液，引入固態(tài)電解質(zhì)之后，帶來(lái)空間利用率的提升、熱性能提升。所面臨的問(wèn)題包括成本問(wèn)題，硫化鋰非常貴，還有固固界面的問(wèn)題。
接下來(lái)介紹貝特瑞在全固態(tài)電池領(lǐng)域所做的應(yīng)對(duì)策略。對(duì)于超高容量的9系的三元電池，為了提升它的安全性，我們做了一些原位包覆技術(shù)。對(duì)于硫化物的電解質(zhì)材料，我們現(xiàn)在主要推進(jìn)這些材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。干法電極，我們已布局干法電極工藝，從而杜絕硫化物固態(tài)電解質(zhì)與溶劑發(fā)生副反應(yīng);并開(kāi)發(fā)適配的新型粘接劑。
固態(tài)電池關(guān)鍵材料的研究現(xiàn)狀
在固態(tài)電池的關(guān)鍵材料上，硫化物和聚合物，以及氧化物這三種類型的電解質(zhì)材料，我們現(xiàn)在都同步推進(jìn)。
在氧化物的固態(tài)電解質(zhì)材料里比較好的應(yīng)該是高離子電導(dǎo)的材料。我們圍繞著現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的材料適配于不同場(chǎng)景的材料也是來(lái)自以下四類：
比如說(shuō)LATP，我們有一條小產(chǎn)線，產(chǎn)能達(dá)到年產(chǎn)100噸以上?，F(xiàn)在我們已向市場(chǎng)小批量供貨。
LLZO和LLZTO，也已在市場(chǎng)上小批量試。
LLTO，比較適用于石墨負(fù)極材料。
從貝特瑞氧化物固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，據(jù)客戶反饋，在隔膜涂覆、極片涂覆帶來(lái)的安全性，以及正極包覆的安全性、熱穩(wěn)定性、低溫性能等都有一些提升。
貝特瑞聚合物固態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)品，據(jù)客戶反饋，從循環(huán)、安全等角度來(lái)說(shuō)，都有一些提升。
貝特瑞硫化物固態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)品，我們現(xiàn)在推的是BSS-1的這款產(chǎn)品。客戶驗(yàn)證出來(lái)的結(jié)果顯示，該款材料的穩(wěn)定性、長(zhǎng)循環(huán)，相比其他的材料要好一些，還獲得大倍率的循環(huán)次數(shù)等數(shù)據(jù)。
因?yàn)槭占降臄?shù)據(jù)還不是特別全，尤其硫化物的，在國(guó)內(nèi)很多客戶也是剛剛起步，而且目前國(guó)內(nèi)還是以半固態(tài)的電池為主導(dǎo)，硫化物從去年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)才開(kāi)始加大投入的力度。
結(jié)論與展望
最后總結(jié)一下?，F(xiàn)在的固態(tài)電池，不外乎半固態(tài)和全固態(tài)。在半固態(tài)體系里，我們現(xiàn)在的氧化物應(yīng)用端主要來(lái)源于隔膜涂覆、極片涂覆、正極包覆，還有摻混，以及聚合物里的原位固化。
它的特點(diǎn)目前可以明確的，安全性能是肯定有提升的，以及倍率和低溫性能的提升，尤其在磷酸鐵鋰材料里。
當(dāng)前半固態(tài)電池處于市場(chǎng)推廣和初期應(yīng)用的階段。中國(guó)推進(jìn)的比較快。
全固態(tài)體系里的核心技術(shù)，最關(guān)鍵的是界面的問(wèn)題。產(chǎn)業(yè)化面臨的成本過(guò)高的問(wèn)題，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈一起來(lái)推動(dòng)。
全固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)，在材料層面，包括硫化物穩(wěn)定性差，規(guī)模制備難，搭配高容量正、負(fù)極結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等挑戰(zhàn)。在電芯層面，包括全固態(tài)電池壽命、復(fù)合電極、界面失效、量產(chǎn)應(yīng)用工藝等方面問(wèn)題有待解決。
同時(shí)，全固態(tài)電池的機(jī)遇方面，為什么面臨這么多困難，還是要去推?主要是因?yàn)槿虘B(tài)電池的確在高能量密度、高安全上有它自身的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在我們需要干的就是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的突破，從裝備、原材料、電芯設(shè)計(jì)、應(yīng)用端我們都需要同步推進(jìn)。
今天我的分享就到這里，謝謝大家。
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