李泓：全固態鋰電池開發面臨四個挑戰
圖為中國科學院物理研究所研究員李泓發表演講
1月14日-15日，中國電動汽車百人會論壇（2017）在北京釣魚臺國賓館召開。中國科學院物理研究所研究員李泓在會上發表演講。
以下為演講內容：
尊敬的各位嘉賓上午好！今天很高興有機會再次在電動汽車百人會上介紹固態電池方面的進展，去年我們在報告中提出，我們設想未來的終極電動汽車有可能是固態鋰空氣電池，那個時候在這方面的認識還不足，過去幾年通過幾個團隊的努力取得了幾個進展，一個是簡單提一下，我們現在對固態電池的理解，第二是介紹一下研發進展。這是最近中日美三國政府提出的動力電池的發展目標，從技術的指標上，核心指標是能量密度，越提越高，從300瓦時每公斤，一直到500瓦時每公斤，包括美國DOE還有中國的重點專項，納米材料、基因組都提出了很高的指標要求。
怎么樣實現這些超高能量密度的指標，同時還要兼顧動力電池使用時的安全性、壽命、成本，這是擺在很多研發人員面前的問題。
從技術分析的角度，目前主要的動力電池還是正極材料匹配人造石墨這一類的負極材料，接下來提高能量密度，很可能要把硅負極引入，體積膨脹是很難解決的問題，接下來是把硅負極用金屬鋰替代，1972年研發到現在，歷時50多年，有非常多的挑戰，關鍵的幾個問題是目前大多數的研發還是在有機的溶劑中，在有機溶劑中第一個問題是它不像石墨負極鋰進和出，是非均勻的析出。第二是自發和電解液發生反映，體積變化也比較大。逐步導致鋰離子電池VCR膜也不能穩定存在，安全性、自放電等方面還不能滿足需求，非常多的企業和研發團隊把希望寄托在全固態鋰電方面。固態電池和業態電池在微觀上也是三層結構，只是把現在的隔膜電解液替換為固態電解質，這是典型的照片，沒有太本質的區別，核心是有可能負極使用了金屬鋰，在這種情況下，在正極這一側，原來的液體可以充分浸潤正極顆粒，在正極側接觸，這是難度非常大的。從大家預期的優點上，如果使用了金屬鋰，現在容易燃燒和爆炸的液態電解質，另外使用壽命等等都會延長，模塊配置等都是大家期望的，在實踐中這些數據有待進一步的檢驗，在2007年的時候，日本的NEDO在2008年公布了這樣的路線圖，在他們看來在遠期的2030年，很多的電池形態是以全固態形式出現，包括金屬鋰、鋰硫和鋰空氣電池，這些路線在不斷修改中，但是大體是提高安全性的策略，就是固態化。
2016年，美國APER的兩千萬美元的項目，全部支持各類固體電解質的開發，以及固體電解質的制造技術，現在在中國，在過去兩三年的推動下，從事固態電池開發的團隊非常多，展示的單位不多，具備能力開發的小團隊，從南到北非常多的研發團隊為主，企業包括寧德時代新能源，蘇州新陶還有珈偉股份等，我不一一介紹了。
目前總體而言，全固態鋰電池開發面臨四個挑戰，一個是在電極層面，怎么樣滿足正負極課題和固體電解質的離子傳輸，特別是循環過程中，第二是循環過程中正負極材料不能像液體那樣保持非常好的接觸。還有金屬鋰電極的體積變化還有鋰固體的變化。
接下來介紹一下，2013年中科院決定采取納米先導專項。這里提出要做長續航的動力電池，通過提升能量密度來延長電動汽車的續駛里程，提出了300瓦時每公斤的指標，跟現在國家的任務是一致的。在這里包括第三代鋰離子電池技術，包括現一代度固態電池，鋰硫和鋰空電池，包括12家科研單位，24個PI，400人，一直在動態的管理中。
再簡單地說一下整個先導項目取得的進展，在樣品的層面研制了一些高能量密度的鋰離子、鋰空、鋰硫，還打造了高水平的診斷分析平臺，金屬鋰表面引入無機的磷酸鋰做這個事情，提高它的穩定性，這是由化學所的郭博士做的。他們最近開發了聚醚丙烯酸脂這是一個非常重要的突破。
在材料方面，寧波材料所、上硅所為代表的團隊，已經開發了一系列的氧化物和硫化物的粉體、陶瓷片以及融性膜，已經達到了幾十公斤級一個批次的水平，已經開始對社會提供樣品和供貨。在這個基礎之上，寧波材料所的一個團隊研發了氧化物的小容量的全固態進入鋰電池，火烤的條件下還能工作，但是把它放大還需要進一步的材料的設計，目前還有一些困難。
作為一個過渡的技術，現在還有一種把固體電解質和液體電解質混合在一起的，含有少量的固體電解質的，混合固液電解質，嚴格意義上講，只要含有液體就不是全固體的電解質，室溫可以滿足，同時在80度高溫下也能滿足要求，將來實現在PEC設計上也能滿足。
也通過了氣研中心的研究報告，這些電池也通過了汽研中心的安全性測試，有一份完整的測試報告，這是其中一個細節。全固態鋰硫也進行了開發，現在的穩定性也達到了非常好的水平。
另外聚合物按PPC/LLZO聚合物無機符合電解質體系，這個膜現在大面積應用，用這個膜做的產品，目前最新的水平，匹配811的正極，能量密度達到300瓦時每公斤，還做了深海，最近做了8000米和11000米的艙，體現了獨特的耐壓的優勢。上海硅酸鹽所一直在開發這個材料，從電導來講也達到了世界先進水平，開發了磷酸鐵錳，目前這個達到了世界先進水平。物理所陳老師在1976年開始做淡化率，到今年是40年研究固態電池，我們在這個過程中陸續開發了一些無機材料和聚合物電解質以及一些基礎研究。過去四年提出了一種新的方案，就是利用現有的電池的裝備，然后通過原位把液體固態化的技術，來實現一種固態電池的設計。目前用金屬鋰做負極，也得到了10安時的單體，這個是與寧德時代新能源合作的一個結果。
通過這個第三方測試，目前初步研究的結果能量密度可以做到390瓦時每公斤最高水平，這個可以繼續發展，因為正極材料150安時每克，60度和90度之間還可以正常工作，這是我們發展的方向。應化所還開發了一種防水的固態鋰空氣電池，放在水里面照樣能工作，將來適合于柔性的固態鋰空氣電池，這是紙狀折疊的，把它編制在衣服上，能夠進行工作和發電，最近剛發表在先進材料上面，這是在這方面的一些研究進展。
總體來說，我們長遠考慮，從提高安全性追求全固態金屬鋰，逐漸增加固體電解質，和負極中的鋰含量，這是新的體系。目前科學院正在這方面做進一步的開發，從少量液體一直到全固態陸續研究這個事情，主要是想兼顧全固態鋰電池的優點和液態鋰電池的優點，希望能夠取長補短，逐步改善現有電池的技術。
我們初步的預期，除了PU已經在美國商業化以外，其它的電池最早在2020年實現小批量的量產，以后隨著技術的進步，逐漸進入這個市場，當然首先滿足其它領域的應用，其它指標達標以后，進入動力電池的領域，那會更晚一些。
全固態電池2020年到2025年首批進入這個市場，這是預期。在這個過程中，有很多的基礎科研問題和科研技術仍然要突破，現在只是展示了一個希望，從綜合指標上看，還遠遠不能滿足動力電池的技術，我們希望一步步往前走，逐步改善現有鋰電池兼顧能量密度和安全性方面的挑戰。
謝謝大家！
（根據發言整理，未經本人審閱。）
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