文/王薛超 曹耀光 金茂菁
（中國汽車技術(shù)研究中心；北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院；科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心）
        固態(tài)鋰電池是目前既能滿足可充放電的能量密度要求，同時又兼顧安全性、循環(huán)壽命、服役壽命等性能的新型電池技術(shù)。本文在對固態(tài)鋰電池國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析的基礎(chǔ)上，針對我國固態(tài)鋰電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提出了對策建議。
一、關(guān)于固態(tài)鋰電池
        1. 定義與特點
        固態(tài)鋰電池是一種高能量密度、高安全性的電池。與目前商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池所采用的容易燃燒液態(tài)電解質(zhì)不同，固態(tài)鋰電池采用的固體電解質(zhì)不易燃燒。
        固態(tài)鋰電池中包括正極、固體電解質(zhì)、負(fù)極、集流體、極柱等材料。固體電解質(zhì)主要有三類：氧化物、硫化物及聚合物。固態(tài)鋰電池可有以下兩大類型：一是全固態(tài)鋰電池，完全采用固體電解質(zhì)替換液態(tài)鋰電池中的電解液，不含任何液體，所有材料都以固態(tài)形式存在；二是固液混合電解質(zhì)鋰電池，電池中同時含有固體電解質(zhì)與液態(tài)電解液。當(dāng)液體含量較少時，例如少于電芯質(zhì)量的5%時，有些學(xué)者也稱之為固態(tài)鋰電池。
        根據(jù)正極材料的不同，固態(tài)鋰電池又可以分為固態(tài)鋰離子電池2、固態(tài)金屬鋰電池3、固態(tài)鋰硫電池4和固態(tài)鋰空氣電池5四大類。
        2. 作用與意義
        固態(tài)鋰電池采用固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)電解液，其安全性可大幅提高。在理想狀態(tài)下，固態(tài)時鋰的擴(kuò)散速度（離子傳導(dǎo)率）較液體電解液時高，理論上可實現(xiàn)更高的輸出，從而提高電池的功率密度。當(dāng)固態(tài)電池電極材料與電解質(zhì)間的界面發(fā)生反應(yīng)時，比有機(jī)電解液難分解，電位窗高使高電壓正極成為了可能，從而大幅提升電池的能量密度。另一方面，固態(tài)電池不必封裝液體電解質(zhì)，其形態(tài)和制造方式也會發(fā)生變化，能夠突破現(xiàn)有電池的概念特性。
        面向新能源汽車、化學(xué)儲能和智能電網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用需求，具有高安全性、長壽命和高比能量等特點的固態(tài)鋰電池技術(shù)一旦取得突破，將會對相關(guān)領(lǐng)域帶來革命性的變化，并能夠更好地滿足未來新的多種應(yīng)用需求。
二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
        固態(tài)鋰電池是目前公認(rèn)的，可提升現(xiàn)有鋰電池體系能量密度、安全性和循環(huán)性的技術(shù)路線。美國、日本、韓國、歐洲等地的科研機(jī)構(gòu)很早就開展了固態(tài)鋰電池相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。
        日本在固態(tài)鋰電池方面走在世界的前列，東京工業(yè)大學(xué)Prof. Kanno小組一直致力于全固態(tài)鋰電池，尤其是全固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)。該實驗室于2011年發(fā)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)Li10GeP2S12(LGPS)，該電解質(zhì)的電導(dǎo)率達(dá)到10mS/cm，與現(xiàn)有液態(tài)電解液電導(dǎo)率相當(dāng)。2016年，該小組又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)離子電導(dǎo)率達(dá)到25mS/cm的電解質(zhì)。
        法國Prof. Aramand從上世紀(jì)70年代開始研究聚合物電解質(zhì)，目前采用聚環(huán)氧乙烷(PEO)電解質(zhì)的固態(tài)金屬鋰電池已成功在電動汽車上應(yīng)用。法國博洛雷（Bolloré）公司已經(jīng)將其子公司BatScap生產(chǎn)的PEO基固態(tài)鋰離子電池用于電動汽車（EV“Bluecar”），該電芯采用了PEO基固體電解質(zhì)，磷酸鐵鋰正極，金屬鋰負(fù)極，是國際上第一個采用固態(tài)鋰電池的電動汽車案例。
        美國SEEO公司在此方向也開發(fā)了多年，目前已被德國博世全資收購。除了科研單位，領(lǐng)先的電池企業(yè)如索尼、松下、LG化學(xué)、三星、CATL也已經(jīng)開始布局固態(tài)鋰電池的研發(fā)。汽車企業(yè)如豐田、博世、大眾等，都將固態(tài)鋰電池作為下一代車用電池展開布局。此外，近幾年成立的一批初創(chuàng)公司，如SEEO，Sakit3，Solidenergy，Quantumscape等也正在開發(fā)固態(tài)鋰電池，為占據(jù)未來的應(yīng)用市場做準(zhǔn)備。
        目前固態(tài)鋰電池主要的技術(shù)路線包括聚合物固體電解質(zhì)、陶瓷固體電解質(zhì)（氧化物居多）與凝膠電解質(zhì)組合、硫化物電解質(zhì)等。圖1展示了目前世界范圍正在開發(fā)固態(tài)鋰電池的公司及其主要技術(shù)路線。

三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平
        國內(nèi)固態(tài)鋰電池仍處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，清華大學(xué)、北大深圳研究院、電子科大、國防科大、中科院物理所、化學(xué)所、寧波材料所、青島能源所、上海硅酸鹽所等單位已開始固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料、固態(tài)鋰電池制造裝備及電芯制造技術(shù)的研發(fā)。
        同時，國內(nèi)鋰電池材料及電芯優(yōu)勢企業(yè)，如寧德時代新能源、中航鋰電、貝特瑞、力神、贛鋒鋰業(yè)等，也已開始布局固態(tài)鋰電池技術(shù)開發(fā)。圖2展示了國內(nèi)正在從事固態(tài)鋰電池研發(fā)的團(tuán)隊及技術(shù)路線信息。
        中國科學(xué)院寧波材料所許曉雄研發(fā)團(tuán)隊一直致力于固體電解質(zhì)及固態(tài)鋰電池的研發(fā)，承擔(dān)了國家863計劃及中國科學(xué)院納米先導(dǎo)專項相關(guān)課題，并且掌握了固體電解質(zhì)宏量制備技術(shù)。該團(tuán)隊開發(fā)的固態(tài)鋰離子電池能量密度達(dá)到240Wh/kg，循環(huán)500次容量保持88.7%，通過了第三方安全檢測。目前已成立以該團(tuán)隊固態(tài)鋰電池技術(shù)為基礎(chǔ)的創(chuàng)業(yè)公司，旨在推動固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化。
        青島能源所崔光磊團(tuán)隊基于聚合物固體電解質(zhì)，提出“剛?cè)岵?jì)”的思路，開發(fā)了PEO/LLZO復(fù)合固體電解質(zhì)體系，其固態(tài)鋰電池能量密度接近300Wh/kg，正在進(jìn)行第三方測試。該團(tuán)隊研發(fā)的固態(tài)鋰電池通過了國家深海基地管理中心的8000米和11000米壓力艙第三方檢測，為發(fā)展“蛟龍?zhí)枴毕乱淮吣芰棵芏入娫聪到y(tǒng)提供了技術(shù)支撐。
        中國科學(xué)院物理研究所研究小組創(chuàng)新性地提出了“原位固態(tài)化”技術(shù)，旨在發(fā)展固液混合鋰電池技術(shù)，目前已研制的電池能量密度達(dá)到300～390Wh/kg，并獲得第三方測試報告。該團(tuán)隊還致力于開發(fā)全固態(tài)鋰電池，目前已在原型器件上驗證，正在進(jìn)行放大與性能優(yōu)化。
四、我國進(jìn)一步發(fā)展重點及對策
        我國應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展固態(tài)鋰電池，爭取在未來5年內(nèi)研發(fā)出高能量密度、高安全，且綜合性能優(yōu)異的固態(tài)鋰電池，并推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
        在車用動力電池領(lǐng)域，力爭開發(fā)出能量密度在350—500Wh/kg的固態(tài)鋰電池，爭取能在2019年，實現(xiàn)電動汽車裝車演示，2020年進(jìn)入批量生產(chǎn)。
        在規(guī)模儲能領(lǐng)域，開發(fā)的固態(tài)鋰離子電池，或復(fù)合固態(tài)金屬鋰電池，將有望最終實現(xiàn)服役壽命（15—25年）、高安全性、低成本的目標(biāo)，從而為智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、大規(guī)?？稍偕茉唇尤胩峁┲匾募夹g(shù)支撐。
        在國家安全領(lǐng)域，固態(tài)鋰電池耐受極端條件的性能會更為突出，包括耐受高真空、高壓強(qiáng)、高加速度、高溫等特性。這些特質(zhì)使得固態(tài)鋰電池在國家安全領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
        為了實現(xiàn)以上目標(biāo)，提出以下對策建議：
        一是，在技術(shù)研發(fā)方面，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對固態(tài)鋰電池在工作過程中的固-固界面結(jié)構(gòu)特征、離子傳輸、空間電荷層機(jī)制等機(jī)理研究；加強(qiáng)對高離子電導(dǎo)率的聚合物、氧化物、硫化物，以及其它類型固態(tài)電解質(zhì)材料的研發(fā)；突破電極與固體電解質(zhì)膜的大面積、高速度制造等電芯技術(shù)。
        二是，在產(chǎn)業(yè)化方面，為了加快開發(fā)固態(tài)鋰電池，應(yīng)在關(guān)鍵原材料、電芯制造、裝備制造、電源管理、電池模塊、系統(tǒng)應(yīng)用、診斷測試等產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)進(jìn)行布局，對其中的關(guān)鍵工程技術(shù)問題進(jìn)行集中攻關(guān)。
        三是，在政策引導(dǎo)方面，可通過國家重點研發(fā)計劃、地方政府重點科技項目、產(chǎn)學(xué)研合作項目、顛覆性創(chuàng)新類項目，分別針對電動汽車、智能電網(wǎng)、國家安全等領(lǐng)域應(yīng)用需求，針對不同類型的正負(fù)極材料、不同性能的固態(tài)鋰電池，布局有關(guān)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及產(chǎn)業(yè)化培育項目。
        四是，通過建設(shè)高水平的國家級研發(fā)診斷測試平臺，提升我國固態(tài)鋰電池的技術(shù)開發(fā)能力，通過對優(yōu)勢團(tuán)隊的集中支持，迅速提升核心團(tuán)隊在世界范圍的影響力。

【注】
1 本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072）研究成果之一。
2 采用現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池的正負(fù)極材料，但電解質(zhì)更換為固態(tài)電解質(zhì)。
3 采用金屬鋰作為負(fù)極，正極為現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池的正極，或者不含鋰的嵌入化合物類正極。
4 正極材料采用硫或硫化物，金屬鋰作為負(fù)極材料。
5 正極儲能物質(zhì)為O2，CO2，H2O或空氣，負(fù)極為金屬鋰。

本文特約編輯：姜念云