每經(jīng)記者｜朱成祥 胥帥    每經(jīng)編輯｜陳 旭    

繼上個月清華大學張強團隊在《自然》雜志發(fā)表關于固態(tài)電池領域的研究進展后，國內固態(tài)電池研究又取得新突破。

近日，中國科學院物理研究所黃學杰團隊聯(lián)合華中科技大學、中國科學院寧波材料技術與工程研究所等組成的研究團隊開發(fā)出一種陰離子調控技術，解決了全固態(tài)金屬鋰電池中電解質和鋰電極之間難以緊密接觸的難題，為其走向實用化提供了關鍵技術支撐。據(jù)記者了解，相關研究成果已于10月7日發(fā)表在國際學術期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》上。

視覺中國圖

固-固界面問題一直是全固態(tài)電池兩大難以攻克的問題之一。專注于新能源鋰電領域的投研平臺真鋰研究認為，這一成果為全固態(tài)金屬鋰電池走向實用化提供了關鍵技術支撐。

解決全固態(tài)電池金屬鋰界面問題

在行業(yè)內，上述研究成果引發(fā)高度關注。不少電池企業(yè)高管都在朋友圈轉發(fā)了中國科學院物理研究所官網(wǎng)文章，并向黃學杰表示祝賀。黃學杰是中國科學院物理研究所研究員、博士生導師，也是中國最早研究固態(tài)電池技術路線的學者之一陳立泉的學生。

9月，黃學杰曾向《每日經(jīng)濟新聞》記者提到固態(tài)電池“固-固界面”施加壓力的問題。對于最新的研究成果，記者也多次致電黃學杰并發(fā)去采訪提綱，暫未獲得有效回復。

固態(tài)電池中，最核心的當屬固態(tài)電解質和負極材料。固態(tài)電解質很大程度上可以解決安全性問題，負極材料則能大幅提升能量密度。

頭豹研究院工業(yè)行業(yè)分析師文上告訴記者，與傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電池在固態(tài)電解質、負極材料及正極復合結構這三個方面均存在革新。其中，固態(tài)電解質的更換是核心，其材料體系、制備工藝和性能突破均與液態(tài)電池形成根本性差異，直接引發(fā)負極材料和正極與電解質界面結構的連鎖變革。與此同時，負極材料尤其是硅碳負極和鋰金屬負極的應用推動了能量密度的躍升。相比之下，正極材料雖有迭代（如錳系、硫系材料的引入），但整體仍以改良現(xiàn)有體系為主，變化幅度相對較小。

目前，主流負極材料為石墨負極，當下正在走向硅碳負極。而能量密度超高的鋰金屬負極，則是終極目標。

不過，固態(tài)電解質與金屬鋰電極的界面接觸問題一直是制約其產(chǎn)業(yè)化的難題。傳統(tǒng)做法依靠笨重的外部設備持續(xù)施壓，但鋰電極和電解質之間仍然存在大量微小孔隙和裂縫。這不僅會縮短電池壽命，還可能帶來安全隱患。

為破解這一困境，中國科學院研究團隊在電解質中引入碘離子。在電池工作時，這些碘離子會在電場作用下移動至電極界面，形成一層富碘界面。這層界面能夠主動吸引鋰離子，自動填充所有的縫隙和孔洞，讓電極和電解質始終保持緊密貼合。

一位業(yè)內人士表示，上述革新是在電解質中“預置可遷移陰離子”，利用充放電電場把它們定向遷移到Li（鋰）界面，原位長出自適應Li-rich（富鋰）界面，且在低壓、零外壓環(huán)境下也能長期貼合與自修復。

解決硫化物固-固界面工程化難題

固態(tài)電池所采用的固態(tài)電解質，目前可分為硫化物、氧化物、聚合物和鹵化物四大路線。硫化物由于離子電導率接近液態(tài)電解質，成為全固態(tài)電池主流路線。不過，固-固界面卻是阻礙其產(chǎn)業(yè)化的一座大山。

此次黃學杰團隊的研究成果，為硫化物電解質解決固-固界面問題提供了解法。

10月11日下午，《每日經(jīng)濟新聞》記者來到天齊鋰業(yè)創(chuàng)新實驗研究院，見到了天齊鋰業(yè)創(chuàng)新實驗研究院院長劉楊。天齊鋰業(yè)創(chuàng)新實驗研究院位于四川省眉山市，該實驗室以下一代高性能鋰電池新型鋰材料研究為核心，同時開展礦產(chǎn)資源綜合利用、新型提鋰技術、電池回收等方向的研究。

“我注意到了（固態(tài)電池論文）研發(fā)成果。他們在材料中添加了碘離子，以提高鋰離子的導電率，從而解決了固態(tài)電池工程化的一個關鍵問題。這對我們布局固態(tài)電池和相關原材料、功能性材料是一個積極的消息。”劉楊向《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，論文提到解決固態(tài)電池“固-固界面動態(tài)接觸問題”，這是推進工程化應用的全球共性挑戰(zhàn)。

全固態(tài)金屬鋰電池“制造”和“運行”分別要經(jīng)歷“高”和“低”兩種壓力，在高壓力下金屬鋰發(fā)生蠕變易引發(fā)電池短路，而低壓力下固-固界面又會接觸不良，金屬鋰負極本身具有體積效應，循環(huán)中界面劣化問題嚴重。在此情況下，把握固態(tài)電池壓力的“火候”就十分重要。在劉楊看來，這篇論文證實即使給予固態(tài)電池輕微壓力，也能滿足應用需求。這避免了實驗室條件下對極端條件的依賴。

與科研成果一樣，企業(yè)其實也注意到碘離子的變量。“時間大概是在去年初，我們通過多個路徑去研究固態(tài)電池的相關材料，其中就對含碘元素鋰鹽進行相關調研和立項研發(fā)。”劉楊說，公司通過文獻研究、自主研發(fā)以及行業(yè)交流等途徑，持續(xù)更新最新技術信息，對未來電池技術發(fā)展趨勢進行前沿布局。固態(tài)電池材料研究的目的關鍵還是要找到同時具備成本優(yōu)勢和功能優(yōu)勢的元素組合。盡管含碘材料并不貴，但難度在于高純度含碘鋰鹽的制備過程及規(guī)模化。“結合現(xiàn)在最新科研成果，我們也會去思考這一路線的可行性、拓展性及工程化。”

記者注意到，相比碘離子“加入”的難度，劉楊認為硫化鋰的難度系數(shù)要更高。

“硫化鋰的生產(chǎn)路徑理論上有很多種，但是實際生產(chǎn)當中各有利弊。”劉楊說，硫化鋰制成方法包括爆炸反應、碳熱還原法等，但弊端在于部分工藝會涉及高溫高壓且硫化鋰吸水易產(chǎn)生硫化氫氣體。這意味著固態(tài)電解質制作工藝上的處理難度較大，需要專門的密閉空間以防止與水分子接觸，“這限制了大規(guī)模生產(chǎn)，理想情況下，我們需要研發(fā)一種對環(huán)境穩(wěn)態(tài)、界面穩(wěn)態(tài)、高離子導電率，且具備量產(chǎn)化工藝途徑的固態(tài)電解質材料。”劉楊告訴記者，解決方法之一是“漿態(tài)還原法”新技術，希望通過開拓中低溫合成條件下硫化鋰合成反應的可行性，這樣能有利于連續(xù)化生產(chǎn)。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈機會在哪里？

值得注意的是，當下固態(tài)電池并未實現(xiàn)量產(chǎn)，尚沒有進入規(guī)模降本階段，因此如果用固態(tài)電池替代同等容量的液態(tài)電池，可能會導致整車價格大幅提高。在無人機、機器人等領域，固態(tài)電池具有廣闊的應用前景，尤其在需要高能量密度、輕量化以及低溫性能良好的場景中，固態(tài)電池優(yōu)勢明顯，這也會慢慢打開固態(tài)電池的需求，進而帶動規(guī)模化生產(chǎn)。

關于固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈，文上對記者表示，總體來看，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上游材料設備形成了國內廠商主導量產(chǎn)、國外廠商把控核心技術的競爭格局。設備呈現(xiàn)中后端強、前端弱的特點。粉碎混合、干燥燒結、成型涂布等中后端設備國產(chǎn)化率較高，已實現(xiàn)規(guī)?；娲欢呒冊虾铣?、界面修飾、高剪切分散、高端檢測等前端設備仍高度依賴進口。預計未來5年至10年，隨著國內企業(yè)在ALD（原子層沉積）核心部件、磁控濺射靶材、高剪切分散機等領域取得的技術突破，固態(tài)電池設備國產(chǎn)化率有望提升，推動全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控進程。

具體來看，硫化物電解質設備中，國內廠商包括先導智能、贏合科技、曼恩斯特、江蘇龍鑫智能等；國外廠商包括日本住友重工、德國Manz AG等。

除了關鍵材料固態(tài)電解質外，負極材料則是提升能量密度的關鍵。在硅碳負極設備方面，文上告訴記者，CVD（化學氣相沉積）與預鋰化是技術制高點，產(chǎn)品依賴進口，國內廠商正在快速替代，涉及設備包括納米硅制備設備、預鋰化設備。在該領域設備中，國內廠商包括紐姆特、北方華創(chuàng)、中微公司等；國外廠商包括美國應用材料、日本東京電子等。

硫化鋰路線之外，中國固態(tài)電池氧化物、聚合物路線的規(guī)模生產(chǎn)也有好消息。10月3日，據(jù)“北京房山”官方消息，北京市“3個100”重點工程中的標桿項目——北京衛(wèi)藍高性能固態(tài)鋰離子電池量產(chǎn)建設項目，已于近日實現(xiàn)鋼結構主體封頂，標志著項目建設取得關鍵性進展。

北京衛(wèi)藍董事長俞會根告訴記者，他也注意到上述論文，論文中提到的固態(tài)電池需要有可移動的碘離子（鹵離子），目前嘗試是含碘的硫化物固態(tài)電解質。對于氧化物和聚合物路線，主要通過復合原位固化全固態(tài)應對“固-固界面接觸問題”，不需要解決壓力，但仍然要做一些優(yōu)化工作。他強調，全固態(tài)電池仍然面臨工程化量產(chǎn)的挑戰(zhàn)。

此次中國科學院黃學杰團隊在硫化物電解質固-固界面難題上的突破，無疑為全固態(tài)電池的實用化進程注入了一劑強心針。然而，從實驗室的“關鍵技術支撐”到真正規(guī)模化、低成本的商業(yè)應用，固態(tài)電池仍需跨越材料制備、工藝優(yōu)化以及成本控制等多重“工程化量產(chǎn)”的鴻溝。對于產(chǎn)業(yè)鏈而言，這既是挑戰(zhàn)，更是機遇。

封面圖片來源：視覺中國圖