三元锂电池的天然缺陷：能量密度和稳定性相互矛盾？

三元锂电池被固态电池取代的节奏正在变快。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所宣布，由其牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题已通过验收，这一技术进步将进一步推动国内全固态锂电池的规模应用。

此消息一出，立即在电池行业中引起巨大反响。

业内人士告诉第一电动网：“以目前的三元锂电池的技术路线，动力电池能量密度单体要做到350Wh／kg的目标，在五年内基本不可能实现。而且，即便实现了，安全性也无法得到保障。因此，固态电池商业化能否突破，对汽车电动化的前景影响重大。”

作为电动汽车的核心，电池领域的突破无疑将对电池乃至汽车领域的发展产生重大影响，那么，固态电池能否马上取代三元锂电池？距离市场化还有多远？

三元锂电池的天然缺陷：能量密度和稳定性相互矛盾

“某一家企业单去年一年就有60起电动汽车燃烧爆炸事故。”在刚刚举办的中日韩锂电论坛上，北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁教授透漏。

其教授认为，三元锂电池存在很多缺陷，安全问题十分令人担忧。“无论从化学结构来讲，还是从电池结构来讲，三元材料都非常容易发热。如果不能把热量及时传导出去，电池就有爆炸的风险。然而现阶段，在电池的安全性、可靠性上，还没有完善的解决办法。“

除安全问题外，就增加电动汽车续航角度而言，三元锂电池的单体能量密度也已接近极限，难以被突破。电池包供应商正力蔚来常务副总裁周楠告诉第一电动：“现在，无论是行业政策，还是市场需求，新能源汽车对动力电池能量密度的要求都很高。在现有技术路线的体系下，要提高能量密度，只能提高镍材料或者添加CA，但高镍的热稳定性很差。所以，传统的电池一旦能量密度提高，也意味着稳定性的下降，电池内部热反应会非常剧烈，安全就成了很大的问题。”

正因为这样的原因，国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组专家肖成伟曾公开表示，三元锂离子动力电池目前已经看到能量密度的“天花板”了，高镍材料、碳硅负极的锂电池单体能量密度最高应该在300Wh／kg左右，正负不超过20Wh／kg。

按照国家动力电池技术路线图的规划，2020年锂离子电池的单体能量密度目标为350Wh／kg。从目前来看，这一目标已然不能实现。

而为了保证动力电池的高能量密度和安全性，固态电池研发的进展，给这个行业带来了光和亮。

国内外企业争相布局，固态电池成趋势

固态电池，顾名思义是一种使用固体电极和固体电解质的电池。由于固态电池电极和电解质都由固态物质制成，其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时也克服了锂枝晶现象，即使被加热到非常高的温度，也不会着火，因而安全性更高。搭载全固态锂电池的汽车，自燃概率会大大降低。可以说，是下一代新能源汽车动力电池的理想对象。

目前，越来越多的国内外企业和研究机构将重心集中到了全固态锂电池上，也有不少汽车厂商都透露过基于固态电池打造电动汽车的计划。比如，大众曾宣布计划研发续航1000km固态电池；丰田汽车预计2022年完成固态电池的研发工作，并计划于2030年实现量产；日本经济省更是在2017年宣布出资16亿日元，联合丰田、本田、日产、松下、GS汤浅、东丽、旭化成、三井化学、三菱化学等国内顶级产业链力量，共同研发固态电池，希望2030年实现800公里续航目标。

国家新能源汽车重点科技专项首席专家欧阳明高院士也曾指出，国内不少科研院所、企业布局固态电池领域，中科院宁波材料所跟赣锋锂业合作，正在推进其产业化，计划2019年量产固态电池。

作为新能源汽车的“心脏”，动力电池无疑会决定新能源汽车的未来。业内人士普遍认为，动力电池未来发展路径是电解质从液态、半固态、固液混合到固态，最终必将实现全固态的过程。这促使初创公司，大学和特斯拉等知名巨头对电池技术的新一轮投资和研究。

丰田的时间表相对靠谱，固态电池量产可能要等到2030年

然而，固态电池想要进一步发展，尚需解决多重难题。

周楠告诉第一电动：“固态电解质是固态电池发展的关键，固态电池没有液体的浸润，同时也不需要隔膜，只用把固态电解质当成隔膜，放在正极极片和负极极片当中，那么金属物质的材料就变得尤为关键。”

电解质材料是全固态锂电池技术的核心，目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高温性能好，已经有商业化的应用案例；氧化物循环性能良好，适用于薄膜柔性结构；硫化物电导率最高，是未来主要方向。

不过，目前还有几个具体难题需要克服：

一是界面的导电率，固态电池导电率要维持在在适当的水平，不能过高，也不能过低，这样的材料非常难开发。

二是没有找到即兼顾高倍率又能快充的复合性材料，现在用的固态电解质材料只能容纳其中某一方面特性。

一位不愿具名的业内人士也表达了相同的看法。他认为：“固态电解质具有高的电阻，在功率密度方面还存在一些待解决的问题，需要从固态电解质、正负极材料上着手。电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面都存在不小的挑战，一旦这些问题能够有效解决，必将在未来掀起一场新的电池革命。”

既然困难重重，固态电池在新能源汽车上的全面应用，还有多长的路要走？

欧阳明高曾表示，预计全固态锂电池会在2025－2030年之间取得突破。今年5月，丰田动力总成部门的总经理Shinzuo Abe透露：“丰田期望在2020年以后能制造出固态电池，但若要实现固态电池的量产，还需要等到2030年以后。”

已在电池行业深耕十几年的周楠向第一电动坦言：“从跟以往的经验来看，丰田计划和实际情况基本上是能达到一致的。也许在最近这几年里，他们就能够推出固态电池，但具体产能是怎么样，成本能不能适应市场，还要打一个大大的问号。”

国内车市虽然蒙上了一层阴霾，但是在这阴霾之下，仍有一股强势的火苗在奋力燃烧。数据显示，在车市负增长的环境中，新能源汽车的市场表现又给人以希望，2018年新能源汽车产销分别完成127．05万辆和125．62万辆，比上年同期分别增长59．92％和61．74％。值得注意的是，这其中纯电动汽车产销分别为98．56万辆和98．37万辆，比上年同期分别增长47．85％和50．83％。由此可以看出，新能源汽车市场正在以较快速度扩大，然而对于新能源汽车来讲，三电技术是新能源汽车发展的重中之重。

有意思的是，在这之中，多数汽车选择自己研发电控及电机技术，而电池包来自各个供应商。如此看来，新能源汽车的发展与动力电池行业息息相关。目前电池产业拥有数十个电池厂商，可是在不少行业内人士看来，有些企业只是谋求在动力电池行业中分一杯羹，造成了行业内发展水平参差不齐的现象。

为进一步加强锂离子电池行业管理，推动产业加快转型升级，工信部在2015年颁布了《锂离子电池行业规范条件》（以下称规范）和《锂离子电池行业规范公告管理暂行办法》（以下称暂行办法），并且在今年1月2日公开征求对《锂离子电池行业规范条件（2018年本）》（以下称规范2018年本）和《锂离子电池行业规范公告管理暂行办法（2018年本）》（以下称暂行办法2018年本）的意见，新的修订版就将明天（2月15日）正式施行。

为此，吴声汽车记者对新旧版本的文件做了比对，进行梳理。吴声汽车记者注意到，对比之前发布的文件，修订后的《规范条件》和《管理暂行办法》在技术、材料，以及管理等多方面有了新的要求。

强调技术升级 取消规模限制

《规范》中曾提到企业应满足多项规模要求：电池年产能不低于1亿瓦时；正极材料年产能不低于2000吨；负极材料年产能不低于2000吨；隔膜年产能不低于2000万平方米；电解液年产能不低于2000吨，电解质产能不低于500吨。

然而，《规范2018年本》取消了对生产规模的相关要求，而是针对技术创新和技术指标提出了要求，主要包括两点：一是应具有电池正负极材料铁、锌、铜等金属有害杂质检测能力，检测精度由不低于1ppm，精确到不低于10ppb，要求提高了100倍；二是规定研发经费不得低于当年企业主营业务收入的3％。

除此外，《规范2018年本》不再要求企业必须具有高新技术企业资质或省级以上独立研发机构、技术中心，改为鼓励企业取得高新技术企业资质或省级以上研发机构、技术中心。有行业专家表示，这一调整似乎意味着将锂离子电池行业未来的发展交给市场，可以在行业中淘汰不合格企业，从而促进锂离子电池行业健康发展。

鼓励智能制造

相较旧版而言，《规范2018年本》增加了智能制造和绿色制造的相关规定。

在智能制造方面，鼓励企业加强顶层设计，促进自动化装备升级，推动自动化水平提高；鼓励企业推动生产设备联网与数据采集，推动企业数字化建设；鼓励企业降低运营成本，缩短产品生产周期，提高生产效率，降低产品不良品率，提高能源利用率，将自动化、信息化及智能化等贯穿各个环节。

倡导绿色制造

在绿色制造方面则特别提出，鼓励企业打造绿色供应链，建立以资源节约、环境友好为导向的采购、生产、营销、回收及物流体系，促进供应链中的利益相关方遵守行业标准与规范，落实生产者责任延伸制度，建立废弃锂离子电池回收处理体系。

强化监督管理

在监督管理层面，《规范2018年本》相较于《规范》有所增加，明确提到各级工业和信息化主管部门会同有关部门对当地企业执行本规范条件的情况进行现场核实。工业和信息化部组织研究机构、检测机构对企业进行检查，定期公告符合本规范条件的企业名单，并会同有关部门组织相关机构对已公告企业产品进行抽查，实行社会监督、动态管理。

根据《暂行办法2018年本》，工信部负责全国锂离子电池行业规范公告管理工作，组织对企业申请材料进行复核、抽检、公示及公告，发布锂离子电池行业规范公告名单并实施动态管理。企业申报时上一年实际产量应不低于实际产能的50％。同时也要求，企业严格控制新上单纯扩大产能、技术水平低的锂离子电池（含配套）项目。对促进技术创新、提高产品质量、降低生产成本等确有必要的新建和改扩建项目，由行业主管部门按照相关规定组织论证，论证通过可予以实施。

电池与上游材料、整车企业、环境保护、及其他环节的协同发展，以及动力电池的技术突破将直接影响动力电池，乃至新能源汽车的发展前景。当前，电池产业链还需要通过制定产期发展规划、严控资源开采、加快电池回收体系建设、突破核心技术、加强协同合作等来创造动力电池产业良好的发展环境，促进产业健康、可持续发展。

在行业人士眼中，新政的简化了对锂离子电池四大材料企业的产能和工艺技术参数要求，将技术主导权进一步归还给企业，与此同时一些技术不达标的落后产能也将逐渐被市场淘汰。而针对锂离子电池的上游材料生产企业质量检测的标准提高，无疑也将对包括新能源车用动力电池在内的相关锂电原材料质量提升有着重要意义。同样，在崔东树看来，电池技术路线很重要，如果技术方向正确，其未来发展就会很顺利，政策也会使其受益。