2月上旬，由中國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺主辦的第三屆中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇高層論壇正式召開。本屆論壇匯聚政產(chǎn)學研各界400余人，涵蓋9位院士、8家行業(yè)組織代表、專家學者及電池、材料、整車、裝備等企業(yè)骨干，聚焦行業(yè)共性關鍵問題，為我國全固態(tài)電池突破技術瓶頸，實現(xiàn)高質(zhì)量躍升，提供系統(tǒng)性支撐。
在本屆論壇，以“關鍵材料與電芯創(chuàng)新”為主題的專業(yè)論壇上，南方科技大學先進電池烏鎮(zhèn)研究院執(zhí)行院長、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院固態(tài)電池材料及器件研究中心主任許曉雄發(fā)表了演講。他在演講中表態(tài)，鋰離子電池未來的發(fā)展，還是會從混合固液態(tài)電池，逐步過渡到全固態(tài)電池的發(fā)展路徑。
展望未來，許曉雄判斷，隨著能量密度的提升，未來高能量密度的電池不光是在電動汽車有應用，更重要的是一些新興領域的應用，比如無人機、飛行器、人形機器人等等。在他看來，人工智能裝備對高比能電池有剛需。所以，對能量密度的追求，未來仍然是電池行業(yè)的核心訴求。
許曉雄還在演講中給出了未來全固態(tài)電池發(fā)展的三大判斷：
- 第一，硫化物全固態(tài)電池路線是當前唯一全球各國都在發(fā)展的技術路線。中國已經(jīng)在加大相關領域的投入，并取得了超預期的進展。
- 第二，一代材料決定一代電池技術。未來的全固態(tài)電池有可能是多路線并存，電池的分類將從靠正極材料區(qū)分改為靠電解質(zhì)或者負極材料區(qū)分。
- 第三，中國已經(jīng)快速的建立起了全國性的電池材料產(chǎn)業(yè)鏈，尤其是電解質(zhì)硫化物材料的產(chǎn)能。但是，高品質(zhì)的材料方面的競爭依然激烈。
以下為演講實錄（精編）：
我們最近梳理了一下不同的電池路線，包括一些固態(tài)、半固態(tài)的技術路線。時間關系，我就不細說了。
高性能鋰離子電池，如果只談技術方面，現(xiàn)在很多發(fā)表出來的論文顯示，大家已經(jīng)把性能做得非常好了。很多都做到了600Wh/kg，甚至超過600Wh/kg。
但是如果以技術產(chǎn)品化為目標來發(fā)展的話，我認為還是會走到從混合固液態(tài)電池，然后到逐步到全固態(tài)電池的發(fā)展路徑。
我還是堅持認為，“一代電池材料決定一代電池技術”。隨著能量密度的提升，未來高能量密度的電池可能不光是在電動汽車里面有應用，還有一些新的應用領域，尤其是像無人機、飛行器、人形機器人等等。
人工智能裝備這一塊，其實對高比能電池都是有剛需的。所以，對能量密度的追求，仍然是電池行業(yè)還一直以來的主流核心訴求。追求高能量密度，現(xiàn)在核心的做法，無非是一些材料的堆積和整個的集成。
但是，現(xiàn)在產(chǎn)品化階段，大家重點推的還是400Wh/kg到500Wh/kg的。更高能量密度電池，現(xiàn)在大家也在做少量的示范應用。但是對不同的指標的話，大家在材料體系上還是有一些差別化的選擇和匹配。
我們認為，可以通過混合固液，以及全固態(tài)這樣一個策略，來平衡電池的能量密度和安全。
固態(tài)電池，現(xiàn)在也已經(jīng)開始有一些標準的制定出來，也對定義進行了修正。國標應該在今年或者明年也會發(fā)布出來。這樣，我們應該是在世界范圍內(nèi)處在一個這樣比較領先的狀態(tài)。
固液混合電池，大規(guī)模量產(chǎn)不遠
現(xiàn)在定義為統(tǒng)一為混合固液電解質(zhì)鋰電池，在成本上現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到接近液態(tài)的三元鋰電池的水平，在市場也就是價格可以被接受的狀態(tài)，具備一定的產(chǎn)業(yè)化基礎。
所以基于這我在前期在企業(yè)工作的時候，就開發(fā)了一款以三元為正極，以碳為負極，這個實際上是跟液態(tài)三元的正負極是都比較接近的。采用了這些包括微納結(jié)構(gòu)、固體電解質(zhì)涂覆的高強度膜、納米尺度電解質(zhì)多層復合的正極，再結(jié)合一些集流體的技術，開發(fā)出的這一款產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。
現(xiàn)在，我們中心里面有一些年輕的老師做了一些延續(xù)性工作，我覺得也是比較有意義。
一個就是我們做的這樣一個包覆電解質(zhì)之后的材料，然后再把它做成涂覆的PE隔膜。比方說我們設計成了一種非對稱的三明治結(jié)構(gòu)的功能隔膜，比方說將LLZTO在隔膜的一面涂覆，將LATP涂在另一面。它確實能夠在包括碳負極、硅負極以及鋰金屬負極里面都有一定的應用前景，而且確確實實提高了電池的低溫性能以及倍率性能。
再一個就是，面向比方說三元正極/硅負極的350Wh/kg混合固液態(tài)鋰電池?，F(xiàn)在咱們國內(nèi)頭部的兩家，蔚來和智己汽車也開始走向了這樣一個產(chǎn)品應用的階段。然后。圍繞這樣一個技術，我們學校也做了一些工作，我覺得這些工作還是有一些參考價值，一個是基于硅負極的設計，通過這樣高導電網(wǎng)絡的構(gòu)筑，能夠提升高負載下硅負極的容量。
第二個就是粘接劑。我們開發(fā)的自修復的粘接劑，可以顯著地改善硅負極的循環(huán)性能。這方面技術已經(jīng)開始在推向中試產(chǎn)業(yè)化。
還有就是基于硅負極的原位固化技術。硅負極存在體積膨脹和界面接觸不良的問題，通過在材料表面引入氫鍵、共價鍵，結(jié)合原位固化，可以比較有效地解決體積膨脹和界面接觸的問題，可以將能量密度提升到350Wh/kg的這樣一個量級，還能提升電池的循環(huán)性能和壽命。
再一個就是面向400Wh/kg以上的混合固液動力鋰電池。因為能量密度不一樣的話，對應的材料體系也有些不一樣。用鋰金屬為負極的話，涉及到很多基礎的一些問題，像鋰枝晶等產(chǎn)生、像界面的穩(wěn)定、兼容性等這些問題，現(xiàn)在已經(jīng)得到了明顯的解決。
基于這樣一個技術，在工程化階段實際上也有很多的問題需要解決，包括安全的問題、關鍵材料的量產(chǎn)問題、電池的特殊裝配問題、性能問題……
我們現(xiàn)在做的一些工作，主要是包括采用有機無機復合電解質(zhì)的柔性隔膜，以及多層級的這樣一個復合三元正極，還有合金復合金屬鋰負極的技術路線。
現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)400Wh/kg的高安全混合固液態(tài)鋰電池，現(xiàn)在整個的電池已經(jīng)做出來了，基本上就是能夠?qū)崿F(xiàn)千次的循環(huán)。在室溫下，500Wh/kg的電池，基本能夠做到接近500次的循環(huán)。
但是大家知道，1000次的循環(huán)，實際上還是不太夠的。尤其是在循環(huán)的后期，還是會有一些安全的問題。所以，電池在整個生命周期現(xiàn)在基本上也能夠做比較高的安全性。
鋰金屬為負極，現(xiàn)在是存在著應用上的兩個問題，一個是循環(huán)，第二個是倍率。
我們先是解決循環(huán)如何提升循環(huán)的問題。大家現(xiàn)在知道影響循環(huán)的就是兩個：一個是有鋰枝晶，第二個有死鋰。
我們所采用的思路就是把鋰枝晶修復，把死鋰激活。就是施加一些電流、電壓或者是熱量，它對鋰枝晶確實是有一些作用的。
對死鋰的話，我們對尖端的這些鋰采用一些激活的方式。我們通過特有的機械-電-熱耦合的工藝，可以將正負極的物質(zhì)激活，同時能夠?qū)⒁恍┬阅芑謴?。像這樣一個工作，其實在近些年已經(jīng)有一些論文的報道，我們只是比較早的就介入了實際應用中。
我們現(xiàn)在的實際應用的效果，大家可以看到。我們已經(jīng)將400Wh/kg電芯的全電池做出來了。它的600圈的循環(huán)是能做的比較穩(wěn)定的，也不會安全的問題。尤其是到壽命的末期，我們每300次循環(huán)激活一次，能夠把循環(huán)做到2000次。最近，我們能夠每500次循環(huán)做一次激活，讓激活的次數(shù)少一些，也能夠穩(wěn)定地做到2000次循環(huán)。
所以這個也是我們基于國家重點研發(fā)計劃在做的最核心的工作?，F(xiàn)在，通過第三方權威機構(gòu)的測試，已經(jīng)將我們做的超過10安時的電池在25攝氏度進行0.5C充/1C放，在一個滿充滿放的情況下，達到了2100多次的循環(huán)。
我們也還是要看到，將鋰金屬電池推向工程化是一個很漫長的路，也確實很艱難?，F(xiàn)在，我們也能夠?qū)误w容量做到70Ah、80Ah甚至120Ah。
但是，我們還是要承認，基于這樣一個電池產(chǎn)品或者說樣品，現(xiàn)在能夠做到T2溫度（熱失初級階段峰值溫度）超過250度，但是T3溫度（熱失控劇烈階段峰值溫度）還是過高，超過1000度。所以現(xiàn)在主要的精力都集中在降低T3溫度，以降低電池在熱失控時的危險性。
其實這個挑戰(zhàn)也是非常大。
全固態(tài)電池，路線已經(jīng)收斂
在全固態(tài)電池上面，現(xiàn)在大家慢慢變得更加集中到了硫化物全固態(tài)電池上了，硫化物跟聚合物的配合，大家都基本上以硫化物這一塊為主是比較多的。
在硫化物這一塊，我們是在國內(nèi)最早做的。2011年，我回國后就在寧波材料所一直堅持做這一塊的工作。那么我覺得比較好的一個方面就是，通過這么多年的發(fā)展，我們現(xiàn)在基本上已經(jīng)收斂到了硫鋰的結(jié)構(gòu)。
大家可以看到，就用這一種電解質(zhì)，在組分上稍微有點不一樣，但是用不同的正極和不同的負極它都是能夠匹配的，這說明電解質(zhì)基本上穩(wěn)定了，所以促進了整個硫化物電解質(zhì)材料的整個的產(chǎn)業(yè)化的推進。
我們課題組最近做的工作是利用第二相材料濕法包覆硫化物電解質(zhì)，因為硫化物電解質(zhì)在空氣中不穩(wěn)定。包覆層也不厚，只有20nm。通過這樣一個處理，能夠使電解質(zhì)對金屬鋰復合負極表現(xiàn)穩(wěn)定，而且能夠在循環(huán)上有大幅提升。同時，我們也在持續(xù)的推進一些包覆復合的方法，改善電解質(zhì)在空氣中的穩(wěn)定性。
那么我們現(xiàn)在已經(jīng)將不同的硫化物電解質(zhì)材料推向了產(chǎn)業(yè)化?，F(xiàn)在主要在發(fā)展高電導率、小粒徑、高批次穩(wěn)定性和低成本的這樣一些產(chǎn)品。同時，我們在3微米左右的材料的這樣一個球形顆粒，電導率室溫下已經(jīng)做到了9mS/cm，而且能夠噸級穩(wěn)定性進行生產(chǎn)。
固體電池的研發(fā)方向主要還是材料。高比能全固態(tài)鋰電池，我認為可能未來還就是這些材料：
正極有三元、有富鋰，近年來以高鎳的三元為主，朝著高電壓大單晶高強度的方向，當然可能很多都要進行表面改性。
電解質(zhì)，基本上是有氧化物復合材料，有硫化物復合，然后負極現(xiàn)在是以硅為主。但是我覺得，硅負極的很多的研究成果或者技術，有可能能夠延伸出金屬鋰基復合的材料體系。同時，大家用不同的電解質(zhì)，也做電池的不同的這些技術路線，大家都是同步在發(fā)展。
總結(jié)來講：
第一，硫化物全固態(tài)電池這樣一個路線是當前唯一全球各國都在發(fā)展的一條路線。今年，我們國家確實也加大了在這方面的投入，整體進展是超預期的。入局的頭部企業(yè)也在不斷增加。
第二，一代材料決定一代電池技術。我認為，未來全固態(tài)電池有可能是各種路線并存的。我們一直在說，當前的液態(tài)電池靠正極來區(qū)分電池，三元的電池、鐵鋰的電池。未來，全固態(tài)電池有可能靠電解質(zhì)或者負極區(qū)分。因為負極現(xiàn)在也出現(xiàn)了三個路線，有無鋰的負極，有碳硅的負極，有金屬鋰的負極。
第三，我國近兩年已經(jīng)快速的建立起了全國性的電池材料產(chǎn)業(yè)鏈，尤其是電解質(zhì)硫化物材料的產(chǎn)能，已經(jīng)開始出現(xiàn)過剩的跡象。但是，高品質(zhì)的材料還是具有競爭力。
好，我就講到這里。歡迎在座的年輕同行加入我們南科大的團隊，也希望各位對我講話中的問題進行批評指正。
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