中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：經(jīng)緯科創(chuàng)匯動(dòng)力電池專場(chǎng)又與大家見面了，我們和DeepTech戰(zhàn)略合作，邀請(qǐng)到了學(xué)界與業(yè)界的資深專家，以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來進(jìn)行交流。
本篇是我們動(dòng)力電池系列的第2篇文章，訪談對(duì)象是浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員范修林，范博士2019年入選國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃，同年8月加入浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院擔(dān)任“百人計(jì)劃”研究員。主要從事二次電池（包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池等）等能源存儲(chǔ)器件的界面工程及相關(guān)電解液/電解質(zhì)的設(shè)計(jì)研究，在Science, Nature Nanotech., Nature Mater., Nature Energy等期刊發(fā)表SCI論文150余篇。
我們與范博士探討了動(dòng)力電池正負(fù)極材料的創(chuàng)新、固態(tài)電池的難點(diǎn)與可能性、電池研發(fā)中的折中思路、最近1-3年有哪些值得關(guān)注的技術(shù)突破……如果你想更系統(tǒng)地了解動(dòng)力電池，請(qǐng)參考我們上一篇文章（《動(dòng)力電池全面爆發(fā)時(shí)刻，誰(shuí)將引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革新？》），還可關(guān)注我們的欄目，未來我們還會(huì)分享一系列分析研究。以下，Enjoy：
經(jīng)緯：您曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)外對(duì)鋰金屬電池、鋰離子電池等能源存儲(chǔ)器件的界面工程，及相關(guān)電解液領(lǐng)域做過很多科研工作，可否介紹一下您在浙大課題組的研究方向？
范修林：現(xiàn)在我們課題組主要研究的是電解質(zhì)，包括液態(tài)電解液和固態(tài)電解質(zhì)。液態(tài)電解液現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，如果能有一點(diǎn)小小的突破，就能快速轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，它是短期可行的。而對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)，中短期固液混合可能可以走到商用，但對(duì)于中長(zhǎng)期的全固態(tài)，它跟液態(tài)的技術(shù)方案、工藝是完全不同的，目前誰(shuí)也說不準(zhǔn)什么時(shí)候才能真正地大規(guī)模應(yīng)用。
任何一項(xiàng)新技術(shù)都會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)，有時(shí)候雖然看上去就差臨門一腳，但往往在產(chǎn)業(yè)界，最終被臨門一腳卡住的，也完全有可能出現(xiàn)。所以我們實(shí)驗(yàn)室布局了三方面：純液態(tài)、液固混合、全固態(tài)，也是基于短期、中期、長(zhǎng)期的思考，對(duì)于未來的最終高安全的全固態(tài)我們充滿希望。
課題組成員在組裝電池及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試用的幾種電池——扣式電池，固態(tài)電池，軟包電池
經(jīng)緯：從正極材料的演進(jìn)史來看，直到現(xiàn)在形成了磷酸鐵鋰與三元并駕齊驅(qū)，您覺得有沒有哪些規(guī)律是可以總結(jié)回顧的？
范修林：我覺得關(guān)鍵是兩點(diǎn)，一個(gè)是能量密度，一個(gè)是安全性。為什么會(huì)形成磷酸鐵鋰和三元兩條路線？一個(gè)很重要的原因是我們可選的正極材料沒有很多，主要就是鈷酸鋰、三元、磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰等，其中鈷過于昂貴，很難大規(guī)模應(yīng)用，所以就退而求其次選擇三元，用鎳和錳取代一部分鈷，讓成本降下來。
為什么最終磷酸鐵鋰能起來？主要是三元雖然能量密度高，但安全性不夠好，尤其在溫度高的情況下，容易跟電解液發(fā)生副反應(yīng)，可能會(huì)產(chǎn)生自燃。磷酸鐵鋰雖然比三元能量密度低，但安全性高了很多，成本也更低。于是就形成了磷酸鐵鋰和三元兩條技術(shù)路線，看你需要什么。
我們?cè)谶x擇一款材料的時(shí)候，一定是去綜合考慮。比如不少人嘗試的負(fù)極材料鈦酸鋰，它若取代石墨，好處是能實(shí)現(xiàn)快充，并且鈦酸鋰的倍率性能本身比石墨好。但問題是，也正是因?yàn)殁佀徜嚨碾娢桓撸?fù)極的電位越高，會(huì)導(dǎo)致配成的全電池的電壓越低，我們知道電池的能量密度是電壓×容量，所以電壓越低意味著能量密度越低。這就導(dǎo)致鈦酸鋰電池的能量密度至少要低30%。所以雖然說鈦酸鋰安全，但對(duì)能量密度的損失太大了，在商業(yè)化上就會(huì)遭遇阻力。
經(jīng)緯：近期負(fù)極的趨勢(shì)是，大家都在往硅基嘗試，您怎么看硅基的潛力？為什么會(huì)選擇硅基？
范修林：我們研究硅基負(fù)極，更準(zhǔn)確說是硅碳復(fù)合材料，是為了進(jìn)一步提升能量密度。決定電池能量密度的就是正負(fù)極，正極的磷酸鐵鋰和三元已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致，提升空間比較小了，而負(fù)極的潛力還挺大的。
當(dāng)下我們常用的石墨，理論容量只有372mAh/g，而我們的動(dòng)力電池產(chǎn)品已經(jīng)接近了這個(gè)理論容量。而硅的理論容量是石墨的10倍左右，如果用哪怕10%的硅來取代石墨，都可以令負(fù)極的容量有非常大的提升。
無論是石墨還是硅，它們都有體積膨脹的問題，石墨的體積膨脹率在10%-13%左右，是可以接受的。然而硅雖然有這么高的理論容量，但是它在脫嵌鋰的過程中，如果是純硅體積膨脹率會(huì)高達(dá)300%，這會(huì)引起負(fù)極表面SEI界面層的持續(xù)生成，造成電解液的極大消耗，進(jìn)而引起電池循環(huán)壽命的急劇衰退。
目前的解決辦法是選擇折中路線，我們用5%-20%的硅來取代石墨，形成石墨和硅的復(fù)合材料作為負(fù)極，在體積膨脹率可以接受的情況下，進(jìn)一步去提升容量。
所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)電池的時(shí)候，其實(shí)是一種性能上的平衡，當(dāng)你想提升某個(gè)指標(biāo)的同時(shí)，盡量不要引起其他指標(biāo)太大的衰退，有時(shí)候就需要取一個(gè)折中。
經(jīng)緯：您剛才提到的這種折中思路，其實(shí)廣泛應(yīng)用在動(dòng)力電池的各個(gè)方面。對(duì)于正極的金屬元素，怎么配置比例實(shí)際是一種排列組合，要依據(jù)使用場(chǎng)景來有所取舍。所以很多觀點(diǎn)認(rèn)為，電池領(lǐng)域比較難有顛覆式創(chuàng)新，也不會(huì)有摩爾定律這樣的東西，更多是漸進(jìn)式創(chuàng)新，您怎么看這個(gè)問題？
范修林：電池領(lǐng)域的確不會(huì)有類似摩爾定律出來，回顧歷史，從1991年開始，這一年是鋰離子電池被索尼公司開發(fā)出來并首次商用，第一代鋰離子電池的能量密度，就能夠達(dá)到80瓦時(shí)每公斤，經(jīng)過30多年的優(yōu)化，現(xiàn)在鋰離子電池的能量密度也就提升了3倍多，達(dá)到240-280之間。但即便是這3倍的增幅，大部分也是工程的角度。
索尼公司推出的第一代鋰電池，它的正極材料就是鈷酸鋰，跟目前手機(jī)上用的3C電池是沒有任何改變的。當(dāng)然負(fù)極有改變，索尼當(dāng)年用的是石油焦炭，我們現(xiàn)在換成了石墨，帶來了一定的容量提升，但大部分能量密度的提升，主要還是從工程的角度。
這些工程包括了，正負(fù)極的集流體，負(fù)極的銅箔和正極的鋁箔厚度進(jìn)一步降低，讓活性物質(zhì)的載量進(jìn)一步提升，隔膜的厚度進(jìn)一步降低，電解液的注液量進(jìn)一步降低，這些改進(jìn)導(dǎo)致能量密度提升。
換句話說，由于鋰離子電池工作的機(jī)制是鋰離子的運(yùn)動(dòng)，它跟摩爾定律的電子完全不能同日而語(yǔ)。
經(jīng)緯：我記得您的研究室對(duì)鉀離子電池有所研究，鉀離子電池還比較小眾，您怎么看它的前景？
范修林：對(duì)，這是我們稍微的探索。比如說鈉離子電池，因?yàn)殁c金屬的電位比鋰金屬的電位高了0.3伏，這0.3伏就會(huì)使鈉離子電池的能量密度，比鋰離子電池低，而鉀比鋰只高了0.1伏，從理論上來說電壓就跟鋰更近一些，所以我們想看看鉀離子電池，有沒有可能在一些細(xì)分領(lǐng)域有應(yīng)用的可能，當(dāng)然我們現(xiàn)在僅僅是實(shí)驗(yàn)室的探索。
經(jīng)緯：鈉離子電池最近也有所升溫，您覺得它未來的應(yīng)用場(chǎng)景是哪些？
范修林：關(guān)于鈉離子電池，我們實(shí)驗(yàn)室也有一定的探索。鈉離子最近的升溫，可以說是受鋰離子電池的帶動(dòng)。鋰離子電池發(fā)展越迅猛，鈉離子電池發(fā)展也越好。鈉離子電池從能量密度的角度來說，是不如鋰離子電池的，但鋰離子電池發(fā)展太猛了之后，尤其是鋰資源比較稀缺，分布也不均勻，導(dǎo)致跟鋰離子電池相關(guān)的原材料價(jià)格暴漲，碳酸鋰去年漲了好幾倍，鋰鹽六氟磷酸鋰去年也漲了六、七倍，這樣的成本飆升讓市場(chǎng)受不了。
此時(shí)鈉離子電池的機(jī)遇就出現(xiàn)了，在需要高能量密度的場(chǎng)合用鋰離子電池，而在對(duì)能量密度要求沒有那么高的領(lǐng)域，就可以用鈉離子電池進(jìn)行一些補(bǔ)充。
目前我們國(guó)家提倡碳中和目標(biāo)，這就會(huì)帶來一個(gè)非常大的儲(chǔ)能市場(chǎng)，鈉離子電池有可能會(huì)在儲(chǔ)能領(lǐng)域有很好的機(jī)遇。
經(jīng)緯：當(dāng)我們提到最具想象力的新技術(shù)，非固態(tài)電池莫屬。但固態(tài)電池目前實(shí)現(xiàn)的難度還很大，“固固接觸”問題就是橫亙?cè)谒腥嗣媲暗囊坏揽?。您目前有看到，在全球范圍?nèi)，有哪些能解決這個(gè)問題的可能性嗎？
范修林：大家對(duì)固態(tài)電池為什么充滿信心？我覺得是因?yàn)橛幸粋€(gè)很好的示范性先例，上世紀(jì)80年代，在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家首次將全固態(tài)電解質(zhì)LiPON應(yīng)用在了薄膜電池里面，因?yàn)槭钦龢O通過濺射沉積上去的，這樣使得固態(tài)電解質(zhì)LiPON與正極界面接觸非常好，使得這個(gè)電池應(yīng)用起來非常好，可以用十幾年都沒問題。
正是因?yàn)橛羞@個(gè)成功的先例在，所以大家都在拼命研究。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室這個(gè)是薄膜電池，其中的LiPON固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率比較低，正負(fù)極載量比較小，所以它的能量密度比較低，大家千方百計(jì)想把固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提升，同時(shí)正極和負(fù)極的容量增大，這樣就可以轉(zhuǎn)接到動(dòng)力電池上。
但問題是，薄膜電池從工程的角度來說，一旦把極片載量增大，就會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的問題。薄膜電池的體積膨脹率很小，正負(fù)極是沉積到固態(tài)電解質(zhì)上去的，接觸面就不會(huì)存在問題。
但到動(dòng)力電池上就不能這么操作，因?yàn)閯?dòng)力電池這么大的能量密度，會(huì)有很大的體積膨脹，然后就會(huì)出現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)跟正負(fù)極脫離接觸，這個(gè)問題本質(zhì)上是一個(gè)工程問題。雖然大家都在拼命思考和想去解決這個(gè)難點(diǎn)，但目前為止，很遺憾似乎還沒有一個(gè)十全十美的解決方案。
經(jīng)緯：全固態(tài)因?yàn)楣坦探佑|問題很難解決，所以有些人轉(zhuǎn)去做半固態(tài)，您覺得半固態(tài)會(huì)是一個(gè)非常重要的過渡方式嗎？也有觀點(diǎn)認(rèn)為，半固態(tài)改進(jìn)幅度有限，可能只是一個(gè)很短暫的過渡，您怎么看？
范修林：我覺得半固態(tài)不是一個(gè)過渡，它可以算是固態(tài)電池的一種，甚至如果全固態(tài)電池走不通的話，也有可能成為一個(gè)最終的解決方案，這些現(xiàn)在都還很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
對(duì)于半固態(tài)，其實(shí)在3C電池領(lǐng)域，膠狀電解液已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用了，這也可以看成是一種半固態(tài)電池。半固態(tài)吸取了部分液態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)，比如固液混合電解質(zhì)與正負(fù)極的接觸，很好的繼承了液態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，所以半固態(tài)發(fā)展起來也更容易一些。
當(dāng)然，半固態(tài)現(xiàn)在面臨的巨大問題是，它的倍率性，或者說是傳輸鋰離子的行為，跟液態(tài)電池相比還是差一些。如果未來能把用在3C電池上的技術(shù)方案，進(jìn)一步提升離子電導(dǎo)率，轉(zhuǎn)接到動(dòng)力電池上也是很有潛力的，很多人也在往這個(gè)方向研發(fā)。
總之，畢竟全固態(tài)需要解決的困難太大了，也許未來會(huì)誕生折中路線。
經(jīng)緯：您覺得在產(chǎn)業(yè)層面，如果要迭代成固態(tài)電池，那么整個(gè)生產(chǎn)線需要重新搭建嗎？目前液態(tài)電池生產(chǎn)線有復(fù)用性嗎？
范修林：我認(rèn)為產(chǎn)業(yè)層面要更新迭代的，甚至是要完全換掉的。對(duì)于液態(tài)來說，正負(fù)極涂極片、烘干、組裝，然后再注液，這個(gè)生產(chǎn)路線非常成熟。正是因?yàn)檫@種固體正負(fù)極+液態(tài)電解液的耦合方式，使其能夠大規(guī)模且快捷地生產(chǎn)。
但如果是固-固-固的全固態(tài)電池，不能用這種方式進(jìn)行組裝，很有可能是固態(tài)再沉積一層固態(tài)，然后再沉積一層固態(tài)，這個(gè)路線改革起來會(huì)非常困難，目前還沒有人能夠用這種方法低成本、大規(guī)模生產(chǎn)高能量密度的固態(tài)電池。至于未來固態(tài)電池在產(chǎn)業(yè)層面怎么發(fā)展，目前還很難預(yù)測(cè)。
經(jīng)緯：那么除了固固接觸的問題，您覺得還有哪些方面是固態(tài)電池急需攻克的問題？
范修林：再就是成本。固態(tài)電池有幾種技術(shù)方案，比如豐田走的是硫化物方案。液態(tài)電池之所以大規(guī)模生產(chǎn)很容易，是因?yàn)楹芏嘣牧显诨ど弦呀?jīng)很成熟，也很便宜。比如現(xiàn)在生產(chǎn)碳酸酯的成本是非常低的；另一個(gè)重要材料六氟硫酸鋰雖然對(duì)水比較敏感，但現(xiàn)在的工藝也已經(jīng)非常成熟了，非常容易能生產(chǎn)出水含量滿足要求的產(chǎn)品。但固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)，像硫化物的生產(chǎn)成本還比液態(tài)電解液要高很多。但預(yù)期在后續(xù)的持續(xù)發(fā)展中，像硫化物電解質(zhì)這樣的固態(tài)電解質(zhì)成本會(huì)有較大幅度降低。
另一方面原料的成本也很高，固態(tài)電解質(zhì)的鋰磷硫，有些人會(huì)用鋰磷硫氯、鋰鍺磷硫等等幾種元素，尤其是如果要用到鍺這種元素的話，成本就要高很多，這是以硫化物電解質(zhì)為舉例。
目前還有氯化物電解質(zhì)的路線，這里面要用到鋰銦氯這三種元素，有一些還會(huì)用到鋰釔氯，而銦和釔的原材料成本也很貴。
總結(jié)起來兩個(gè)因素，一個(gè)是生產(chǎn)成本，一個(gè)是原材料成本，剛剛提到的銦、釔、鍺都比鈷要貴，這些也是限制固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展的兩個(gè)難點(diǎn)。
經(jīng)緯：主流觀點(diǎn)認(rèn)為，全固態(tài)電池比液態(tài)電池有很多性能上的優(yōu)勢(shì)，比如安全性、能量密度都會(huì)大幅提升，您覺得從性能上來說，固態(tài)電池有什么缺點(diǎn)嗎？
范修林：你剛才所說的全固態(tài)電池這幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，目前還只是理論上的優(yōu)點(diǎn)，畢竟還沒有大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)際情況如何還有待驗(yàn)證。
比如說固態(tài)電池的安全性，很多人都說是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但如果走硫化物路線的話，電解質(zhì)如果暴露在空氣中有可能會(huì)產(chǎn)生硫化氫氣體，萬一電池破損或是產(chǎn)生泄露問題，也會(huì)有毒性問題。
我們所說的安全，確實(shí)是全固態(tài)電池著火的概率低了，這方面的安全性的確提升了，但是又新產(chǎn)生了防止氣體泄漏的問題，這也是固態(tài)電池需要克服的地方。
另一方面，全固態(tài)電池的能量密度更高，但也有一個(gè)前提，就是固態(tài)電解質(zhì)的厚度要比液態(tài)的隔膜厚度還要薄才行。液態(tài)電池中的隔膜現(xiàn)在可以做到10-20微米，那么固態(tài)電解質(zhì)的厚度一定要降到這個(gè)以下，才有意義，但目前來說并不容易實(shí)現(xiàn)。
此外，全固態(tài)電池的電化學(xué)體系，也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。目前商用的液態(tài)電池正極是鈷酸鋰、三元或磷酸鐵鋰，負(fù)極用的是石墨，整體安全性是不錯(cuò)的。全固態(tài)電池如果負(fù)極從石墨換成鋰金屬，理論上能量密度會(huì)有非常大的提升，但出現(xiàn)短路的概率比液態(tài)更高。
所以無論是安全性問題，還是能量密度更高引起一些新問題，都是大家亟待攻克的難點(diǎn)。固態(tài)電池有很多優(yōu)點(diǎn)，但其中也隱藏著不少難以分辨的缺點(diǎn)，有些缺點(diǎn)只有我們?cè)诖笠?guī)模應(yīng)用之后，才能進(jìn)一步地判斷它是不是適合大規(guī)模生產(chǎn)。
就好像在上世紀(jì)80年代末，那時(shí)鋰金屬電池也登上過歷史的舞臺(tái)，加拿大Moli Energy公司把鋰金屬電池商用了。剛開始推出市場(chǎng)的時(shí)候，由于鋰電池的能量密度比當(dāng)時(shí)的鎳氫、鎳鉻電池都提升了一倍以上，立刻引起了市場(chǎng)轟動(dòng)。
但也僅僅過了三個(gè)月到半年的時(shí)間，就發(fā)生了大量自燃、爆炸事件，然后Moli Energy公司就不得不把電池全部召回，這家公司也僅僅存活了一年不到的時(shí)間就破產(chǎn)了。所以很多時(shí)候，只有實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用之后，才能對(duì)這個(gè)體系有更客觀的評(píng)價(jià)。
經(jīng)緯：嗯是，所以全固態(tài)電池如果想量產(chǎn)，其實(shí)不是僅靠某一家電池廠就能做到的，而是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都得有配套，就像芯片行業(yè)龍頭阿斯麥（ASML），很多核心零部件都是外購(gòu)。固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈未來也需要有足夠多細(xì)分環(huán)節(jié)的公司出現(xiàn)，共同推動(dòng)整個(gè)行業(yè)往前走。
范修林：對(duì)，可以這么說。但是當(dāng)下，急需出現(xiàn)一家領(lǐng)頭的公司，能夠向市場(chǎng)展示這是一條可行的道路。就好像現(xiàn)在電動(dòng)汽車被大家認(rèn)可，大家最應(yīng)該感激的應(yīng)該是特斯拉，因?yàn)槭翘厮估紫葘?shí)現(xiàn)了最大規(guī)模的量產(chǎn)，向人們展示這條路是可以走通的。
最開始特斯拉的電動(dòng)車，就是采購(gòu)18650電池，密密麻麻地排在底盤上。一節(jié)電池可以供一個(gè)小的電動(dòng)玩具車的電量，而將7000節(jié)組裝在一起的時(shí)候，這就是一個(gè)工程學(xué)問題，它足以支撐電動(dòng)汽車的里程續(xù)航。這條路走通了，才激勵(lì)了后面這么多的電動(dòng)車企業(yè)。
所以我覺得固態(tài)電池也一樣，急需一家能夠振奮人心的領(lǐng)頭公司出現(xiàn)，有了帶動(dòng)之后，各方面參與者才會(huì)鋪天蓋地地投入到這個(gè)領(lǐng)域中來。對(duì)于全固態(tài)鋰電池可以用一句話來概括：道阻且長(zhǎng)，行則將至；行而不輟，未來可期。
