①高能量、長壽命無人機電池組

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

李泓團隊供圖

“固態(tài)鋰電池要大干快上，引領電動中國。”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。”中國科學院物理研究所(簡稱物理所)研究員李泓在接受《中國科學報》采訪時說。

混合固液電池是必要的過渡

隨著固態(tài)技術的發(fā)展和產業(yè)化進程，近年來，國內外固態(tài)電池公司如雨后春筍般涌現(xiàn)。

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

前瞻產業(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?？蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術，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，只是液體電解質與固體電解質比例不同。

“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，而全固態(tài)鋰電池只含有固態(tài)電解質，不包含任何液體電解質。”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極和更高能量密度的正極，能量密度有望達到更高水平。

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、生產工藝、應用技術因此也不成熟，并未形成供應鏈、得到充分驗證，短期內無法實現(xiàn)大規(guī)模量產——預計還需約5年時間。

在他看來，市場對于高能量密度、本質安全、高充電速率、低成本的電池一直有持續(xù)改進的需求。“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路徑”。

新路徑深根“固”本

“全固態(tài)鋰電池是革命性技術，未來10年是固態(tài)電池破壁的時期。”物理所研究員黃學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)”轉向“固態(tài)”，每一步都十分艱難。“電解質是鋰離子傳輸?shù)闹匾浇椋瑢﹄姵匦阅苤陵P重要。傳統(tǒng)鋰電池電解質是電解液，具有浸潤效果，可以充分浸潤正負極材料表面，因此易于與正負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，簡單引入不易發(fā)生體積形變的固態(tài)電解質材料后，與正負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)電解質往往會帶來固固界面接觸不良的問題。

李泓告訴《中國科學報》，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種技術路線，“這些技術路線基于不同種類的固態(tài)電解質材料，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)電池則面臨電解質對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?；a技術不成熟等問題。

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

2013年，李泓和物理所團隊一起，結合液態(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”混合固液電解質鋰電池的構想。

“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，再通過化學或電化學反應，將液體全部或部分轉化為固體電解質，實現(xiàn)良好的電解質與電極材料接觸，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)有技術路線，原位固態(tài)化技術一方面易于解決固固界面接觸的關鍵問題，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。

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

物理所通過對固化體系進行計算提供理論指導、北京衛(wèi)藍公司進行實驗驗證和工程化放大、懷柔團隊進行固態(tài)電池失效分析……從機理提出，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隊協(xié)作，我們團隊始終秉持尊重科學、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)鋰離子電池技術進步和固態(tài)電池落地。”李泓感言。

以應用為導向持續(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”，李泓認為，固態(tài)電池研究需要持續(xù)優(yōu)化并解決關鍵材料和技術、生產工藝和成本等問題。

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)電解質材料。固態(tài)電解質是固態(tài)電池的核心組件，其綜合性能和產業(yè)化水平是影響固態(tài)電池產業(yè)化進程的關鍵因素。

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

除了固態(tài)電解質材料，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極材料，如高鎳三元正極、硅碳負極、金屬鋰負極等。“這些高比能正負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，新技術和新工藝的導入會對固態(tài)電池生產制造工藝提出更高要求，需要引入數(shù)值模擬仿真技術和數(shù)字化智能制造技術，克服工程放大和生產制造過程中的難題，實現(xiàn)精準可知可控可追溯。

對于未來固態(tài)電池的研發(fā)，李泓提出幾點建議：一是以應用和市場需求為導向，完善材料和性能評價體系，持續(xù)進行基礎研究積累;二是重視技術路線選擇和工藝開發(fā);三是重視電芯設計和工藝驗證;四是重視材料本身的放大，打通關鍵材料供應鏈;五是重視智能裝備開發(fā)和設備自動化;六是建立標準化生產制造體系，建立和完善固態(tài)電池相關標準，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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