锂金属电池赋能空地交通全面电动化技术研讨会及会议观点

2024年4月26日,由中国汽车工程学会主办,电动汽车产业技术创新战略联盟、安徽盟维新能源科技有限公司承办的2024北京车展同期活动《锂金属电池赋能空地交通全面电动化》技术研讨会顺利召开。会议邀请高校、科研院所、整车企业、电池企业、材料企业等行业专家50余名,聚焦金属锂负极及锂金属电池,围绕锂金属电池存在的界面科学问题、锂负极调控研发进展、装备工艺和产业化应用场景等展开深入研讨。会议由清华大学物理系教授张跃钢主持,中国汽车工程学会电动化中心主任助理、电动汽车产业技术创新战略联盟副秘书长刘国芳为会议致辞。

清华大学物理系教授张跃钢主持

中国汽车工程学会电动化中心主任助理、电动汽车产业技术创新战略联盟副秘书长刘国芳致辞

嘉宾演讲环节由中国科学院物理研究所副主任工程师俞海龙、清华大学车辆与运载学院副研究员卢兰光、清华大学化工系助理研究员赵辰孜、东风汽车集团有限公司研发总院副院长史建鹏、安徽盟维新能源科技有限公司联合创始人/CEO周莉莎、深圳吉阳智能科技有限公司董事长阳如坤进行演讲分享。此外,北京航空航天大学、青岛大学、内蒙古民族大学、中国民航大学、国联汽车动力电池研究院、国家新能源汽车技术创新中心等高校及科研机构,北汽、一汽、蔚来、广汽埃安、吉利、长城、小米、奔驰、大众、宝马、北汽福田、宇通、戴姆勒等整车企业,宁德时代、合肥国轩、松下、河北金力等电池及材料企业参与了后续的研讨环节。

1、聚焦材料体系和微观界面调控,突破金属锂负极科学问题

金属锂负极电池目前仍存在“枝晶”和“死锂”等关键等科学问题尚未解决。金属锂负极相较于传统石墨或硅基负极,存在还原性强和体积膨胀特性,在局域电场、沉积过电位、界面离子浓度、电流密度等影响下易形成锂枝晶,造成短路。液态电池应用金属锂负极需开发专用电解液,通过调整溶剂组分、添加剂组分和溶剂化结构优化电解液性能,改进SEI层的稳定性和均匀性,以发挥金属锂负极在液态电池体系中的最 佳性能。将金属锂负极应用于全固态电池,固固界面接触、体积效应控制、电池工作压力等是其产业化应用的主要挑战,通过纳米级界面共形可有效解决上述问题,实现金属锂负极的适配。在金属锂动态自适应(DDC)界面方向,中国科学院物理所黄学杰团队已研发动态修复初始缺陷技术,开发了高面容量-高循环深度的锂金属负极,实现在0.6MPa低堆叠压力下稳定循环超过2000小时,“零”堆压的全固态锂金属软包电池(LCO)仍能以95%的容量稳定循环。

中国科学院物理研究所副主任工程师 俞海龙

动力电池安全仍是制约新能源汽车进一步推广和应用的关键难题。清华大学欧阳明高院士团队开发了本征安全评价方法和流程,针对7种副反应组合,利用DSC找出主要副反应产热来源以及反应时序,采用ARC测试电芯并获得T1、T2、T3等热失控特征温度,实现对不同电池产品本征安全的量化评价。为提高动力电池本征安全,提出了3大解决措施:延缓、抑制或捕捉氧的析出,采用掺杂包覆,单晶化,材料梯度设计、氧吸附、补锂稳定正极等手段;采用新型电解液防止与正负极反应,新型电解液包括功能电解液、EC-Free(高浓度电解液,氟代)、固态电解质等;阻断正负极串扰,采用自聚合功能材料、物理化学稳定性高的致密隔膜(如复合LLZO固态电解质)等。

清华大学车辆与运载学院副研究员 卢兰光

金属锂负极三维结构设计和微观调控对解决锂枝晶和体积膨胀问题具有重要意义。清华大学张强教授团队通过观察电流密度和不同循环容量下的金属锂负极沉积和脱出的微观形态,研究软包电池中金属锂负极短路失效和极化失效的机理;提出复合负极设计方法,使用三维骨架结构改善金属锂负载能力并避免负极体积膨胀;通过掺杂电负性更高的元素铝,形成铝富集的非均相晶界(Al-HCGB),减弱金属锂与电解液的反应。基于理论指导,完成了复合锂负极材料连续化制备和高能量密度软包电池试制,实现了安时级金属锂软包电池比能量达到440Wh/kg。

清华大学化工系助理研究员 赵辰孜

2、锂金属电池规模化制造仍需工艺路线和制造装备探索

交通电动化时代,高比能、高安全是动力电池的长期发展方向,锂金属电池体系是高比能动力电池的最 优技术路线,实现锂金属电池商业化的核心是满足应用场景需要的综合性能指标。锂金属电池的应用安全性涉及三方面:应用场景、安全标准和可靠性,真正商业化需要大量的数据积累和可靠性验证,包括科学研究、本征安全、主动安全、被动安全、标准法规及事故调查等多个维度进行保障。

盟维科技通过首创锂金属电池自动化制造线,实现锂金属电池自动化批量生产,系统能量密度超过400Wh/kg的锂金属电池系统已完成交付,经过国际客户实景飞行测试,搭载盟维锂金属电池的无人机飞行时间延长超过70%,在实际应用场景中展示了锂金属电池的续航优势。

安徽盟维新能源科技有限公司联合创始人、CEO 周莉莎

锂金属电池作为颠覆性的前沿技术,在金属锂负极和电芯生产方面还存在工艺路线不明确、制造装备不完善等问题,亟需产业各方共同建立产业链,实现早日规模化应用。吉阳智能通过对电池产业的历史数据分析,发现电池产业呈现出周期性的发展规律,能量密度每年提升约7%-8%,成本每年下降约7%-10%。锂金属电池的制造工艺面临从实验室到产业化的演进,关键因素包括配方、工艺、质量控制、大规模制造能力等,同时固态电池的制造需要考虑电解质选择、界面修饰、电子导电性等因素,兼顾生产效率和制造成本。通过对不同电池结构影响的思考,吉阳智能认为正负极材料膨胀收缩不一致导致卷绕工艺电池存在内部褶皱,判断叠片工艺更适合固态电池。全固态电池制造工艺的核心是解决界面接触问题,原位固态化是生产固态电池的关键工艺,目前主要采用热固化方法,还有其他潜在方法值得探索。

深圳吉阳智能科技有限公司董事长 阳如坤

3、锂金属电池赋能低空经济和高端化新能源汽车

任何一项新兴技术从发展到商业化落地,必将会经历从技术驱动到市场驱动再到规模驱动的过程。低空经济是电动化、智能化低空飞行活动的综合经济形态,成为科技含量高、带动作用强、成长空间大的新型产业,飞行汽车正成为低空经济的新增长点,而锂金属电池为电动化飞行汽车提供技术保障,已全面进入低空应用场景,其次,高端新能源汽车主打差异化竞争,也是锂金属电池应用的*场景。

固态电池、锂金属电池等下一代动力电池已成为全球各国纷纷发力抢占的科技制高点,并被部分国家纳入科技创新的顶层设计和战略规划中。东风汽车认为目前固态电池仍存在诸多技术挑战亟待解决,一是开发高容量、高效率正极材料;二是开发高电导、高强度、高界面稳定性电解质膜;三是开发高容量、高材料稳定性负极材料;四是改造/全新研发制造高比能高安全固态电池的设备。在固态电池汽车的量产和示范运营方面,东风汽车率先完成了混合固液电池上车搭载,示范运营车辆累计行驶里程超170万公里。未来,东风汽车将通过材料体系创新、集成设计优化等不断提升固态电池能量密度及本征安全,推进高比能固态电池整车搭载。

东风汽车集团有限公司研发总院副院长 史建鹏

会议最后由清华大学物理系教授张跃钢进行总结。他指出,在空地交通全面电动化需求下,高比能、高安全是动力电池的长期发展方向,锂金属电池体系是最 优技术路线,实现锂金属电池商业化的核心是满足应用场景的综合性能指标需求。其次,锂金属电池目前还存在一定科学问题和工程问题,制约了其产业化应用,但已有不少科研机构和企业都提出了相应的解决方案,围绕锂金属电池设计、安全性能、复合金属锂负极制备、车用动力电池系统研发、锂金属电池制造工艺装备等。最后,针对未来锂金属电池的技术创新和加速落地,他建议中国汽车工程学会等组织多方创新团队联合开展关键共性技术研发,共同完成基础材料和前沿理论的重大创新,整车企业和电池企业应进一步推动电池单体及系统设计验证,乘势而上,奋发有为,一起推进锂金属电池加速落地,为空地交通全面电动化赋能。