由中國汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國汽車工程學會、中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車報社共同主辦，天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會特別支持，日本汽車工業(yè)協(xié)會、德國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟、新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟聯(lián)合協(xié)辦的第二十屆中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達)國際論壇(以下簡稱“泰達汽車論壇”)于2024年8月29日至9月1日在天津濱海新區(qū)舉辦。本屆論壇以“風雨同舟二十載 攜手并肩向未來”為年度主題，邀請重磅嘉賓展開深入研討。

  在8月30日“生態(tài)專場一：固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)”中，國家動力電池創(chuàng)新中心副主任王建濤發(fā)表了題為“硫化物全固態(tài)電池關鍵技術(shù)及工藝研究”的演講。

  國家動力電池創(chuàng)新中心副主任 王建濤

  以下為演講實錄：

  尊敬的各位專家、各位來賓：

  大家上午好!非常榮幸能夠代表國家動力電池創(chuàng)新中心，跟大家分享一下我們在硫化物及全固態(tài)電池方面的一些關鍵技術(shù)和工藝方面的研究。

  我的報告分為以下三個部分。

  一、全固態(tài)電池研究背景

  我們簡單來回顧一下全固態(tài)電池的研究背景。對于全固態(tài)電池來講，與半固態(tài)電池和其他電池稍微有一點不同，全固態(tài)電池作為一個新的電池產(chǎn)業(yè)形態(tài)，其發(fā)展對我們現(xiàn)有鋰電產(chǎn)業(yè)沖擊和影響還是比較顯著的。在此基礎上，行業(yè)在這一塊比較關注，形成了多條技術(shù)路線，包括聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物等多種體系。

  最早報告的是聚合物，在法國的汽車上裝車應用，但是由于應用過程存在短板，一直沒有實現(xiàn)大規(guī)模的應用?；诹蚧锏募夹g(shù)路線是日本豐田，以及韓國一直在堅持的一條技術(shù)路線，現(xiàn)在歐洲一些車企也以投資美國重點企業(yè)的方式在走這條技術(shù)路線，我們作為國家動力電池創(chuàng)新中心也在做自己的探討和研究。

  固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀。因為在早期世界上都在做固態(tài)電池，包括關鍵技術(shù)的研究和基礎材料的開發(fā)，開發(fā)過程中其實也有一些原形電池涌現(xiàn)出來，但是這或多或少是單指標因素的電池。所以對于前期這么多年的關鍵科學問題、技術(shù)問題的探討和關鍵材料的積累，目前在一些國家政策，以及行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新性產(chǎn)品需求的各種因素作用的促進下，也進入到全固態(tài)電池產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)和產(chǎn)品工藝開發(fā)的聚集期，在這個聚集期下很多的企業(yè)，包括龍頭電池企業(yè)，龍頭的整車企業(yè)都紛紛布局全固態(tài)電池。

  從布局上來看，固態(tài)電池未來勢必是要在2027年之后，甚至到2030年這個階段，有小批量的生產(chǎn)，以及裝車驗證，這是大趨勢上的問題。

  我們在這一塊做的相對早一點，是2010年開始做全固態(tài)電池簡單工藝的研究，當時我們承擔了國家第一個硫化物全固態(tài)電池的863項目，但是在這個過程中發(fā)現(xiàn)了很多問題，經(jīng)過這么多年的發(fā)展問題依然存在，包括關鍵的材料問題和工藝問題。

  關鍵的材料問題大家都知道，因為我們剛才講到全固態(tài)電池存在幾個技術(shù)路線，不管是聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物，都是以固態(tài)電解質(zhì)的形態(tài)來分的。但是對于這種技術(shù)形態(tài)的電解質(zhì)材料，它都有自己性能方面的短板和優(yōu)勢。目前我們整車企業(yè)喜歡用“六邊形戰(zhàn)士”來形容我們的電池，但是對于電解質(zhì)材料同樣有一個雷達圖，但是這個雷達圖不是六邊，它是多邊。目前來看，沒有哪種電解質(zhì)材料能滿足這種多邊的，包括我們離子導、電子導、空氣穩(wěn)定性，以及我們成本、安全性等方方面面的要求，這是當前電解質(zhì)的現(xiàn)狀。

  另外，對于大家理解的我們的固態(tài)電池的整體與液態(tài)電池最大的差別，就是它沒有電解液，沒有電解液造成非常重要的問題，就是固固接觸的界面。這包含了很多界面，包括了我們電解質(zhì)材料自身，因為我們知道材料都是粉體材料，電解質(zhì)粉體材料組成的塊材料，粉體與粉體之間的接觸，以及我們電解質(zhì)活性物質(zhì)之間的接觸，充當我們離子傳輸?shù)囊粋€載體，這個接觸也是非常重要的，所以這個是小界面。

  另外，我們電池都是有正極電解質(zhì)膜和負極組成，正極和電解質(zhì)膜之間、負極和電解質(zhì)膜之間這也是固固接觸。同時這種接觸界面由于我們離子傳輸是一個物質(zhì)性的傳輸，所以在傳輸過程中由于物質(zhì)的傳輸會導致這個界面發(fā)生疏松，甚至是界面的剝離，所以導致我們動態(tài)接觸界面的關鍵問題。

  第三個問題，我們知道全固態(tài)電池可能在整個的組裝、制備工藝，以及電池設計方面，與我們液態(tài)電池還是略微有一點差別，因為它沒有電解質(zhì)的注液，它需要做一個穩(wěn)定的界面。所以目前來講對于結(jié)構(gòu)的設計，目前沒有一個統(tǒng)一的設計。

  我們知道豐田走的比較靠前，對于硫化物這一塊已經(jīng)形成了自己的核心專利。從專利布局來看，從2021年之后開始做核心的專利布局。

  我們作為國家動力電池創(chuàng)新中心主要是做一些關鍵材料、關鍵技術(shù)，也就是行業(yè)共性技術(shù)的研發(fā)，所以最早承擔著固態(tài)電池的項目。在此基礎上，一直致力于全固態(tài)電池的開發(fā)，所以這些年在這一塊形成了關鍵核心材料的相關專利，包括電解質(zhì)專利、電池專利，以及我們基于前期的基礎，在2023年國家在新能源汽車戰(zhàn)略專項給了我們一個鏈主的地位。在此基礎上，我們做了一些相關的工作。

  做出全固態(tài)電池才能做好全固態(tài)電池的產(chǎn)品，才能有助于全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)。昨天我們非常有幸邀請到了力神的前董事長給我們講報告，叫做“一代應用帶動一代產(chǎn)品”。從最早的摩托羅拉帶動了三洋，到蘋果帶動ATL，到新能源汽車帶動CTL，我們低空經(jīng)濟用到飛行汽車，需要更高能量密度電池，更安全的空域，是否能帶動起我們?nèi)虘B(tài)電池，就是更安全電池形態(tài)，這是一個產(chǎn)業(yè)。但是如何做好這個電池或者如何做成這個電池，這是我們對于電池的剖析。

  對于電池這一塊首先要做好正極的極片，做好負極的極片，做好電解質(zhì)膜，以及做好組裝過程。但是在這個過程中要解決很多問題，因為我們是做相關基礎科學和共性問題研究，在這個過程中我們做了相關的研究，包括是否能實現(xiàn)高性能固態(tài)電解質(zhì)材料與薄的電解質(zhì)膜的問題解決，包括我們正極電解質(zhì)的匹配，負極電解質(zhì)的匹配，以及我們的全固態(tài)電池體系結(jié)構(gòu)設計的一個實現(xiàn)問題，還有全固態(tài)電池的工程化問題?？偠灾@是我們后續(xù)一直在致力于要做的。

  二、全固態(tài)電池研究進展

  今天，對于我們前期做的工作給各位領導和專家簡單分享和匯報一下。首先對于電解質(zhì)材料，因為前面講到電解質(zhì)材料非常多，但是要做到一個能用的電解質(zhì)材料，必須要具有高的離子導和高的空氣穩(wěn)定性，因為它要能用，它要具備基本的電解質(zhì)材料的本真性能，它要做到離子傳輸，所以離子導要高，它要能用，它要工程化面向可應用，它的空氣穩(wěn)定性要好。

  現(xiàn)在干法電極發(fā)展的非常火熱，還需不需要溶劑穩(wěn)定性，如果是干法電極，這一塊我們可以簡單略去一些。

  針對這兩個問題，我們針對離子導主要是基于它材料自身的組份組成結(jié)構(gòu)，也就是對于離子傳輸過程中周邊的電價作用對離子傳輸特殊特性的影響，我們設計了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度等一系列的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)高離子導。

  另外空氣穩(wěn)定性，我們知道空氣穩(wěn)定性以硫化物為例，因為我們今天主要講的話題是硫化物全固態(tài)電池，我們以這個材料為例，對于磷硫四這個鍵為例，因為我們知道磷硫鍵它的穩(wěn)定性與磷氧鍵，以及硫氧鍵之間的穩(wěn)定性相差很多，所以容易和我們的水發(fā)生反應，形成硫化氫等副反應。這要求我們對它表面進行改性，這是我們做的相關情況，我們可以看到改性之后它的空氣穩(wěn)定性確實有所提升。

  有一個穩(wěn)定的材料才能做下面的應用，大家知道對于硫化物電解質(zhì)材料有一個關鍵的致命短板，叫做電化學穩(wěn)定窗口比較短。本身的電化學穩(wěn)定窗口只有0.9到2.2伏，對于我們現(xiàn)在用的三元或者是磷酸鐵鋰它的電化學穩(wěn)定窗口都不夠。所以在此基礎上，我們開發(fā)了高電化學穩(wěn)定窗口的材料，叫做新型的鹵化物極電解質(zhì)材料。目前還沒有小批量的往市面上用的原因，就是因為它沒有解決前面的兩個性里面的一個性，就是空氣穩(wěn)定性的問題。

  高的離子電導率通過我們的組份可以解決，但是空氣穩(wěn)定性有待于進一步提升，這導致它不能在很多場合用。當然，它現(xiàn)在的性能發(fā)揮的非常好，后續(xù)需要進一步的開發(fā)。

  我們知道對于全固態(tài)電池最重要的還有我們的電解質(zhì)膜，原來我們做相應的產(chǎn)品開發(fā)的時候都知道電解質(zhì)膜與我們現(xiàn)有的隔膜相比，它要做到與現(xiàn)有的隔膜相當。但是現(xiàn)在我們往往看到不管是文獻還是一些報道來講，這個電解質(zhì)膜都比較厚。所以在此基礎上為什么做不薄?就是因為電解質(zhì)膜不夠均勻，如果做到均勻致密的電解質(zhì)膜，首先不能做到能傳離子不能傳電子，但是現(xiàn)有的電解質(zhì)膜與我們的液態(tài)電解液相比是具有電子傳輸特性的，雖然電子導非常低，但是還是具有電子導特性，電解液是我們?nèi)軇w系下的它是不具有電子傳輸特性。所以要實現(xiàn)這種薄的電解質(zhì)膜的實現(xiàn)，要解決我們固態(tài)電子導高的問題，所以我們現(xiàn)在用的是改性降低它的電子導，提高離子導。

  通過改性之后我們的電子導能降低，體現(xiàn)了它在薄膜情況下較均勻致密的有可能鋰枝晶的一些問題。

  最重要是超薄電解質(zhì)膜的實現(xiàn)，對于我們現(xiàn)有電解質(zhì)膜的開發(fā)主要是干法和濕法兩類。干法是連續(xù)的滾軋來實現(xiàn)電解質(zhì)膜一層層研薄，壓嚴的銅箔一樣。銅箔是一個金屬的，是非常致密的原子層級的結(jié)合，但是電解質(zhì)是粉體的，非常難實現(xiàn)，我們現(xiàn)在主要是以支撐體的方式來做。但是支撐體要求我們涂布過去，再滾軋，多次性這一塊減少了，要求我們顆粒一致性要均勻。通過實現(xiàn)顆粒一致性的情況，以及我們新型高效黏結(jié)劑的實現(xiàn)，來實現(xiàn)薄膜化的制備。目前實現(xiàn)20到30微米，但是遠遠不夠，未來通過一些科技部的項目提到了15微米，這也是努力和發(fā)展的方向。

  對于全固態(tài)電池來講，我們剛剛講到膜，另外就是我們的正極、負極，現(xiàn)在我們對于液態(tài)電池來講，我們知道這種高鎳用到8C之后就存在安全問題，我們推到6C高電壓。但是對于全固態(tài)電池我們研究了，6C的全固態(tài)電池安全性能非常好，但是僅停留在6C還是不夠的，所以我們要往高的9C方面做，剛才于總有一個片子講的9C表面改性的問題，依然存在脫離開的DSC的熱分解溫度比較低的問題，這種問題的解決同樣依賴于我們材料自身的改性，以及我們利用電解質(zhì)材料與活性物質(zhì)之間的極配和能級的匹配問題。

  我們的策略是通過兩種的雙包覆，第一層用到前面講的半固態(tài)電池里面的氧化電解質(zhì)材料，來解決它表面的包覆問題。另外它要形成硫化物的匹配，所以實現(xiàn)簡單連續(xù)不包覆的問題。這樣我們會形成雙包覆的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)它在全固態(tài)電池電極性能力的發(fā)揮。

  第二就是負極，我看到于總的報告講到用硅碳可以實現(xiàn)400，用金屬鋰可以實現(xiàn)500，金屬鋰我們做了一些，但是這個工作現(xiàn)在還不是那么完善，所以今天沒有給各位專家匯報。主要我們現(xiàn)在集中在硅基負極，因為我們沿用液態(tài)的是不夠的，在液態(tài)我們可以把電池設計成呼吸電池，這能夠?qū)崿F(xiàn)長循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是全固態(tài)電池里面不可能用呼吸電池來解決全固態(tài)電池的循環(huán)。

  所以對于全固態(tài)電池硅的應用，可能需要很多的手段，在此我們主要用幾種。第一種先選一個好的材料，現(xiàn)在的硅基材料已經(jīng)通過了早期的BSGO650，到現(xiàn)在的G14類的相關材料。這種材料它自身的充放電過程中體積的膨脹率會大幅度降低，在此基礎上我們通過構(gòu)筑較強的自修復的有機、無機的表面包覆層來抑制膨脹。進而在電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)極配，實現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)的低膨脹。最后這個電極還是要膨脹的，這有賴于我們?nèi)虘B(tài)電池后面要加一個壓力來限制它的膨脹，來實現(xiàn)全固態(tài)電池用硅基電池容量的發(fā)揮。這兩個電極的構(gòu)筑，以及我們電解質(zhì)膜的構(gòu)筑，為我們構(gòu)筑全固態(tài)電池提供了中間頻的基礎。

  在此基礎上，可以構(gòu)筑簡單的全固態(tài)電池，但是對于全固態(tài)電池一個沒有高能量密度是沒有意義的，所以這就要求我們正負極的面載量要偏高，但是對于高的面容量，對于液態(tài)電池里面我們知道面容量大于4.5的時候，基本上它的倍率性能會很差。這只有在美國蔣艷明老師做的24M，叫做漿料電極才能做厚，但是它沒有導電，直接用電解液來取代，只能做出單片。但是對于我們多疊層的高負載的電極，怎么實現(xiàn)高負載衡量下的離子傳輸和電子傳輸?shù)目焖倩?，也就是未來怎么適用于我們的高倍率，甚至快充，是一個挑戰(zhàn)。

  在此基礎上也做了相關的工作，目前活性物的占比不是特別高，與液態(tài)電池相比，液態(tài)電池可以做到95以上，液態(tài)電池都是多孔電極，這個孔隙率在20到25之間，之后我們可以利用作為離子傳輸?shù)碾娊庖簛磉M行填充，是可以實現(xiàn)離子的快速遷移。但是對于固態(tài)電池沒有電解液，所有的都需要電解質(zhì)，所以有孔對于全固態(tài)電池來講是不利的。

  在此基礎上如何構(gòu)筑高負載、高致密化的電池是一個核心的問題，現(xiàn)在能采用的手段當然不限于這些手段，主要是多層級、多維度的電解質(zhì)納米復合電解劑之間的復合。

  通過前期高負載電極，以及我們的超薄電解質(zhì)膜的構(gòu)筑，目前能夠?qū)崿F(xiàn)300～400Wh/kg正負極材料體系的驗證。這是我們單片電極能夠算到300～400Wh/kg，但是做到300～400Wh/kg距離還比較遠。

  我們?nèi)ツ晖ㄟ^一系列的手段做到350Wh/kg的原形，但是這個原形的超長期循環(huán)，就是全生命周期還是有很大問題。

  剛才于總講到共用技術(shù)，我們包含了如果有一個共用技術(shù)，還有一個共用的測試，有一個共用性能的發(fā)揮，就需要我們確實能夠做出一批相對一致性比較好的全固態(tài)電池?，F(xiàn)在有很多專家認為干法電極是更適合于全固態(tài)電池，尤其是硫化物全固態(tài)電池，我對于這個觀點贊同。但是由于干法電極的技術(shù)成熟度，我們有些企業(yè)能夠做到，對于我們來講技術(shù)成熟度還沒有那么高，我們要做到一致性比較高的電極，我們還是沿用了漿料涂布類的濕法電機，它是比較容易做到均勻一致性。它要解決的是溶劑率性，就是電解質(zhì)材料和溶劑的穩(wěn)定性問題。

  目前我們已經(jīng)選了一種非極性溶劑，能夠?qū)崿F(xiàn)一個長期的硫化物漿料的穩(wěn)定，來實現(xiàn)正負極的涂布和電解質(zhì)膜的涂布，能夠做到相對一致穩(wěn)定性。在此基礎上我們可以研究全固態(tài)電池相應的特性，以及在循環(huán)過程中的一些失效的情況。

  這是我們做的全固態(tài)電池的批量制備，因為我們前面講到對于全固態(tài)電池來講非常重要的問題就是界面。我們的材料界面可以通過材料解決，材料與活性物質(zhì)的界面可以通過電極層面來解決，但是電極與電解質(zhì)膜之間的界面需要通過后期的手段來解決。目前我們是輔助于緩沖層加上外面等電壓的手段，對于未來規(guī)模化生產(chǎn)的效能不是那么高，未來是不是還能夠再提高、再優(yōu)化，這是我們對這一塊的認識。

  目前來講是可以做到一些安時級，甚至是40Ah級，安時級的全固態(tài)電池安全性能有保障，但是做到大的容量全固態(tài)電池它的安全性能現(xiàn)在的保障還是有待于進一步的提升。

  三、全固態(tài)電池小結(jié)展望

  最后做一個小結(jié)和展望，對于國內(nèi)來講做全固態(tài)電池，從電解質(zhì)材料到電池這一塊已經(jīng)做了很多年，電解質(zhì)材料一直聚焦于硫化物和鹵化物兩種材料，目前來講已經(jīng)有材料為我們前面國家隊提供了材料規(guī)?；墓?，保證了這些公司和企業(yè)能夠把基于硫化物的全固態(tài)電池往下做。

  第二，進行我們當時做全固態(tài)電池的采用方式是自下而上，先做好一個極片再做好十個極片，所以做好一層單層的全固態(tài)電池，現(xiàn)在能做到十層加十層，40Ah是三個十層加十層，就是三個疊層完之后再把這三個疊層并在一塊，中間有三個大的界面，我們不去糾結(jié)，可以實現(xiàn)40Ah，這是現(xiàn)在的形成。

  再做一個對全固態(tài)電池小的展望，因為做的越多越發(fā)現(xiàn)全固態(tài)電池是物理層級的結(jié)構(gòu)件，對于我們做汽車的，大家都知道結(jié)構(gòu)件這個東西它具有長周期的疲勞，可靠性這一塊性能的表征和檢測對于整個汽車產(chǎn)業(yè)還非常重要。對于全固態(tài)電池來講，它自身的這種長周期的結(jié)構(gòu)的可靠性也是非常重要，但是結(jié)構(gòu)的可靠性我們知道不管是剛剛講離子的傳輸，對于內(nèi)部的力的影響，還是我們外部整個汽車的在走的過程中的震動，就是工況對它的影響，都是要求對它里面的整個力的變化有一個非常重要的要求。

  所以在此層級上，對于全固態(tài)電池來講，力學的研究，以及力學的調(diào)控，甚至是精準的調(diào)控，以及我們怎么來把它限制到一定范圍內(nèi)。之前液態(tài)有一個安全的邊界，對全固態(tài)電池未來有沒有一個力的邊界，這一塊可能是非常重要的因素，所以是多層級力學行為的研究，包括材料電極電池，以及我們力學研究的一些手段。我們講表征手段，還是我們的調(diào)控手段，還是我們未來在應用過程中的一些維修手段，這都是非常重要的。

  最后就是如果有力的研究之后，我們可以進一步研究力、電、熱，以及整個安全方面的耦合，這樣就更有助于全固態(tài)電池的發(fā)展。

  十分感謝!