|
|
| 首頁 >> 新興能源 >> 多維攻堅，為固態電池產業化按下“加速鍵”
|
| |
| 多維攻堅，為固態電池產業化按下“加速鍵” |
| 來源：中國科學報 作者：記者 廖洋 通訊員 夏雪 時間：2025/9/17 |
新能源汽車產業一路風馳電掣，以銳不可當之勢重塑出行版圖。然而，電池熱失控事故卻似高懸的“達摩克利斯之劍”。2024年的行業數據敲響警鐘——我國新能源汽車起火案例中，80%是電池熱失控“興風作浪”。
與此同時，消費者深陷續航焦慮與充電困境的泥沼。而“高能量密度與安全性難以兼得”這一技術魔咒，更是將行業技術迭代困于瓶頸。將于2026年7月1日正式實施的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》提出，熱失控后2小時不起火、不爆炸。這恰似一場倒計時的安全大考，讓技術升級迫在眉睫。
憑借高能量密度與安全性的卓越優勢，固態電池脫穎而出，行業巨頭紛紛將其定為下一代核心技術，計劃2027年前后量產。但全固態電池界面穩定性差、電解質薄層化難等，成為阻礙量產的“攔路猛虎”。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所(以下簡稱青島能源所)研究員、固態能源系統技術中心主任崔光磊團隊傳來好消息，研究團隊在固態電池正極、負極、電解質三大核心材料領域接連取得突破性進展，不僅為深空、深海等極端場景提供可靠解決方案，更為民用動力電池打通安全與續航的“任督二脈”。
團隊提出的“剛柔并濟”“均質化正極”等設計理念，正精準破解這些瓶頸。從為深潛器提供保障的聚合物固態電池到反哺民用市場的技術方案，團隊用“極端場景技術反推民用創新”的路徑，為固態電池產業化按下“加速鍵”。
正極“均質化”革命：零應變、“零添加劑”
長期以來，商用正極活性材料電導率低的問題，一直是制約電池性能的“卡脖子”問題。
傳統方案不得不添加非活性導電導離子劑，但這種“補丁式”設計卻陷入兩難：添加劑雖提升了導電性，卻與充放電時體積變化顯著的層狀氧化物正極“水火不容”，加劇了“電-化-力”耦合副反應，最終導致電池能量密度與循環壽命都打折扣。這種異質復合結構，成了全固態鋰電池性能躍升的“阿喀琉斯之踵”。
“如果能研制出兼具優異離子、電子混合導電性的正極材料，徹底擺脫對導電添加劑的依賴，就能一舉攻克這個行業痛點。”在青島能源所的內部研討會上，崔光磊提出的這一構想迅速點燃團隊的攻關熱情。
經過團隊充分論證，“均質化正極” 被確定為核心技術突破口。
團隊對數十種候選材料展開系統性篩選與改良，最終成功合成零應變正極材料鋰鈦鍺磷硫硒。該材料在保持250毫安時/克高比容量的同時，體積變化率僅1.2%;采用它制成的均質化正極使全固態鋰電池在室溫下實現超萬次穩定循環，能量密度達390瓦時/千克，成為固態電池發展的重要里程碑。
團隊骨干、青島能源所鞠江偉博士介紹：“這種新設計范式徹底顛覆了傳統設計邏輯，實現能量密度與循環壽命的‘雙贏’，其穩定性已完全滿足電動汽車、大規模儲能的嚴苛要求。”
實驗還證實，這種新型正極在長期循環中未出現性能衰減，更重要的是，該技術路線對固態鈉電池等其他儲能體系同樣具有普適性。
目前，團隊正加速推進材料放大制備。崔光磊信心十足：“這項技術有望沖破儲能領域多年的‘能量-功率-壽命’的不可能三角。”
相關成果已發表于《自然-能源》，不僅為下一代電池技術開辟新路徑，更彰顯了中國科研團隊在關鍵材料領域的原始創新能力。
電解質膜攻堅：從“散沙難聚” 到 “剛柔并濟”
全固態電池要實現“充電一次跑千里”，還有一個關鍵是讓電解質膜“瘦身”——膜越薄，電池儲能越多。但核心材料硫化物敏感難用：顆粒像散沙難粘成膜，怕水怕氧，尤其對極性溶劑和部分粘結劑敏感，制備30微米以下超薄膜難度極高。濕法涂布時，硫化物的敏感性讓材料選擇處處受限;無溶劑干法雖環保省錢，卻使用聚四氟乙烯作粘結劑——既要精準控制剪切力使其成纖維，又要經過精密的多級連輥減薄，成膜強度差，還容易被還原。
“要是能結合聚合物的柔性和硫化物的高導電性，做出又柔又韌、離子跑得還快的薄膜，問題不就解決了?”崔光磊的這一想法，再次為團隊指明了方向。
經過數百次實驗，團隊確定“剛柔并濟-三相滲流”的解決方案，分別突破干法與濕法的材料、技術瓶頸。
干法上，團隊摒棄傳統聚四氟乙烯，改用熱塑性聚酰胺作“柔性膠水”，將其與硫化物顆粒提前混合，在140℃下輕輕壓制，聚酰胺便像溶化的糖一樣，滲進硫化物顆粒的縫隙中，冷卻后結成“彈性網”。最終制成的膜厚度控制在25微米以內，既柔又韌不易破，室溫下離子電導率還高。用同步輻射X光“透視”電池內部，即便充放電時電極像“呼吸”般膨脹收縮，電解質膜也能牢牢貼合。團隊將這種正極與超薄膜組裝成一體化電池，高負載場景下甚至能穩定工作1萬小時，能量密度顯著提升。
濕法工藝的瓶頸也被團隊突破。過去因硫化物怕極性溶劑，濕法只能用非極性粘結劑，既粘不牢又限制性能。團隊通過調控漿料中的分子相互作用，讓原本“水火不容”的極性粘結劑與較低極性溶劑“和平共處”，最薄可制成12微米的薄膜。更關鍵的是，鋰鹽還能與極性聚合物結合，進一步提升離子傳導效率，面電阻低至0.69歐姆·平方厘米，性能優于所有文獻報道。
“‘三相滲流’不是單條路發力，而是讓硫化物、聚合物、界面相協同幫離子傳輸，提高了傳輸的速度和通量。”團隊骨干、青島能源所胡磊博士解釋道。
為適配量產，團隊還開發了熱轉印工藝，將電解質膜快速貼合到電極上，大幅降低工業化難度。
“我們一直干法、濕法兩條路并行，干法是未來趨勢，濕法目前更成熟。”團隊骨干、青島能源所研究員董杉木補充道。
如今，這些成果已發表于《先進材料》《德國應用化學》等國際期刊。值得一提的是，更切實的進展在產業化端：青島市城陽區的硫化物全固態電池潔凈車間正在建設，預計2027年實現年產200萬平方米的30微米級硫化物薄膜生產。這意味著，消費者用上長續航、高安全固態電池的日子已不再遙遠。
負極 “以柔克剛”：蠕變局域化
提升固態電池能量密度，高容量負極是重要方向。但科研界長期面臨一個棘手問題：已知的高容量負極材料，循環時體積會像氣球充氣般劇烈變化，充入的鋰越多，體積膨脹越明顯。而固態電解質硬度高，無法像電解液那樣 “隨形貼合”，一旦正負極與電解質分離，鋰離子便“無路可走”，電池隨之快速衰減，性能遠落后于預期。固態電池一般需施加幾十甚至上百兆帕的壓力，這相當于給書包大小的電池施加幾輛10噸級卡車的重量，顯然無法滿足實際應用需求。
圍繞這一方向，團隊結合理論計算與實驗驗證，發現部分電化學性能優異的合金材料雖“剛性強、難屈服”，卻能通過“蠕變”與固態電解質緊密貼合。其中，銦錫鉍合金表現突出，在室溫下有超高蠕變能力。團隊成員、青島能源所劉濤博士發現該易蠕變的合金會隨循環從負極表面沿封裝邊緣緩慢“爬行”，最終觸及正極，導致電池短路。
“蠕變是把雙刃劍：既能‘以柔克剛’貼合電解質，也可能‘越界’引發短路。我們要做的，就是給它套上‘劍鞘’，讓蠕變可控。”關鍵時刻，崔光磊給出了判斷。
攻關組借鑒此前聚合物電解質的“剛柔并濟”理念，提出將高蠕變性的合金負載在高慣性矩的鈦網上，利用鈦網的彎曲剛度分散并均勻化負極內部應力，把合金的蠕變行為“鎖定”在與固態電解質接觸的界面處。
這一設計成效顯著，使用該負極，低外壓下固態電池可穩定循環超3000次;即便面容量提升至商業化標準5倍的20毫安時/平方厘米，電池仍能穩定充放電。相關成果已發表于《先進材料》，為高能量密度固態電池提供了全新技術路徑。
多維度突破 夯實產業化根基
從電解質膜“瘦身”突破硫化物成膜難題，到正極材料擺脫導電添加劑依賴、實現“零應變”超萬次循環，再到負極“蠕變局域化”破解界面接觸困境，崔光磊團隊以“全鏈條創新”思路，系統性解決了硫化物固態電池商業化的核心痛點。
當前，這些突破不僅停留在實驗室原始創新層次，更通過青島城陽硫化物全固態產線的建設，更好支撐全固態電池的產業化進程。
對于新能源產業而言，這一系列技術不僅意味著更安全、更長續航的動力電池將加速落地，更將為大規模儲能、特種裝備等領域提供“中國方案”。
“我們希望將‘剛柔并濟’‘均質化’‘蠕變局域化’等創新理念持續轉化為生產力，進一步提升中國在全球固態電池技術競爭中的話語權，為‘雙碳’目標下的能源轉型注入更強動能。”崔光磊說。
|
| 責任編輯：myadmin |
| 上一條：
憑全鏈核心技術競逐 大力儲能躋身全釩液流儲能賽道領跑者 |
| 下一條：
戈壁深處的“湖南指揮官”：巨型光熱電站的守護者 |
|
|
|
京公網安備11011102000836號
