2017年3月1日，四部委印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，对电池性能、产能、安全性、材料和装备提出明确要求。面对1000亿瓦时的跨越式发展图景，产业界当如何面对“层出不穷”的新技术?本刊日前采访了中国科学院院士、清华大学材料科学与工程研究院院长南策文，他认为，全固态锂电池会极大提高安全性和性能，但在实现产业化之前，尚需不断提升现有技术。未来，随着新型材料的不断发现，锂电池技术和产业发展空间无限。
解决安全问题的“金钥匙”
《能源评论》：2017年，随着电动汽车规模的迅速扩大，安全问题得到了空前的重视。您认为，与传统锂电池相比，全固态锂电池优势在哪里?
南策文：简单来讲，传统锂离子电池是正、负极被隔膜分开，并灌入有机电解液的结构。电解液易渗出，特别遇到正负极短路或者过充等，将导致温度快速升高，电解液蒸发分解，产生大量气体，从而使电池出现安全问题，甚至导致电池燃烧爆炸。
全固态锂电池是用全固态电解质发挥二合一的功效，取代传统电池里的隔膜和电解液，从而解决安全问题。同时，采用全固态电解质后，可以使用金属锂作为负极，从而提升能量密度。
安全问题是产业发展的关键和基础，也关系电池行业生存的根本；能量密度是业界研发的一个核心，关系行业发展的前景。从解决安全问题、用现有的材料来提高能量密度角度来看，全固态锂电池可预期满足产业发展的需求，值得大力发展。
《能源评论》：基于现有技术，能否较好地解决安全问题?
南策文：现有多种技术手段用来提高锂离子电池的安全性，例如电池管理系统(BMS)。但BMS是“治标”手段，“治本”还需从电池材料本身着手。其中，采用陶瓷隔膜是提高锂离子电池安全性的一个很好的方向。就是在隔膜的基材上，涂上一层纳米陶瓷(Al2O3)颗粒涂层，增加了隔膜机械强度和耐热收缩性，减少正负极直接短路的可能性，从而提高安全性。新一代陶瓷隔膜产品是一种纳米陶瓷纤维涂覆隔膜(江苏清陶能源生产)，具有更好的耐热等性能，对提高锂离子电池安全性更有效。第二代产品是活性陶瓷纤维涂覆隔膜，使用陶瓷电解质纤维，除了可以改善安全性以外，还会提升锂离子传导速率，从而提高电池倍率性能。总的思路是，先通过陶瓷隔膜，改善现有锂离子电池的安全性，逐步发展到把隔膜、电解液用全固态电解质替代，以期完全解决安全问题。
《能源评论》：这样看来，全固态电解质堪称解决电池安全的“金钥匙”，基于当下的产业布局、研发情况，您认为，业界应该选择什么样的发展策略?
南策文：目前法国Bolloré、美国Sakti3和日本丰田分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术研发方向。实际上，几种方式结合起来也是一种思路，比如把无机材料跟有机材料结合起来，总体原则是要在多个方案中间进行尝试。未来更可能的发展策略是慢慢过渡，逐渐减少电解液用量，例如，从20%~30%减少到5%~10%，甚至0，从半固态逐渐发展到全固态。
虽然目前全固态电池体型“远水解不了近渴”，尚无法实现产业化，但在此之前，业界一直在不断改进现有技术，逐步提高现有电池的安全性、能量密度等问题，比如完善现有材料配比、改善电解液性能、电池管理系统(BMS)等等。
科研与产业化：从1%到100%
《能源评论》：对于全固态锂离子电池的产业化日程，您有何预期?
南策文：对于产业化，国内的提法一般是到2020~2025年实现，也有专家提出来要争取在五年之内产业化。这个目标需要大家共同努力，才有可能实现。当然，也取决于产业化标准，在多大程度、多大规模上实现。比如，据报道德国宝马公司的目标是到2028年，日本丰田公司并未宣布商业化日程，但是较早就在全固态电池领域投入力度很大，一直在鼓足劲加油干。
《能源评论》：未来，全固态锂离子电池会应用于哪些领域?
南策文：全固态电池目前主要是应用于一些特殊的行业，比如对安全性有绝对要求的特种航天、医疗等。未来在动力、储能等领域具有很好的前景。
《能源评论》：全固态锂电池作为一项新技术，不可避免会有技术不够成熟、成本偏高等问题。对于认为成本偏高是其产业化最大瓶颈的看法您如何评价?
南策文：全固态锂电池的倍率性能整体偏低等问题，都是科学技术问题，需要慢慢解决。成本问题不是最大的瓶颈。实际上，任何新技术、新产品刚一开始出来，成本都较高，一旦生产技术成熟、产量上去了，成本自然而然就能下来，所以成本是工业界解决的事情，不是学术界能解决的问题。
同时，实验室研究和产业化追求的目标不一样。做研究追求1%的可能性、可行性，可以通过不断试错创新，发现新的材料，只要存在可能性，哪怕1%也可以；产业界追求的是99%甚至100%的可靠性和一致性，一点都不能差，而且各个方面都要考虑周到，所以要把1%变成99%甚至100%，中间还需要一个转化的桥梁和过程，需要慢慢从实验室、中试逐渐完善，然后放大成熟，实现完全可控。
发展没有“天花板”
《能源评论》：化学电池的突破，依赖材料科技的创新。从这个角度，您如何评价全固态锂电池研发的方向?
南策文：和一般人理解不同，锂离子电池和普通电子元器件不一样，实际上是个很复杂的系统。比如正极、负极是多种材料复合在一起的，电解液和隔膜也可是多种的混合物。
全固态电池看似简单，其实也很复杂。比如，液态锂离子电池的正极层中，包含了正极活性物质，导电剂、电解液、粘结剂等多种成分，假如换成全固态电解质，因为正极层中没有电解液渗透，多种成分的配比组合问题会很复杂。做液态锂离子电池就像我们和沙子搅水泥铺地面，加水就可以让石子、沙子与水泥调和，但是在全固态电池没有液态物质参与，如何解决固态跟固态材料的界面问题并保证有效物质的活性，挑战很大。
《能源评论》：您认为，由磷酸铁锂、三元、高镍三元再到全固态电池的技术路线，会是什么样的演进格局?
南策文：单体电池的能量密度要达到300瓦时/千克，在现有技术体系上研发新产品，难度也不小。一旦超过400~500瓦时/千克，则更需要新的突破。从技术上来说，演进路线是按照时间进行的，但不同技术水平的电池并不是你死我活的关系，可能是并存共生的格局。这意味着，并不是出现新一代电池后，其它电池就会完全淘汰，可能是一个逐渐交替的过程，而且也可能并存较长时间。以铅酸电池为例，虽然其能量密度较低，污染也较大，但到目前为止，铅酸电池并未被锂离子电池完全取代，而且发展得也挺好。原因就在于其成本低、安全性还可以，而且较好解决了回收循环利用等问题，所以至今一直还和锂离子电池并存。不同电池有各自不同特点，存在于不同的适合自身的应用领域。《能源评论》：就能量密度而言，作为排在元素周期表第3位的元素，锂金属电池理论上可以达到700瓦时/千克，这会是电池储能的极限吗?
南策文：这当然不是极限。电池的能量密度是需要综合考虑正极和负极材料，如果发现新的正极材料，比容量和电压比三元或者现有材料要高出很多，电池的能量密度还要上涨。锂电池的极限，或者天花板，至少目前从技术上还看不到。如果非要确定相对的极限，作为高出目前锂离子电池能量密度一个多数量级的锂空气电池，也许可以想象为极限(理论能量密度约为3500瓦时/千克)，但700瓦时/千克不是极限。
