①高能量、長壽命無人機(jī)電池組

②高功率智能儲能電柜

③高能量混合固液動力電池系統(tǒng)

④混合固液動力電池裝車示范

李泓團(tuán)隊供圖

“固態(tài)鋰電池要大干快上，引領(lǐng)電動中國。”近日，中國工程院院士陳立泉在第七屆中國電動汽車百人會論壇上喊出這樣的口號。

陳立泉表示，液態(tài)鋰電池容易引發(fā)安全憂慮，300瓦時/公斤能量密度也已到達(dá)極限。下一步要發(fā)展固態(tài)電池，或者逐漸過渡到全固態(tài)鋰電池。

“傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池已無法滿足行業(yè)更高需求，在全固態(tài)鋰電池技術(shù)尚未獲得突破的情況下，混合固液電池有望兼容液態(tài)鋰電池大部分材料、設(shè)備和工藝，綜合平衡安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、高低溫性等性能，可率先實現(xiàn)商業(yè)化，逐步替代液態(tài)鋰電池。”中國科學(xué)院物理研究所(簡稱物理所)研究員李泓在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

混合固液電池是必要的過渡

隨著固態(tài)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，近年來，國內(nèi)外固態(tài)電池公司如雨后春筍般涌現(xiàn)。

“固態(tài)電池的負(fù)極材料可以是納米硅和石墨的復(fù)合負(fù)極，正極可以是錳酸鋰、富鋰錳基材料或不含鋰的正極材料，電解質(zhì)是固體電解質(zhì)，能量密度可達(dá)300~450瓦時/公斤。”陳立泉表示。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院公布的《2020年中國固態(tài)電池行業(yè)研究報告》顯示，目前全球約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高校科研院所致力于固態(tài)電池技術(shù)，但固態(tài)電池尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。

“近年來，作為下一代動力電池的重要技術(shù)路線，固態(tài)電池被寄予厚望。但總體而言，固態(tài)電池在世界范圍內(nèi)尚處于研發(fā)階段，目前還沒有企業(yè)展示綜合性能及成本都能與液態(tài)鋰電池相媲美的大容量固態(tài)動力電池。”李泓坦言。

值得注意的是，“固態(tài)”鋰電池和“全固態(tài)”鋰電池的概念常被混淆。對此，李泓解釋道，根據(jù)電解質(zhì)的不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰電池、混合固液鋰電池和全固態(tài)鋰電池三大類。實際上，半固態(tài)鋰電池、準(zhǔn)固態(tài)鋰電池、固態(tài)鋰電池均屬于“混合固液鋰電池”范疇，只是液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)比例不同。

“兩者的區(qū)別在于，混合固液鋰電池仍然含有一定量液體電解質(zhì)，而全固態(tài)鋰電池只含有固態(tài)電解質(zhì)，不包含任何液體電解質(zhì)。”李泓說。

在他看來，理論上，相較于混合固液鋰電池，全固態(tài)鋰電池最主要優(yōu)點是更不容易發(fā)生熱失控。此外，由于使用更高容量的負(fù)極和更高能量密度的正極，能量密度有望達(dá)到更高水平。

李泓還指出，由于全固態(tài)鋰電池目前尚未完全解決循環(huán)過程中固相界面接觸及體積膨脹問題，材料體系、生產(chǎn)工藝、應(yīng)用技術(shù)因此也不成熟，并未形成供應(yīng)鏈、得到充分驗證，短期內(nèi)無法實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)——預(yù)計還需約5年時間。

在他看來，市場對于高能量密度、本質(zhì)安全、高充電速率、低成本的電池一直有持續(xù)改進(jìn)的需求。“目前看，混合固液動力電池是液態(tài)鋰離子電池性能提升的重要可行技術(shù)路徑”。

新路徑深根“固”本

“全固態(tài)鋰電池是革命性技術(shù)，未來10年是固態(tài)電池破壁的時期。”物理所研究員黃學(xué)杰在第七屆中國電動汽車百人會論壇上表示。

然而，從“液態(tài)”轉(zhuǎn)向“固態(tài)”，每一步都十分艱難。“電解質(zhì)是鋰離子傳輸?shù)闹匾浇?，對電池性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)鋰電池電解質(zhì)是電解液，具有浸潤效果，可以充分浸潤正負(fù)極材料表面，因此易于與正負(fù)極活性材料保持良好接觸。”李泓解釋道。

相反，固態(tài)鋰電池使用了固態(tài)電解質(zhì)，簡單引入不易發(fā)生體積形變的固態(tài)電解質(zhì)材料后，與正負(fù)極活性材料由原來的持續(xù)柔性面接觸變?yōu)楦嘤驳狞c接觸，因此直接在電芯中引入固態(tài)電解質(zhì)往往會帶來固固界面接觸不良的問題。

李泓告訴《中國科學(xué)報》，目前，傳統(tǒng)固態(tài)電池的開發(fā)主要是聚合物固態(tài)電池、薄膜固態(tài)電池、硫化物固態(tài)電池、氧化物固態(tài)電池4種技術(shù)路線，“這些技術(shù)路線基于不同種類的固態(tài)電解質(zhì)材料，各具優(yōu)勢和挑戰(zhàn)性”。

其中，薄膜固態(tài)電池和氧化物固態(tài)電池難以研制大容量動力或儲能電池;聚合物固態(tài)電池受限于現(xiàn)有PEO(聚氧化乙烯)材料體系，無法在室溫下工作且難以兼容高電壓正極;硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)不成熟等問題。

究竟選擇怎樣的固化體系?面對傳統(tǒng)路徑的瓶頸，李泓團(tuán)隊陷入深思：“從液態(tài)到全固態(tài)，中間應(yīng)該通過一個‘固液混合’電池實現(xiàn)過渡。”

2013年，李泓和物理所團(tuán)隊一起，結(jié)合液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰電池積累的知識、材料體系和設(shè)計理念，另辟蹊徑提出了基于“原位固態(tài)化”混合固液電解質(zhì)鋰電池的構(gòu)想。

“原位固態(tài)化路徑之一是在電芯制造過程中引入可以發(fā)生聚合反應(yīng)的液體，先通過注液保持液體與電極材料之間良好的物理接觸，再通過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，將液體全部或部分轉(zhuǎn)化為固體電解質(zhì)，實現(xiàn)良好的電解質(zhì)與電極材料接觸，綜合平衡高電壓、安全性、高倍率等性能。”李泓解釋道。

在他看來，相較于現(xiàn)有技術(shù)路線，原位固態(tài)化技術(shù)一方面易于解決固固界面接觸的關(guān)鍵問題，另一方面有望兼容現(xiàn)有液態(tài)鋰電池的大部分制備工藝，易于更快實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。

經(jīng)過兩年攻堅克難，李泓團(tuán)隊使用原位固態(tài)化技術(shù)有效抑制了鋰枝晶生長。隨即，龐大的“親友團(tuán)”合力把原位固態(tài)化技術(shù)推上了應(yīng)用“快車道”。

物理所通過對固化體系進(jìn)行計算提供理論指導(dǎo)、北京衛(wèi)藍(lán)公司進(jìn)行實驗驗證和工程化放大、懷柔團(tuán)隊進(jìn)行固態(tài)電池失效分析……從機(jī)理提出，到實驗驗證、工程化放大，再到后期失效分析的全流程，在“大家庭”的支持下快速完成。

“固態(tài)電池研發(fā)的每一個問題都是難題，每一個難題都需要團(tuán)隊協(xié)作，我們團(tuán)隊始終秉持尊重科學(xué)、原始創(chuàng)新、深度思考、極致執(zhí)行、兼收并蓄、一往無前的精神，永葆初心、牢記使命，堅信一定能實現(xiàn)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步和固態(tài)電池落地。”李泓感言。

以應(yīng)用為導(dǎo)向持續(xù)研究

眼里有星辰大海，腳下有丘壑萬千。面對固態(tài)電池的“火熱”，李泓認(rèn)為，固態(tài)電池研究需要持續(xù)優(yōu)化并解決關(guān)鍵材料和技術(shù)、生產(chǎn)工藝和成本等問題。

他指出，目前，固態(tài)電池還缺乏綜合性優(yōu)良的單一固態(tài)電解質(zhì)材料。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心組件，其綜合性能和產(chǎn)業(yè)化水平是影響固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵因素。

“目前開發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)材料都存在各自的缺陷或短板，在固態(tài)電解質(zhì)選擇、電芯設(shè)計上還需要尋求綜合解決方案，揚(yáng)長避短。”李泓直言。

除了固態(tài)電解質(zhì)材料，為了兼顧高能量密度、高安全、長壽命等綜合性能，固態(tài)電池還需要匹配高比能的正負(fù)極材料，如高鎳三元正極、硅碳負(fù)極、金屬鋰負(fù)極等。“這些高比能正負(fù)極材料的引入也為研制固態(tài)電池帶來了一系列挑戰(zhàn)，仍需要不斷提出綜合優(yōu)化的解決方案。”李泓說。

此外，新技術(shù)和新工藝的導(dǎo)入會對固態(tài)電池生產(chǎn)制造工藝提出更高要求，需要引入數(shù)值模擬仿真技術(shù)和數(shù)字化智能制造技術(shù)，克服工程放大和生產(chǎn)制造過程中的難題，實現(xiàn)精準(zhǔn)可知可控可追溯。

對于未來固態(tài)電池的研發(fā)，李泓提出幾點建議：一是以應(yīng)用和市場需求為導(dǎo)向，完善材料和性能評價體系，持續(xù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究積累;二是重視技術(shù)路線選擇和工藝開發(fā);三是重視電芯設(shè)計和工藝驗證;四是重視材料本身的放大，打通關(guān)鍵材料供應(yīng)鏈;五是重視智能裝備開發(fā)和設(shè)備自動化;六是建立標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)制造體系，建立和完善固態(tài)電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，逐步從混合固液鋰離子電池向全固態(tài)金屬鋰電池發(fā)展。

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