寧德時代吳凱：公司全固態電池有望2027年小批量生產
4月28日上午，在於重慶舉辦的第十六屆國際電池技術交流會中，全球新能源電池龍頭寧德時代首席科學家吳凱在《車用全固態電池研發及產業化進展》演講中表示，全固態電池的成熟度指標，若用1-9數字表示，寧德時代目前的成熟度在4的水平，目標到2027年到7-8的水平。
“2027年，寧德時代全固態電池小批量生產機會很大，但受成本等因素製約，大規模生產尚不能實現。”吳凱表示。
今年以來，全固態電池不斷掀起熱議，而此次重慶國際電池技術交流會，也專門開設了全固態電池技術討論專場，會場中座無虛席，不少人席地而坐，足以顯示市場和公眾對這一嶄新電池技術的關注。
“十餘年來，我國動力電池行業已在核心技術、市場規模、成本價格方面取得先發優勢。但是我們也注意到消費者對動力電池還有這更高的要求和期待，尋找高能量密度和高安全兼得的動力電池是我們的主要研發方向，也是一項長期的工作。在各條技術路線上，全固態電池具有巨大的潛力，是下一代動力電池重要發展方向。”在演講中，吳凱表示。
從國家層面上來看，中國、美國、日本、韓國、歐盟均出台相關發展規劃和戰略，各國重兵投入，其本質是希望能夠在全固態電池技術上率先取得突破，來改變目前動力電池的市場格局。
從產業鏈佈局來看，上遊基礎材料及設備，中遊全固態電池研發和製造，下遊應用，我國企業參與的最多，產業鏈上企業都很有熱情，但是我們也要清醒的看到，海外企業在全固態電池專利佈局上具有一定優勢，需要盡快迎頭趕上。
在吳凱看來，全固態電池之所以吸引了全世界的投入，其核心價值在於其能夠在安全底座保證的前提下較大幅度的提升能量密度，幫助動力電池在應用中有明顯改善，而其他體系要達到這樣的效果比較困難。
據介紹，世界範圍內的研究，對固態電池按照電解質區分，主要是3個路線，聚合物、氧化物和硫化物。理想的電解質需要擁有較好的離子電導率，對高電壓正極、鋰金屬負極有較好的電化學穩定性，並且製造安全和便捷，當然也要兼顧成本的可負擔性。
吳凱認為，目前來看，解決方案進展比較快的硫化物路線，率先量產的可行性較大。但他也承認，目前我們所研究的路線中，沒有一種電解質十全十美，比如聚合物電解質的離子電導率和氧化穩定性都較差，氧化物電解質太堅硬，會導致剛性界面接觸問題。硫化物電解質容易與空氣中的水產生有毒氣體，製備工藝複雜且成本較高。當然在各國科學家的努力下，各個路線都有一些針對性的技術出來。
全固態電池需要解決四大層面問題
今年1月，歐陽明高院士表示，全固態電池市占份額替代1%，就已具有突破性意義。
“我們也一直在向著這個方向努力。我們認為要實現這個目標，要率先解決四大問題。“吳凱說。
第一是固固界面的問題。正極材料與電解質之間固固界面接觸不充分，阻礙離子傳輸；負極在充放電過程體積膨脹大，導致固-固界面的動態損傷，難以修復，持續惡化固-固界面。這些都嚴重影響全固態電池的循環壽命和倍率性能。
第二是鋰金屬負極的應用問題，使用鋰金屬負極可以使全固態電池能量密度高的優勢充分發揮。但是鋰金屬的高活性和其表面鈍化層的鋰離子擴散能壘較高，會促進鋰枝晶的形成，枝晶會引發短路並造成電池失效，我們需要充分瞭解固態枝晶形成與生長的機理，並加以克服。
第三是針對最有希望的硫化物電解質路線，硫化物電解質在空氣中不穩定的主要原因是容易發生化學反應， 電解質在空氣中水分子的作用下會發生水解生成有毒的H2S氣體，在水解的過程中電解質結構還會發生坍塌， 離子電導率急劇下降。另外硫化物電解質的合成成本問題，其原材料硫化鋰價格高，而製備這些原材料的特殊工藝也增加了成本負擔。這些都將是全固態電池推廣中的障礙。
第四是全固態電池的生產難題，極片製造工藝不成熟，濕法工藝的核心是粘接劑與溶劑選取，如果溶劑與電解質化學不兼容，可能降低電解質的離子電導率。干法工藝存在膜片分散性、均勻性挑戰。在電芯緻密化成型過程中，電芯內部存在孔隙缺陷，緻密度低會降低固態電池性能發揮，極片邊緣受壓導致搭接短路等問題也需要解決。
寧德時代已經建立10Ah級全固態電池驗證平台，3年後真正量產
據吳凱介紹，寧德時代針對固態電池已經有十餘年的研發積累，目前我們組建了一支近千人的全固態電池研發團隊，也取得了一些進展和經驗。
針對正極的界面問題，寧德時代研發了單晶正極多層級全包覆技術，第一層無機氧化物包覆層可以抑製界面副反應，第二層固體電解質包覆層，提升界面離子擴散。多層設計可以大幅提升界面結構穩定性，目前高面容三元正極克容量可達230mAh/g。我們還研發了多功能復合粘結劑，幫助穩定極片導電網絡。復合正極可以實現6000次循環。
針對鋰金屬負極使用時候的鋰枝晶問題，寧德時代認為相變自填充技術是可行方案，相變介質可通過改變其固/液物理狀態靈活修復固態電解質缺陷，達到增強電解質結構，抑製鋰枝晶的效果，鋰金屬臨界電流密度有效提升至20mA/cm2。我們通過引入合金金屬改變界面層的親鋰性，可以誘導鋰金屬均勻沉積到表面。同時優化鋰金屬負極的多相導鋰界面，構築界面離子傳輸“高速公路”，使鋰金屬負極循環平均庫倫效率>99.9%。
針對硫化物電解質的環境穩定性問題，寧德時代開發表面疏水層可逆包覆技術，實現高空氣穩定性電解質的製備，包覆後電解質可在-40℃露點環境穩定，包覆層還可以在電池製備過程中除掉，並且幾乎不影響電解質材料的性能。同時我們也在開發新型合成路線和低含鋰量材料，目前電解質的價格，1公斤都在5萬以上，新的合成方案可以降低量產成本。
針對製造工藝的難點，寧德時代打通了干/濕法極片製備和電芯一體化成型工藝方案，創新了高柔性核殼結構粘結劑、纖維化過程量化控製技術、超薄電解質轉印技術、等靜壓一體成型技術等，已經建立10Ah級全固態電池驗證平台。
“全固態電池的研發和量產是一項非常艱巨的工作，我們為此也是集聚了各方力量，廣泛的與產業鏈上的各方、高校等開展聯合攻關。從全固態電池的技術成熟度和製造成熟度來看，有望在未來3年逐步進入成熟期，真正開啟量產化進程。”吳凱說。
0到1的原創性創新
最後談到對全固態電池的思考時，吳凱表示，全固態電池是新質生產力的典型代表。首先，具有革命性突破的技術創新是新質生產力的內在動力，全固態電池的研發不是1到2、2到3的漸進性創新，而是0到1的原創性創新，原創性創新往往擁有很高的勢能，能夠開闢出新的賽道，並對產業全局產生關鍵影響。
其次，生產要素創新性配置是催生新質生產力的重要保障，全固態電池的研發和製造用傳統的研發試錯方法或者企業的封閉式的單打獨鬥是行不通的，我們需要大量運用人工智能、大數據等手段，更廣泛的開展多種資源的協調、多條線路的協同和眾多團隊的合作，將各類優質生產要素能夠以更高的效率流向關鍵核心技術領域，這樣才能夠進一步加快科技創新效率。
最後，現代化產業體系是新質生產力要素的產業載體。全固態電池為代表的新能源產業鏈，我們認為應該具備低碳、高效、高質量、高附加值、強標準、自主可控、可持續等特徵，將牢牢佔據市場領先地位，成為汽車強國、製造強國、質量強國的重要支撐。
