助力全固态锂电池研发，中科大团队固态电解质新发现
时间:2023-04-27 11:33来源:南方都市报 作者:综合报道
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受益于新能源汽车的不断增长,锂电池行业迎来新一轮发展机遇。而传统电池能量密度不足带来的“里程焦虑”、安全性能不足带来的“安全焦虑”等问题也愈发凸显，已成为限制新能源汽车发展的一大障碍。固态锂电池，由于其优异的安全性能和高能量密度，被认为是破解当前锂离子电池“魔咒”的下一代动力电池解决方案。
作为核心组件，固态电解质很大程度上决定了固态锂电池关键性能指标。近日，中国科学技术大学姚宏斌教授表示，经过3年多科研攻关，其所在团队与合作者设计开发出一种全固态锂电池所需的电解质新家族，能实现锂离子的快速传导同时做到固态锂金属电池的稳定循环。相关研究成果已发表在国际权威学术期刊《自然》(Nature)上。
“我们预期在未来10年左右能看到固态锂电池的新产品，如果10年看不到希望，我也承认失败。”姚宏斌谨慎地表示，从基础研究中的新发现，再到电池的最终应用，是个非常复杂的问题，需要更多外部的支持。到那时，“全固态电池可以让电动汽车续航里程超过2000公里,它的能量密度会比目前的锂电子电池翻一番。”
姚宏斌教授。 代蕊 摄
目前全球尚未有成熟的全固态锂电池发布
所谓固态电池，即电池使用固体电极和固体电解质，而不是传统锂离子电池中的液体或凝胶电解质。日前，在第二届世界动力电池大会云上宜宾高端论坛中，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高表示，与目前的锂电池相比，全固态电池优势明显：充电速度可提高三倍，而且不受温度限制；能量密度翻倍，让电车跑得更远；更重要的是，由于固态电解质在电池反应中较液态电解质副反应少，化学性质更稳定，穿刺后也不用担心安全问题。
现在全球已经有无数人投入到了这场创新运动。据姚宏斌团队介绍，当前全固态电池主要有三种技术路线：第一种常用的是硫化物固态电解质材料。日本丰田公司是全球范围内硫化物固态电池领域的龙头企业。此外，松下、三星、宁德时代均选择了硫化物电解质路线。尽管硫化物电解质室温离子电导率高，但是空气稳定性较差，要实现量产必须突破生产环境限制并解决安全问题，研发难度较大。
第二种常用的是聚合物固态电解质，包括聚环氧乙烷、聚丙烯腈等。该路线具有高温时离子电导率高、易于加工、电解质/电极的界面阻抗可控等优点，是最早产业化的技术路线。其主要缺点在于低温时离子电导率低。
第三种常用的是氧化物固态电解质，这也是目前全球固态电池参与企业最多的技术路线。氧化物电解质室温电导率相对较高、电化学稳定性好、循环性能良好，但电解质与正负极材料界面接触差导致界面阻抗高，需要引入少量的液态电解质来降低界面阻抗，很难实现全固态电池。
“目前没有成熟的全固态锂电池发布。”姚宏斌称。目前，全固态电池尚有多个技术难点亟须突破，如电解质室温离子电导率低、电解质与电极界面阻抗过高导致电池内阻明显增加、循环性能差，倍率性能变差等问题尚未得到解决。
姚宏斌在介绍实验室工作情况。 南都记者 王凡 摄
预计未来10年看到全新固态锂金属电池产品
姚宏斌团队的新发现对全固态锂电池研究带来了哪些突破？
据介绍，传统的金属卤化物固态电解质晶格中氯离子是六方或立方紧密堆积，其空间体积较小，对锂离子的传导有一定限制。因此，开发对锂金属负极稳定的新型快离子导体框架结构是发展高比能全固态锂金属电池面临的关键挑战。
“我们运气比较好”，姚宏斌称，作为材料实验化学家，每天需要和实验室的瓶瓶罐罐打交道。多次探索实验后，姚宏斌团队发现，镧系金属氯化物晶格中氯离子呈非紧密堆积形式，天然存在丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。
此外，姚宏斌团队还选择高价离子掺杂策略来制造镧空位，得益于大尺寸高速离子通道和相邻通道间超强的交换作用，优化的金属氯化物固态电解质表现出高室温离子电导率和低活化能。
“就像你爬坡，坡越高越累，路越平坦走得越快，这种独特的传导机制，让锂离子在里面畅通无阻地自由穿梭。”姚宏斌称。
也因此，研究人员组装的全固态锂金属原型电池无须负极垫层和正极包覆等额外的常用界面稳定手段，即可实现室温下稳定循环。“循环完后我们看到电解质和电极之间的接触性仍然保持得很好，证明有望实现真正实用的全固态锂金属电池。”姚宏斌称。
南都记者了解到，当前，全球约有50余家企业致力于固态电池的技术开发。总体而言，日韩处于技术领先地位，欧美企业广泛布局，国内少数企业掌握部分核心技术。
距离实现全固态锂电池的应用还有多远？“我们预期在未来10年左右能看到全新固态锂金属电池的产品，如果10年看不到希望，我也承认失败。”姚宏斌谨慎地表示，从基础研究中的新发现，再到电池的最终应用，是个非常复杂的问题，需要更多外部的支持。到那时，“全固态电池可以让电动汽车续航里程超过2000公里,它的能量密度会比目前的锂电子电池翻一番。”
(责任编辑：子蕊)
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