每經(jīng)記者：朱成祥 胥帥 每經(jīng)編輯：陳旭

繼上個(gè)月清華大學(xué)張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表關(guān)于固態(tài)電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展后，國(guó)內(nèi)固態(tài)電池研究又取得新突破。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等組成的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種陰離子調(diào)控技術(shù)，解決了全固態(tài)金屬鋰電池中電解質(zhì)和鋰電極之間難以緊密接觸的難題，為其走向?qū)嵱没峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)支撐。據(jù)了解，相關(guān)研究成果已于10月7日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》上。

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(lǐng)域的投研平臺(tái)真鋰研究認(rèn)為，這一成果為全固態(tài)金屬鋰電池走向?qū)嵱没峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)支撐。

解決全固態(tài)電池金屬鋰界面問題

在行業(yè)內(nèi)，上述研究成果引發(fā)高度關(guān)注。不少電池企業(yè)高管都在朋友圈轉(zhuǎn)發(fā)了中國(guó)科學(xué)院物理研究所官網(wǎng)文章，并向黃學(xué)杰表示祝賀。黃學(xué)杰是中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師，也是中國(guó)最早研究固態(tài)電池技術(shù)路線的學(xué)者之一陳立泉的學(xué)生。

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

固態(tài)電池中，最核心的當(dāng)屬固態(tài)電解質(zhì)和負(fù)極材料。固態(tài)電解質(zhì)很大程度上可以解決安全性問題，負(fù)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《每日經(jīng)濟(jì)新聞》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(zhì)、負(fù)極材料及正極復(fù)合結(jié)構(gòu)這三個(gè)方面均存在革新。其中，固態(tài)電解質(zhì)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(fù)極材料和正極與電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)的連鎖變革。與此同時(shí)，負(fù)極材料尤其是硅碳負(fù)極和鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用推動(dòng)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(duì)較小。

目前，主流負(fù)極材料為石墨負(fù)極，當(dāng)下正在走向硅碳負(fù)極。而能量密度超高的鋰金屬負(fù)極，則是終極目標(biāo)。

不過，固態(tài)電解質(zhì)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(shè)備持續(xù)施壓，但鋰電極和電解質(zhì)之間仍然存在大量微小孔隙和裂縫。這不僅會(huì)縮短電池壽命，還可能帶來(lái)安全隱患。

為破解這一困境，中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在電解質(zhì)中引入碘離子。在電池工作時(shí)，這些碘離子會(huì)在電場(chǎng)作用下移動(dòng)至電極界面，形成一層富碘界面。這層界面能夠主動(dòng)吸引鋰離子，自動(dòng)填充所有的縫隙和孔洞，讓電極和電解質(zhì)始終保持緊密貼合。

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

突破：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(zhì)，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(dǎo)率接近液態(tài)電解質(zhì)，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(xué)杰團(tuán)隊(duì)的研究成果，為硫化物電解質(zhì)解決固-固界面問題提供了解法。

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

天齊鋰業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究院 每經(jīng)記者 胥帥 攝

“我注意到了（固態(tài)電池論文）研發(fā)成果。他們?cè)诓牧现刑砑恿说怆x子，以提高鋰離子的導(dǎo)電率，從而解決了固態(tài)電池工程化的一個(gè)關(guān)鍵問題。這對(duì)我們布局固態(tài)電池和相關(guān)原材料、功能性材料是一個(gè)積極的消息。”劉楊向《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，論文提到解決固態(tài)電池“固-固界面動(dòng)態(tài)接觸問題”，這是推進(jìn)工程化應(yīng)用的全球共性挑戰(zhàn)。

全固態(tài)金屬鋰電池“制造”和“運(yùn)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(huì)接觸不良，金屬鋰負(fù)極本身具有體積效應(yīng)，循環(huán)中界面劣化問題嚴(yán)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(lái)，這篇論文證實(shí)即使給予固態(tài)電池輕微壓力，也能滿足應(yīng)用需求。這避免了實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)極端條件的依賴。

與科研成果一樣，企業(yè)其實(shí)也注意到碘離子的變量?！皶r(shí)間大概是在去年初，我們通過多個(gè)路徑去研究固態(tài)電池的相關(guān)材料，其中就對(duì)含碘元素鋰鹽進(jìn)行相關(guān)調(diào)研和立項(xiàng)研發(fā)?！眲钫f(shuō)，公司通過文獻(xiàn)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(shù)信息，對(duì)未來(lái)電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行前沿布局。固態(tài)電池材料研究的目的關(guān)鍵還是要找到同時(shí)具備成本優(yōu)勢(shì)和功能優(yōu)勢(shì)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)?；??！敖Y(jié)合現(xiàn)在最新科研成果，我們也會(huì)去思考這一路線的可行性、拓展性及工程化。”

《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到，相比碘離子“加入”的難度，劉楊認(rèn)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(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中各有利弊?！眲钫f(shuō)，硫化鋰制成方法包括爆炸反應(yīng)、碳熱還原法等，但弊端在于部分工藝會(huì)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(zhì)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(duì)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、界面穩(wěn)態(tài)、高離子導(dǎo)電率、且具備量產(chǎn)化工藝途徑的固態(tài)電解質(zhì)材料?！眲罡嬖V記者，解決方法之一是“漿態(tài)還原法”新技術(shù)，希望通過開拓中低溫合成條件下硫化鋰合成反應(yīng)的可行性，這樣能有利于連續(xù)化生產(chǎn)。

硫化鋰樣品 圖片來(lái)源：天齊鋰業(yè)

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)會(huì)在哪里？

值得注意的是，當(dāng)下固態(tài)電池并未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，尚沒有進(jìn)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(huì)導(dǎo)致整車價(jià)格大幅提高。在無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域，固態(tài)電池具有廣闊的應(yīng)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(chǎng)景中，固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)明顯，這也會(huì)慢慢打開固態(tài)電池的需求，進(jìn)而帶動(dòng)規(guī)?；a(chǎn)。

關(guān)于固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈，文上對(duì)每經(jīng)記者表示，總體來(lái)看，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上游材料設(shè)備形成了國(guó)內(nèi)廠商主導(dǎo)量產(chǎn)、國(guó)外廠商把控核心技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)格局。設(shè)備呈現(xiàn)中后端強(qiáng)、前端弱的特點(diǎn)。粉碎混合、干燥燒結(jié)、成型涂布等中后端設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率較高，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；娲?；而超高純?cè)虾铣?、界面修飾、高剪切分散、高端檢測(cè)等前端設(shè)備仍高度依賴進(jìn)口。預(yù)計(jì)未來(lái)5年至10年，隨著國(guó)內(nèi)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(jī)等領(lǐng)域取得的技術(shù)突破，固態(tài)電池設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率有望提升，推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控進(jìn)程。

具體來(lái)看，硫化物電解質(zhì)設(shè)備中，國(guó)內(nèi)廠商包括先導(dǎo)智能、贏合科技、曼恩斯特、江蘇龍?chǎng)沃悄艿?；?guó)外廠商包括日本住友重工、德國(guó)Manz AG等。

除了關(guān)鍵材料固態(tài)電解質(zhì)外，負(fù)極材料則是提升能量密度的關(guān)鍵。在硅碳負(fù)極設(shè)備方面，文上告訴記者，CVD（化學(xué)氣相沉積）與預(yù)鋰化是技術(shù)制高點(diǎn)，產(chǎn)品依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)廠商正在快速替代，涉及設(shè)備包括納米硅制備設(shè)備、預(yù)鋰化設(shè)備。在該領(lǐng)域設(shè)備中，國(guó)內(nèi)廠商包括紐姆特、北方華創(chuàng)、中微公司等；國(guó)外廠商包括美國(guó)應(yīng)用材料、日本東京電子等。

硫化鋰路線之外，中國(guó)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(gè)100”重點(diǎn)工程中的標(biāo)桿項(xiàng)目——北京衛(wèi)藍(lán)高性能固態(tài)鋰離子電池量產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，已于近日實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)主體封頂，標(biāo)志著項(xiàng)目建設(shè)取得關(guān)鍵性進(jìn)展。

北京衛(wèi)藍(lán)董事長(zhǎng)俞會(huì)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(dòng)的碘離子（鹵離子），目前嘗試是含碘的硫化物固態(tài)電解質(zhì)。對(duì)于氧化物和聚合物路線，主要通過復(fù)合原位固化全固態(tài)應(yīng)對(duì)“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(qiáng)調(diào)，全固態(tài)電池仍然面臨工程化量產(chǎn)的挑戰(zhàn)。

此次中國(guó)科學(xué)院黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)在硫化物電解質(zhì)固-固界面難題上的突破，無(wú)疑為全固態(tài)電池的實(shí)用化進(jìn)程注入了一劑強(qiáng)心針。然而，從實(shí)驗(yàn)室的“關(guān)鍵技術(shù)支撐”到真正規(guī)?；?、低成本的商業(yè)應(yīng)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(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈而言，這既是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。