中國(guó)科學(xué)院李泓：全固態(tài)鋰電池開(kāi)發(fā)面臨四個(gè)挑戰(zhàn)

日前，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員李泓在2017年中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇進(jìn)行了主題演講。

他表示，長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，從提高安全性追求全固態(tài)金屬鋰，逐漸增加固體電解質(zhì)，和負(fù)極中的鋰含量，這是新的體系。目前科學(xué)院正在這方面做進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，從少量液體一直到全固態(tài)，主要是想兼顧全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)和液態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，希望能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，逐步改善現(xiàn)有電池的技術(shù)。

以下為發(fā)言實(shí)錄：

尊敬的各位嘉賓上午好！今天很高興有機(jī)會(huì)再次在電動(dòng)汽車百人會(huì)上介紹固態(tài)電池方面的進(jìn)展，去年我們?cè)趫?bào)告中提出，我們?cè)O(shè)想未來(lái)的終極電動(dòng)汽車有可能是固態(tài)鋰空氣電池，那個(gè)時(shí)候在這方面的認(rèn)識(shí)還不足，過(guò)去幾年通過(guò)幾個(gè)團(tuán)隊(duì)的努力取得了幾個(gè)進(jìn)展，一個(gè)是簡(jiǎn)單提一下，我們現(xiàn)在對(duì)固態(tài)電池的理解。

第二是介紹一下研發(fā)進(jìn)展。這是最近中日美三國(guó)政府提出的動(dòng)力電池的發(fā)展目標(biāo)，從技術(shù)的指標(biāo)上，核心指標(biāo)是能量密度，越提越高，從300瓦時(shí)每公斤，一直到500瓦時(shí)每公斤，包括美國(guó)DOE還有中國(guó)的重點(diǎn)專項(xiàng)，納米材料、基因組都提出了很高的指標(biāo)要求。

怎么樣實(shí)現(xiàn)這些超高能量密度的指標(biāo)，同時(shí)還要兼顧動(dòng)力電池使用時(shí)的安全性、壽命、成本，這是擺在很多研發(fā)人員面前的問(wèn)題。

從技術(shù)分析的角度，目前主要的動(dòng)力電池還是正極材料匹配人造石墨這一類的負(fù)極材料，接下來(lái)提高能量密度，很可能要把硅負(fù)極引入，體積膨脹是很難解決的問(wèn)題，接下來(lái)是把硅負(fù)極用金屬鋰替代，1972年研發(fā)到現(xiàn)在，歷時(shí)50多年，有非常多的挑戰(zhàn)，關(guān)鍵的幾個(gè)問(wèn)題是目前大多數(shù)的研發(fā)還是在有機(jī)的溶劑中，在有機(jī)溶劑中第一個(gè)問(wèn)題是它不像石墨負(fù)極鋰進(jìn)和出，是非均勻的析出。第二是自發(fā)和電解液發(fā)生反映，體積變化也比較大。逐步導(dǎo)致鋰離子電池VCR膜也不能穩(wěn)定存在，安全性、自放電等方面還不能滿足需求，非常多的企業(yè)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)把希望寄托在全固態(tài)鋰電方面。

固態(tài)電池和業(yè)態(tài)電池在微觀上也是三層結(jié)構(gòu)，只是把現(xiàn)在的隔膜電解液替換為固態(tài)電解質(zhì)，這是典型的照片，沒(méi)有太本質(zhì)的區(qū)別，核心是有可能負(fù)極使用了金屬鋰，在這種情況下，在正極這一側(cè)，原來(lái)的液體可以充分浸潤(rùn)正極顆粒，在正極側(cè)接觸，這是難度非常大的。

從大家預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)上，如果使用了金屬鋰，現(xiàn)在容易燃燒和爆炸的液態(tài)電解質(zhì)，另外使用壽命等等都會(huì)延長(zhǎng)，模塊配置等都是大家期望的，在實(shí)踐中這些數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)，在2007年的時(shí)候，日本的NEDO在2008年公布了這樣的路線圖，在他們看來(lái)在遠(yuǎn)期的2030年，很多的電池形態(tài)是以全固態(tài)形式出現(xiàn)，包括金屬鋰、鋰硫和鋰空氣電池，這些路線在不斷修改中，但是大體是提高安全性的策略，就是固態(tài)化。

2016年，美國(guó)APER的兩千萬(wàn)美元的項(xiàng)目，全部支持各類固體電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)，以及固體電解質(zhì)的制造技術(shù)，現(xiàn)在在中國(guó)，在過(guò)去兩三年的推動(dòng)下，從事固態(tài)電池開(kāi)發(fā)的團(tuán)隊(duì)非常多，展示的單位不多，具備能力開(kāi)發(fā)的小團(tuán)隊(duì)，從南到北非常多的研發(fā)團(tuán)隊(duì)為主，企業(yè)包括寧德時(shí)代新能源，蘇州新陶還有珈偉股份等，我不一一介紹了。

目前總體而言，全固態(tài)鋰電池開(kāi)發(fā)面臨四個(gè)挑戰(zhàn)，一個(gè)是在電極層面，怎么樣滿足正負(fù)極課題和固體電解質(zhì)的離子傳輸，特別是循環(huán)過(guò)程中，第二是循環(huán)過(guò)程中正負(fù)極材料不能像液體那樣保持非常好的接觸。還有金屬鋰電極的體積變化還有鋰固體的變化。

接下來(lái)介紹一下，2013年中科院決定采取納米先導(dǎo)專項(xiàng)。這里提出要做長(zhǎng)續(xù)航的動(dòng)力電池，通過(guò)提升能量密度來(lái)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程（參配、圖片、詢價(jià)） ，提出了300瓦時(shí)每公斤的指標(biāo)，跟現(xiàn)在國(guó)家的任務(wù)是一致的。在這里包括第三代鋰離子電池技術(shù)，包括現(xiàn)一代度固態(tài)電池，鋰硫和鋰空電池，包括12家科研單位，24個(gè)PI，400人，一直在動(dòng)態(tài)的管理中。

再簡(jiǎn)單地說(shuō)一下整個(gè)先導(dǎo)項(xiàng)目取得的進(jìn)展，在樣品的層面研制了一些高能量密度的鋰離子、鋰空、鋰硫，還打造了高水平的診斷分析平臺(tái)，金屬鋰表面引入無(wú)機(jī)的磷酸鋰做這個(gè)事情，提高它的穩(wěn)定性，這是由化學(xué)所的郭博士做的。他們最近開(kāi)發(fā)了聚醚丙烯酸脂這是一個(gè)非常重要的突破。

在材料方面，寧波材料所、上硅所為代表的團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列的氧化物和硫化物的粉體、陶瓷片以及融性膜，已經(jīng)達(dá)到了幾十公斤級(jí)一個(gè)批次的水平，已經(jīng)開(kāi)始對(duì)社會(huì)提供樣品和供貨。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，寧波材料所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了氧化物的小容量的全固態(tài)進(jìn)入鋰電池，火烤的條件下還能工作，但是把它放大還需要進(jìn)一步的材料的設(shè)計(jì)，目前還有一些困難。

作為一個(gè)過(guò)渡的技術(shù)，現(xiàn)在還有一種把固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)混合在一起的，含有少量的固體電解質(zhì)的，混合固液電解質(zhì)，嚴(yán)格意義上講，只要含有液體就不是全固體的電解質(zhì)，室溫可以滿足，同時(shí)在80度高溫下也能滿足要求，將來(lái)實(shí)現(xiàn)在PEC設(shè)計(jì)上也能滿足。

也通過(guò)了氣研中心的研究報(bào)告，這些電池也通過(guò)了汽研中心的安全性測(cè)試，有一份完整的測(cè)試報(bào)告，這是其中一個(gè)細(xì)節(jié)。全固態(tài)鋰硫也進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在的穩(wěn)定性也達(dá)到了非常好的水平。

另外聚合物按PPC/LLZO聚合物無(wú)機(jī)符合電解質(zhì)體系，這個(gè)膜現(xiàn)在大面積應(yīng)用，用這個(gè)膜做的產(chǎn)品，目前最新的水平，匹配811的正極，能量密度達(dá)到300瓦時(shí)每公斤，還做了深海，最近做了8000米和11000米的艙，體現(xiàn)了獨(dú)特的耐壓的優(yōu)勢(shì)。上海硅酸鹽所一直在開(kāi)發(fā)這個(gè)材料，從電導(dǎo)來(lái)講也達(dá)到了世界先進(jìn)水平，開(kāi)發(fā)了磷酸鐵錳，目前這個(gè)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

物理所陳老師在1976年開(kāi)始做淡化率，到今年是40年研究固態(tài)電池，我們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中陸續(xù)開(kāi)發(fā)了一些無(wú)機(jī)材料和聚合物電解質(zhì)以及一些基礎(chǔ)研究。過(guò)去四年提出了一種新的方案，就是利用現(xiàn)有的電池的裝備，然后通過(guò)原位把液體固態(tài)化的技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一種固態(tài)電池的設(shè)計(jì)。目前用金屬鋰做負(fù)極，也得到了10安時(shí)的單體，這個(gè)是與寧德時(shí)代新能源合作的一個(gè)結(jié)果。

通過(guò)這個(gè)第三方測(cè)試，目前初步研究的結(jié)果能量密度可以做到390瓦時(shí)每公斤最高水平，這個(gè)可以繼續(xù)發(fā)展，因?yàn)檎龢O材料150安時(shí)每克，60度和90度之間還可以正常工作，這是我們發(fā)展的方向。應(yīng)化所還開(kāi)發(fā)了一種防水的固態(tài)鋰空氣電池，放在水里面照樣能工作，將來(lái)適合于柔性的固態(tài)鋰空氣電池，這是紙狀折疊的，把它編制在衣服上，能夠進(jìn)行工作和發(fā)電，最近剛發(fā)表在先進(jìn)材料上面，這是在這方面的一些研究進(jìn)展。

總體來(lái)說(shuō)，我們長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，從提高安全性追求全固態(tài)金屬鋰，逐漸增加固體電解質(zhì)，和負(fù)極中的鋰含量，這是新的體系。目前科學(xué)院正在這方面做進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，從少量液體一直到全固態(tài)陸續(xù)研究這個(gè)事情，主要是想兼顧全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)和液態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，希望能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，逐步改善現(xiàn)有電池的技術(shù)。

我們初步的預(yù)期，除了PU已經(jīng)在美國(guó)商業(yè)化以外，其它的電池最早在2020年實(shí)現(xiàn)小批量的量產(chǎn)，以后隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，當(dāng)然首先滿足其它領(lǐng)域的應(yīng)用，其它指標(biāo)達(dá)標(biāo)以后，進(jìn)入動(dòng)力電池的領(lǐng)域，那會(huì)更晚一些。

全固態(tài)電池2020年到2025年首批進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，這是預(yù)期。在這個(gè)過(guò)程中，有很多的基礎(chǔ)科研問(wèn)題和科研技術(shù)仍然要突破，現(xiàn)在只是展示了一個(gè)希望，從綜合指標(biāo)上看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足動(dòng)力電池的技術(shù)，我們希望一步步往前走，逐步改善現(xiàn)有鋰電池兼顧能量密度和安全性方面的挑戰(zhàn)。