本文來源：時代周報 作者：雨辰
近日，工業(yè)和信息化部（以下簡稱“工信部”）正式發(fā)布強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（以下簡稱“電池新國標(biāo)”），該標(biāo)準(zhǔn)將于2026年7月1日起正式實(shí)施。
值得注意的是，電池新國標(biāo)對熱失控后的安全要求進(jìn)行了重大升級，從原先的“5分鐘內(nèi)不起火、不爆炸”提升為“完全不起火、不爆炸”，并新增規(guī)定要求煙氣毒性不得對乘員生命構(gòu)成威脅。這一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)被業(yè)內(nèi)稱為“史上最嚴(yán)電池安全令”。
傳統(tǒng)液態(tài)電池的安全隱患始終難以根除，其能量密度正逐漸接近理論上限，而在低溫環(huán)境下其性能也難以滿足電動汽車需求。在此背景下，全固態(tài)電池憑借其高能量密度和卓越的安全性等優(yōu)勢，成為“下一代電池技術(shù)”的重要發(fā)展方向。然而，全固態(tài)電池領(lǐng)域的研究長期以來一直受到固態(tài)電解質(zhì)材料電化學(xué)性能、固固界面穩(wěn)定性以及其產(chǎn)業(yè)化工藝等難題的制約。
對此，時代周報推出《固態(tài)電池：能源革命的下一個奇點(diǎn)》專題報道，深入探討這一有望重塑萬億級能源產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)變革。4月17日，時代周報記者對安徽大學(xué)材料學(xué)院朱凌云教授進(jìn)行了專訪，就當(dāng)前全固態(tài)電池的研究進(jìn)展及其安全性、穩(wěn)定性是否真如外界所宣稱的那樣可靠等問題展開了深入探討。
“全固態(tài)電池的研發(fā)絕非一蹴而就，我始終認(rèn)為這是一項(xiàng)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的工作?！?a class="keyword-search" >朱凌云介紹道，目前，其團(tuán)隊(duì)主要聚焦于硫化物電解質(zhì)的研究，團(tuán)隊(duì)規(guī)模約為20人。硫化物電解質(zhì)因其卓越的離子傳導(dǎo)率以及其優(yōu)異的界面可調(diào)控性能，被廣泛認(rèn)為是極具產(chǎn)業(yè)化前景的全固態(tài)電池技術(shù)路線。
安全性突破與隱患并存
時代周報：全固態(tài)電池主要擬解決什么問題？您團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究方向是什么？
朱凌云：當(dāng)前動力電池面臨的主要挑戰(zhàn)之一是其安全性問題，尤其是其著火風(fēng)險。針對液態(tài)電池的起火隱患，許多研究者都在積極探索解決方案，例如通過改性液態(tài)電解液來提升其阻燃性能。安徽大學(xué)材料學(xué)院的全固態(tài)電池實(shí)驗(yàn)室也投身于相關(guān)研究，包括新型鋰鹽的合成以及高安全性凝膠態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)。盡管如此，我們的主要目標(biāo)還是研究通過迭代方式解決電池的安全性問題，即重點(diǎn)研究高性能固態(tài)電解質(zhì)。
在硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研究領(lǐng)域，提升其鋰離子傳導(dǎo)率的同時，抑制硫化氫的生成是一個至關(guān)重要的課題。由于硫化氫具有危險性，因此提升材料在空氣中的穩(wěn)定性，尤其是對微量水分的耐受性，已成為我們實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前研究的重點(diǎn)。我們研發(fā)出了一種新型配方，可將硫化氫的生成量降低至普通未改性材料的十分之一以下。
與此同時，硫化物電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性較差，其狹窄的電化學(xué)窗口限制了應(yīng)用范圍。因此，如何拓寬硫化物的電化學(xué)窗口，使其適用于不同類型的正極材料，也是當(dāng)前研究的一個重要方向。此外，全固態(tài)電池的理想研究目標(biāo)是使用金屬鋰負(fù)極來實(shí)現(xiàn)高能量密度，因此對金屬鋰負(fù)極穩(wěn)定的硫化物電解質(zhì)也是短期內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵研究課題。
時代周報：近期工信部擬將“電池不起火”納入強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，引發(fā)行業(yè)熱議。全固態(tài)電池如何實(shí)現(xiàn)安全性的突破？目前其在熱穩(wěn)定性方面，以及充放電過程中是否仍存在安全隱患？
朱凌云：電動車碰撞起火絕大多數(shù)的根源在于電池破損。然而，采用了全固態(tài)電池技術(shù)，是否就能實(shí)現(xiàn)完全穩(wěn)定呢？目前來看，全固態(tài)電池尚未達(dá)到完全穩(wěn)定安全的狀態(tài)，特別是倍率充電過程中有鋰枝晶的析出，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證已發(fā)現(xiàn)這類問題。
雖然我們可以研發(fā)使用不可燃的電解質(zhì)材料，但在充放電過程中，電池內(nèi)部仍有形成新的金屬鋰枝晶風(fēng)險。理論上，由于鋰的還原性極強(qiáng)，新生態(tài)的鋰會導(dǎo)致部分電解質(zhì)變質(zhì)，一旦電池破損泄漏接觸空氣，電池還會起火。因此，如何抑制金屬鋰枝晶的產(chǎn)生，將是液態(tài)電池和近未來的全固態(tài)電池都需要面對的共同挑戰(zhàn)。
此外，我還有另一個觀點(diǎn)：短期內(nèi)全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化，并不意味著液態(tài)電池將徹底退出歷史舞臺。液態(tài)電池仍將在很長一段時間內(nèi)繼續(xù)使用。因此，工信部出臺相關(guān)政策以解決安全問題，是非常有必要的。在大量電池仍在使用的情況下，提高安全標(biāo)準(zhǔn)不僅對國內(nèi)電池生產(chǎn)環(huán)境提出了更高要求，也對電池研究人員開發(fā)新型阻燃電解液或阻燃方法起到了積極的推動作用。
時代周報：當(dāng)前國內(nèi)外全固態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)狀如何？日韓在全固態(tài)電池技術(shù)上與我國的差距如何？哪個國家目前在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位？
朱凌云：從技術(shù)研究層面來看，日本在全固態(tài)電池領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)更為深厚。在一些前沿問題上，他們積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這是其顯著優(yōu)勢。然而，我們中國的優(yōu)勢在于能夠“集中力量辦大事”。因此，在短期內(nèi)，我們有超越他們的潛力，并且正在展現(xiàn)出這種趨勢。在全固態(tài)電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)，雖然我國與日本還存在一定差距，但在工藝和生產(chǎn)能力方面，這些差距并非不可逾越。韓國的情況與日本相近。
在國內(nèi)，從設(shè)備和工業(yè)能力來看，并不遜色于日本的電池公司。在研發(fā)人員方面，像寧德時代、比亞迪和國軒高科等電池企業(yè)，都已組建了幾百人規(guī)模的團(tuán)隊(duì)研發(fā)生產(chǎn)全固態(tài)電池，進(jìn)展也比較順利。同時國內(nèi)新興企業(yè)不斷涌現(xiàn)，還有院士團(tuán)隊(duì)牽頭投資的企業(yè)，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，眾多的企業(yè)即將下線全固態(tài)電池產(chǎn)品。
核心技術(shù)突破：硫化物電解質(zhì)的創(chuàng)新攻堅(jiān)
時代周報：對于固態(tài)電解質(zhì)和電極界面間的相容性問題，目前存在哪些難點(diǎn)？有哪些創(chuàng)新的解決思路？全固態(tài)電池技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化，需要攻克哪些關(guān)鍵技術(shù)？產(chǎn)業(yè)化過程中哪些環(huán)節(jié)最為重要？
朱凌云：全固態(tài)電池的理想結(jié)構(gòu)應(yīng)是三層直接復(fù)合，即正極、電解質(zhì)層和負(fù)極疊加在一起，類似于我們最初宣傳的固態(tài)電池概念——所謂的“三明治結(jié)構(gòu)”。然而，目前生產(chǎn)方面我們還無法完全實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。盡管前面所述硫化物電解質(zhì)具有形成界面完美結(jié)合的優(yōu)勢，如在高壓力下，硫化物顆粒之間的結(jié)合界面可以像膠的熔融一樣而消失，但是在充放電過程中，體積膨脹會導(dǎo)致新的界面開裂，這仍然是一個棘手的問題。
在實(shí)驗(yàn)室中，通常借助 300 兆帕的高壓實(shí)現(xiàn)電池界面的完美結(jié)合。然而，工業(yè)化批量生產(chǎn)時，壓力需要控制在 5 兆帕以下，而且還需保證這些固固界面不會隨電池充放電時材料的膨脹和收縮引起電池邊緣開裂等新狀況的產(chǎn)生。
為此，研究人員正在開發(fā)一種新型的中間過渡層，該過渡層由高離子傳導(dǎo)性的彈性高分子粘接劑構(gòu)成，就像 “口香糖” 一樣，既能牢固黏結(jié)正負(fù)極與電解質(zhì)層，又能保證鋰離子自由穿梭。
時代周報：全固態(tài)電池對正極材料和負(fù)極材料的要求有哪些改變？硫化物路線的穩(wěn)定性和成本問題是否有解決方案？
朱凌云：電池的容量主要取決于正極材料，正極容量越高，電池整體容量也越高。在固態(tài)電池中，為提升容量，可以通過減少負(fù)極重量來實(shí)現(xiàn)。短期內(nèi)，固態(tài)電池可能仍會采用硅碳或石墨作為負(fù)極材料，這就需要減薄負(fù)極厚度。如果未來能采用金屬鋰作為負(fù)極，并找到適配的新型電解質(zhì)，而且能穩(wěn)定運(yùn)行，全固態(tài)電池將迎來大規(guī)模應(yīng)用的春天。
而從追求更高能量密度的角度出發(fā)，磷酸鐵鋰受其理論比容量的限制，將不會是固態(tài)電池正極材料的理想選擇。未來，高容量的正極材料，如硫化合物或硫黃等，可能是固態(tài)電池正極材料的發(fā)展方向。
固態(tài)電池成本方面，雖然目前看成本高，但長遠(yuǎn)來看，這并非不可逾越的障礙。硫化物固態(tài)電解質(zhì)所使用的原料除鋰外，硫、磷、氯、氧、氮等原料并不昂貴。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，成本有望降低，就像液晶電視顯示屏產(chǎn)業(yè)一樣，產(chǎn)業(yè)初期一英寸價格超 100 美元，后來隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)量增加，成本會大幅度下降，未來價格不用擔(dān)心。
產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)與應(yīng)用前景展望
時代周報：固態(tài)電池的制備工藝目前處于什么水平？與傳統(tǒng)電池工藝相比，哪一環(huán)節(jié)最具技術(shù)挑戰(zhàn)？實(shí)驗(yàn)室研究中都遇到了哪些困難？
朱凌云：全固態(tài)電池的制備工藝研究目前面臨一個關(guān)鍵問題：采用與傳統(tǒng)電池相近涂布工藝，很難找到一種適合硫化物電解質(zhì)特性的溶劑，使其在與硫化物電解質(zhì)接觸時不會降低其鋰離子傳導(dǎo)性。因此，從面向未來產(chǎn)業(yè)的觀點(diǎn)來看，固態(tài)電池的生產(chǎn)最好采用干法工藝，如干法正極、干法負(fù)極和干法電解質(zhì)膜。
然而，據(jù)我了解，國內(nèi)許多企業(yè)目前仍主要采用液態(tài)涂布工藝來生產(chǎn)電解質(zhì)膜，因?yàn)楦煞姌O技術(shù)尚未完全成熟。所以截至目前，固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室研究與產(chǎn)業(yè)化工藝之間仍存在較大的差距。
在實(shí)驗(yàn)室中，全固態(tài)電池研究已接近瓶頸。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源有限，若要擴(kuò)大研究規(guī)模，如試驗(yàn)制備少量軟包電池，低露點(diǎn)的干房和大壓力的復(fù)合設(shè)備都需要與企業(yè)聯(lián)合研究。然而，眾多的小型企業(yè)也缺乏相應(yīng)設(shè)備，且不太可能投入大量資金購置專用設(shè)備。此外，下一步全固態(tài)電池的極片內(nèi)串復(fù)合疊加結(jié)構(gòu)的研究，電池極片之間完美的界面結(jié)合是制備工藝中的巨大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備難以滿足進(jìn)一步研發(fā)的需求。
時代周報：從時間節(jié)點(diǎn)來看，您是否認(rèn)同業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為全固態(tài)電池將在2028年至2030年間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化這一觀點(diǎn)？在應(yīng)用前景方面，您認(rèn)為最可能率先應(yīng)用固態(tài)電池的應(yīng)用市場是電動車、儲能、消費(fèi)電子，還是其他領(lǐng)域？
朱凌云：這種觀點(diǎn)具有一定的合理性。據(jù)我估計，今年或許多家企業(yè)的全固態(tài)電池的容量可能達(dá)到20安時以上，也將能推出和下線真正意義上的全固態(tài)電池。預(yù)計到2027年，固態(tài)電池將能實(shí)現(xiàn)小批量裝車。盡管這并不意味著大規(guī)模應(yīng)用，但至少可以證明全固態(tài)電池在2030年之前有望在市場上占據(jù)一席之地。
從實(shí)驗(yàn)室研究的角度來看，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，全固態(tài)電池最理想的優(yōu)先應(yīng)用場景應(yīng)該是3C消費(fèi)電子領(lǐng)域。小型全固態(tài)電池的10分鐘快充特性，非常適合手機(jī)用戶對電池性能的使用要求。
熱門跟貼