①高能量、長(zhǎng)壽命無(wú)人機(jī)電池組

②高功率智能儲(chǔ)能電柜

③高能量混合固液動(dòng)力電池系統(tǒng)

④混合固液動(dòng)力電池裝車(chē)示范

李泓團(tuán)隊(duì)供圖

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

陳立泉表示，液態(tài)鋰電池容易引發(fā)安全憂(yōu)慮，300瓦時(shí)/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(guò)渡到全固態(tài)鋰電池。

“傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池已無(wú)法滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化，逐步替代液態(tài)鋰電池。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)物理所)研究員李泓在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

混合固液電池是必要的過(guò)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(lái)，國(guó)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(shí)/公斤。”陳立泉表示。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院公布的《2020年中國(guó)固態(tài)電池行業(yè)研究報(bào)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。

“近年來(lái)，作為下一代動(dòng)力電池的重要技術(shù)路線(xiàn)，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(méi)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(dòng)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(duì)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(lèi)。實(shí)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(shuō)。

在他看來(lái)，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(diǎn)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(guò)程中固相界面接觸及體積膨脹問(wèn)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(yàn)證，短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)——預(yù)計(jì)還需約5年時(shí)間。

在他看來(lái)，市場(chǎng)對(duì)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(dòng)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(lái)10年是固態(tài)電池破壁的時(shí)期。”物理所研究員黃學(xué)杰在第七屆中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)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浇椋瑢?duì)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(rùn)效果，可以充分浸潤(rùn)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(jiǎn)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(lái)的持續(xù)柔性面接觸變?yōu)楦嘤驳狞c(diǎn)接觸，因此直接在電芯中引入固態(tài)電解質(zhì)往往會(huì)帶來(lái)固固界面接觸不良的問(wèn)題。

李泓告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前，傳統(tǒng)固態(tài)電池的開(kāi)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(xiàn)，“這些技術(shù)路線(xiàn)基于不同種類(lèi)的固態(tài)電解質(zhì)材料，各具優(yōu)勢(shì)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(dòng)力或儲(chǔ)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(wú)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(duì)空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)不成熟等問(wèn)題。

究竟選擇怎樣的固化體系?面對(duì)傳統(tǒng)路徑的瓶頸，李泓團(tuán)隊(duì)陷入深思：“從液態(tài)到全固態(tài)，中間應(yīng)該通過(guò)一個(gè)‘固液混合’電池實(shí)現(xiàn)過(guò)渡。”

2013年，李泓和物理所團(tuán)隊(duì)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(shí)、材料體系和設(shè)計(jì)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(guò)程中引入可以發(fā)生聚合反應(yīng)的液體，先通過(guò)注液保持液體與電極材料之間良好的物理接觸，再通過(guò)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(shí)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(lái)，相較于現(xiàn)有技術(shù)路線(xiàn)，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(wèn)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(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)兩年攻堅(jiān)克難，李泓團(tuán)隊(duì)使用原位固態(tài)化技術(shù)有效抑制了鋰枝晶生長(zhǎng)。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(chē)道”。

物理所通過(guò)對(duì)固化體系進(jìn)行計(jì)算提供理論指導(dǎo)、北京衛(wèi)藍(lán)公司進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工程化放大、懷柔團(tuán)隊(duì)進(jìn)行固態(tài)電池失效分析……從機(jī)理提出，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)問(wèn)題都是難題，每一個(gè)難題都需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，我們團(tuán)隊(duì)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(wú)前的精神，永葆初心、牢記使命，堅(jiān)信一定能實(shí)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(wàn)千。面對(duì)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(wèn)題。

他指出，目前，固態(tài)電池還缺乏綜合性?xún)?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(kāi)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(jì)上還需要尋求綜合解決方案，揚(yáng)長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(shuō)。

此外，新技術(shù)和新工藝的導(dǎo)入會(huì)對(duì)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(guò)程中的難題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可知可控可追溯。

對(duì)于未來(lái)固態(tài)電池的研發(fā)，李泓提出幾點(diǎn)建議：一是以應(yīng)用和市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，完善材料和性能評(píng)價(jià)體系，持續(xù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究積累;二是重視技術(shù)路線(xiàn)選擇和工藝開(kāi)發(fā);三是重視電芯設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)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(kāi)發(fā)和設(shè)備自動(dòng)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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