由中國汽車技術研究中心有限公司、中國汽車工程學會、中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車報社共同主辦，天津經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)管理委員會特別支持，日本汽車工業(yè)協(xié)會、德國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟、新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟聯(lián)合協(xié)辦的第二十屆中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達)國際論壇(以下簡稱“泰達汽車論壇”)于2024年8月29日至9月1日在天津濱海新區(qū)舉辦。本屆論壇以“風雨同舟二十載 攜手并肩向未來”為年度主題，邀請重磅嘉賓展開深入研討。

  在8月30日“生態(tài)專場一：固態(tài)電池技術發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)”中，東風汽車集團有限公司研發(fā)總院先進材料與先行技術研究中心固態(tài)電池高級經(jīng)理金玲發(fā)表題為“固態(tài)電池汽車產(chǎn)業(yè)化應用”的演講。

  東風汽車集團有限公司研發(fā)總院先進材料與先行技術研究中心固態(tài)電池高級經(jīng)理金玲

  以下為演講實錄：

  尊敬的楊院士、董揚秘書長，各位專家，行業(yè)和媒體朋友們：

  大家上午好!

  非常高興代表東風公司受邀參加本次大會，代表東風集團分享一下我們的工作和對固態(tài)電池的認識。

  下面我的演講從三個方面展開：第一，新能源汽車市場與行業(yè)背景;第二，固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀及量產(chǎn)預期;第三，東風固態(tài)電池開發(fā)和整車應用的進展。

  一、新能源汽車市場與行業(yè)背景

  從新能源汽車市場與行業(yè)背景來看，整個電池的發(fā)展始終圍繞著高比能、高安全的痛點在不斷迭代，從最早的1870年的鉛酸電池，到中間的鎘鎳電池、鋅錳電池、鎳氫電池以及鋰離子電池，和2020年之后出現(xiàn)的固態(tài)電池。從整個發(fā)展來看30年是一個周期，這個周期不僅包括技術的迭代，也包括工藝的迭代，讓它能大批量應用。

  我們可以看到電池的主要應用場景也從最初的消費電子到后面應用到動力電池，或者是低空經(jīng)濟這一塊。再從鋰離子電池的應用來看，可以看到其實我們國家最早是在2009年左右，也是在行業(yè)學會、協(xié)會的領導專家的積極建議下，我國在國際上最早推動發(fā)布指導意見和國家政策，引導新能源發(fā)展。

  所以到目前為止，中國應該是世界上發(fā)布指導意見和政策最多的國家之一?？梢钥吹酵ㄟ^我們的積極努力，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在世界上的影響力也越來越大，包括本次會議的主辦方中汽中心也是在汽車國際標準方面影響力越來越大，牽頭了越來越多的國際標準，發(fā)出了中國聲音。

  從銷量上來看，2015年中國的新能源汽車銷量已成為全球第一。2013年、2014年的時候，我國新能源汽車銷量是6000輛左右，到2022年的時候已經(jīng)翻了1000倍，到688.7萬輛，持續(xù)保持高速增長的態(tài)勢。到去年我們已經(jīng)達到了949.5萬輛，而且新能源汽車已經(jīng)成為了出口的新三樣，為我們的國家經(jīng)濟做出了重要的貢獻。

  同時我們也可以看到新能源汽車的市場滲透率也持續(xù)穩(wěn)步增長。再看市場占有率這一塊，前十大企業(yè)市場占有率已經(jīng)達到了72.3%，而且這前十排名里面可以看到比亞迪，也就是中國的新能源汽車企業(yè)已經(jīng)超過了合資企業(yè)，而不是像之前90年代合資剛引入的時候，市場上是合資車比國產(chǎn)車在消費者心中更受青睞。

  再看一下消費者購買新能源汽車始終存在的焦慮是什么。目前最主要的兩個焦慮：第一個，安全焦慮。之前的專家在一些公開場合的報告提過，可能新能源汽車每8天燒1輛車，這些數(shù)據(jù)是根據(jù)國家的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，所以新能源汽車消費者在購買時還有一點安全上的擔心，具體原因后面會展開。第二個，續(xù)航問題。新能源汽車其實在十幾年前剛剛出現(xiàn)的時候，它的續(xù)航里程是不超過300公里，經(jīng)過這十來年的發(fā)展，隨著電池技術的進步，中國新能源車續(xù)航大部分能達到300～500公里，或者是更高的續(xù)航里程。

  對于續(xù)航里程的突破最根本的還是依靠動力源即動力電池，目前實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的液態(tài)鋰離子電池的能量密度極限是300Wh/kg左右，續(xù)航繼續(xù)提升還需要電池進一步突破能量密度。

  再從整體宏觀的政府、行業(yè)的關注焦點來看，全力發(fā)展固態(tài)電池已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略的層面，包括美、日、韓等國都在做出相應的國家戰(zhàn)略上的布局，中國也是在“十四五”期間明確提出要加快固態(tài)電池的研發(fā)。從國家重點研發(fā)專項來看，“十四五”期間也部署了多項國家重點研發(fā)專項，這里也向各位領導、專家報告，我們東風公司非常有幸在“十四五”的項目中拿到了一個全固態(tài)電池的國家專項作為牽頭單位，在組織行業(yè)內(nèi)一起來攻關。

  這一部分是國內(nèi)外廠商的一個對標。從整個國內(nèi)外動力電池的進展來看，歐洲還是以聚合物、氧化物、硫化物多條路線在并舉開展。對于國內(nèi)，主要是以氧化物、聚合物復合的路線在推進，率先搭載應用和量產(chǎn)。硫化物路線的難度大一些，所以目前量產(chǎn)的進度是要比聚合物、氧化物復合路線緩慢一些。東風目前也是在聚合物、氧化物路線方面進一步做相關的工作。

  現(xiàn)在對第一部分做一個小結。第一，液態(tài)電池是存在熱失控風險安全和續(xù)航里程焦慮的，已經(jīng)接近能量密度上限，這也是為什么一定要發(fā)展下一代的動力電池固態(tài)電池的原因。第二，固態(tài)電池從技術特點來看，它能提升電池的安全性，同時兼容高比容量的正負極，進一步打開能量密度天花板，所以成為動力電池下一輪攻關的重要方向，是下一代技術競賽中的關鍵。第三，國內(nèi)外整車企業(yè)、零件企業(yè)都在通過自研或者是聯(lián)合開發(fā)實現(xiàn)布局，進入固態(tài)電池賽道，力爭逐步實現(xiàn)固態(tài)電池大批量商業(yè)化。第四，東風目前在固液混合態(tài)或者是半固態(tài)方面已經(jīng)有先行，蔚來、上汽等車企會陸續(xù)推出半固態(tài)車型。固態(tài)電池目前在技術和產(chǎn)品上還有些不成熟的地方，還沒有完全進入商業(yè)化階段，但是預計在2030年前后會進入商業(yè)化，并逐步具備經(jīng)濟性。

  二、固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀及量產(chǎn)預期

  從動力電池發(fā)展路線來看，包括高能量密度路線，還有低成本路線，對于儲能電池我們的觀點是因為儲能電池對體積和大小的關注度沒有像整車那么重要，因為整車的內(nèi)部是一個有限空間內(nèi)，有限空間內(nèi)我們始終希望能布置更多的電量，這樣我們能實現(xiàn)更長的續(xù)航，所以對于動力電池還是會以磷酸鐵鋰和三元體系的為主。

  從技術路線上來看，目前國內(nèi)主要研究的是聚合物、氧化物、硫化物路線，但這三個路線其實各有各自的優(yōu)缺點。聚合物路線的特點是柔韌性好，易大規(guī)模制造，但它的離子電導率相比其他幾種電池是最低的。氧化物路線的離子電導率居中，但是它的難點是界面接觸和柔韌性。硫化物路線是離子電導率最高的，但它的缺點是空氣穩(wěn)定性不好，會在生產(chǎn)制造中產(chǎn)生硫化氫等有毒氣體。

  所以對于三種路線它的成熟度也不一樣，就像剛才講到的歐美企業(yè)是聚焦聚合物路線，國內(nèi)大多選擇氧化物路線，如果想產(chǎn)業(yè)化，可能氧化物、聚合物復合的路線是最先能進行搭載驗證的。

  下面是講到液態(tài)電池和固態(tài)電池的區(qū)別和優(yōu)勢，可以看到剛才說到了這種安全問題，它其實就體現(xiàn)在液態(tài)電池里面的電解液它是可燃的、有機的電解液，所以它易發(fā)生熱失控，易著火，所以它的安全性確實和固態(tài)電池本質上存在差距，所以我們說固態(tài)電池是具有本征安全性，因為它中間是用的不可燃的固態(tài)電解質，具有高穩(wěn)定性、高安全性，而且像固態(tài)電池它的熱穩(wěn)定溫度也是要比液態(tài)的高。同時通過電解質和正負極的匹配，能實現(xiàn)更高能量密度，突破350Wh/kg。

  剛才說到了各種不同電解質的熱穩(wěn)定性比較，可以看到液態(tài)電池的熱穩(wěn)定性溫度大概在200度，但是像聚合物、硫化物、氧化物這一塊可以看到，氧化物在這幾種電解質里面的熱穩(wěn)定性溫度是最高的。

  對于固態(tài)電池從實驗室到量產(chǎn)面臨的四大挑戰(zhàn)，我們認為主要包括四個方面：第一，高性能的正極材料，要開發(fā)高容量、高效率的正極材料;第二，復合電解質膜，開發(fā)出高電導、高強度、高界面穩(wěn)定性的電解質膜;第三，高性能的負極材料，也是圍繞著高容量、高材料穩(wěn)定性來開發(fā)。第四，固態(tài)電池的工藝，工藝這一塊涉及到聚合物、氧化物復合路線，它的工藝是能兼容部分目前的工藝，但是對于硫化物來說它的工藝需要更多的創(chuàng)新和突破。

  下面具體展開來看。第一個挑戰(zhàn)，在正極來看，正極短期還會繼續(xù)沿用高鎳體系，但是鎳比較活潑，安全性差，是容易發(fā)生熱失控的。長期向超高鎳、高壓尖晶石、富鋰錳基等材料迭代。

  在高壓下，三元正極是容易產(chǎn)氣失氧，這樣會導致電池的鼓包，在我們正極材料企業(yè)也在研究大的單晶化和氧化物的包覆，像LTB、LZO，就包括正極，來進一步提升材料的性能和我們整個電池的能量密度。如果不做單晶化，單晶化程度低是容易造成結構坍塌、顆粒粉化，影響我們的電池壽命。所以我們主要的改性策略就是提高單晶化和功能性材料的包覆。

  第二個挑戰(zhàn)就是我們說固態(tài)電池的核心固態(tài)電解質，對于固態(tài)電解質來說首先它材料也是關鍵，另外是它的固固接觸。第一個難點是固固接觸會導致我們鋰離子傳輸電導率低，第二影響我們的電池能量密度。最后是從工藝上來講，目前要制備20微米以下的電解質膜，從工藝和成本來說還是有一些問題需要攻關，這也是為什么咱們的國家項目里面在提到電解質膜的時候也會說更小的超薄，越薄越好。

  可以看到圍繞這一塊，我們需要做的一些工作也主要涉及到新工藝和新材料的開發(fā)，還有我們剛才說的固固界面的接觸。

  從負極來看，其實目前主要行業(yè)研究兩個方面：第一個，高能量硅負極材料。第二個，鋰金屬負極材料。

  對于硅負極材料，有三個痛點。第一，因為硅的體積膨脹很大，可以高達300%，它會進一步導致材料的粉化和分層，最重要它會導致電芯的膨脹和鼓包。從整車的應用端來講，實際我們研發(fā)中為了抑制膨脹，或者是吸收膨脹，在電池包的結構設計上可能就要放一些材料和它又能隔熱，還能進行呼吸來吸收它的膨脹。但是這一塊會進一步影響整個電池包的承阻率，這不管是電池企業(yè)還是整車企業(yè)都是后面需要關注的問題。第二個是硅導電性差，一般硅我們都是硅碳復合，包括現(xiàn)在有第三代的硅碳復合材料提高我們的導電性能。但是導電性也會涉及到一個負反應和庫侖效率的變化。第三就是硅顆粒的易粉化失去電接觸，它整個庫侖效率和電性能也會降低。主要的解決策略包括多孔硅，通過這種核殼結構，讓它在核殼里面進行限域的膨脹。另外是新型電解添加劑的設計，構建一個穩(wěn)定的SEI膜界面層。

  第三個挑戰(zhàn)，從超薄鋰金屬負極開發(fā)來看，鋰金屬負極可能不僅僅是剛才說到硅負極的膨脹問題造成界面失效，它還涉及到鋰枝晶的生長，活性鋰也會不斷消耗，整個鋰金屬的穩(wěn)定性會變差。

  對于鋰金屬因為我們要制備超薄，目前鋰金屬負極的工藝設備和限制，導致超薄鋰金屬的制備還不是那么容易，國內(nèi)能制備的企業(yè)也不是太多。對于鋰金屬這一塊的主要特點也包括兩點：第一個，通過負極鋰金屬這一塊的合金化的設計;第二個，這些已經(jīng)消耗的鋰能不能通過死鋰活化進行修復。

  第四個挑戰(zhàn)是從工藝來講，固態(tài)電池的制造工藝還需要優(yōu)化，生產(chǎn)設備部分需定制，這就涉及到剛才說的我們聚合物、氧化物復合路線的設備可能大部分能沿用現(xiàn)有的產(chǎn)生設備，部分進行改造，但是對于硫化物路線它會涉及到一些新的設備。對于整個產(chǎn)線，液態(tài)電池建線成本1GWh投資1.5億元，固態(tài)電池它的產(chǎn)線成本應該會比液態(tài)電池更高。

  從電池本身的生產(chǎn)成本來看，這個數(shù)字我也是最新更新的，前兩年我們當時查的還是磷酸鐵鋰是550元/kWh，三元是680多元/kWh。目前不管是汽車行業(yè)還是電池行業(yè)都很卷，隨著上游原材料價格的下降，目前像磷酸鐵鋰的價格可以做到300、400元/kWh，三元是500元/kWh。對于頭部大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)，像比亞迪、寧德時代，他們占據(jù)了動力電池的前列，他們的成本能進一步做到3毛多、4毛多。

  如果在這種情況下，其實對于固態(tài)電池的應用又提出了一個新的話題，因為現(xiàn)在30萬元以下的車，還是非常講究電池的性價比，對于整車性能的匹配。所以對于固態(tài)電池整個全行業(yè)來說，除了性能的提升，也要圍繞著成本做更多的工作，來助力我們整個固態(tài)電池去大批量應用。

  這一塊也是根據(jù)咱們國汽戰(zhàn)研院和學會的總結，整個固態(tài)電池從技術指標、成本、量產(chǎn)預期來看，東風是在2022年1月全球首發(fā)了E70固態(tài)電池開展運營，后續(xù)國家從各種政策和國家項目上都有應用導向來推出固態(tài)電池的樣車。我們也是根據(jù)這個預測，到2030年左右，能在國內(nèi)實現(xiàn)固態(tài)電池小規(guī)模量產(chǎn)。

  這一塊的小結我不細說了，主要是比較了各種電解質的優(yōu)缺點，目前液態(tài)電池難以突破能量密度極限，對固態(tài)電池來說半固態(tài)電池已經(jīng)率先進入了產(chǎn)業(yè)化階段。

  三、東風固態(tài)電池開發(fā)及整車應用進展

  東風是在2022年1月和贛鋒鋰業(yè)合作，推出了固液混合態(tài)的鋰電池整車公告。我們目前的這幾十輛固態(tài)電池的E70示范運營已經(jīng)突破了180萬公里，安全及質量都沒有問題，同時我們也有大數(shù)據(jù)云平臺在對這些車輛進行監(jiān)控。

  這部分的工作也是在集團整個“十四五”戰(zhàn)略轉型，還有研發(fā)總院史建鵬院長的領導下開展的突破。這項工作也是得到了國內(nèi)包括中國汽車報、學習強國、湖北日報、汽車商業(yè)評論等媒體的多輪宣傳，我們整個團隊在新技術上的突破也是獲得了全國的創(chuàng)新大賽的銀獎。

  對于固態(tài)電池的研發(fā)和應用搭載的推進，東風會從材料體系、電芯研發(fā)、整車集成設計方面一體化推進高比能固態(tài)電池的逐步成熟和整車應用搭載，實現(xiàn)我們1000公里的續(xù)航。

  最后小結一下我們對整個固態(tài)電池的一個思考：

  第一，汽車產(chǎn)業(yè)在電動化轉型的背景下，市場和政策的雙輪驅動，其實現(xiàn)在更多的是市場驅動，會使我們電池，特別是固態(tài)電池成為企業(yè)競相布局的戰(zhàn)略制高點。

  第二，固態(tài)電池在材料和制備工藝方面還存在待突破的技術難點，隨著技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展會有望實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

  第三，東風在固態(tài)電池開發(fā)及搭載應用上已經(jīng)有一定基礎，我們將逐步實現(xiàn)我們固態(tài)電芯自主可控，迭代開發(fā)高比能固態(tài)電池產(chǎn)品，助力東風新能源躍遷。

  以上為我的報告，謝謝大家!