中國科學院青島能源所在全固態(tài)電池研究方面取得新進展

每經(jīng)編輯 畢陸名

固態(tài)電池又有新突破。

據(jù)中國科學院青島生物能源與過程研究所消息，近日該所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心研究團隊利用熔融黏結(jié)技術(shù)，干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜，其優(yōu)異的力學性能、離子電導率以及應(yīng)力耗散特性可有效抑制電池內(nèi)部應(yīng)力不均導致的機械失效。運用該方法制備出的一體化全固態(tài)電池具有優(yōu)異的界面穩(wěn)定性、長循環(huán)性能。

圖片來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所官網(wǎng)截圖

研究團隊針對目前干法制備過程中各組分分散不均問題，提出低壓力制備的熔融粘結(jié)策略，在粘流態(tài)下將低粘度的熱塑性聚酰胺（TPA）與硫化物Li6PS5Cl進行預混，較低壓力下（≤5MPa）熱壓成型，誘導TPA在硫化物顆粒間隙滲透，構(gòu)建聚合物逾滲網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)超薄成膜（厚度≤25μm）的同時，兼具優(yōu)異的柔韌性、熱塑性、可彎曲性、拉伸性和較高離子電導率（2.1 mS/cm）。使用同步輻射X射線斷層掃描（SX-CT）對循環(huán)過后的對稱電池進行觀測，發(fā)現(xiàn)該超薄膜能夠有效抑制循環(huán)過程中因電極體積膨脹帶來的界面分離和電解質(zhì)碎裂等問題，保持界面穩(wěn)定，證明在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部構(gòu)建完整的聚合物逾滲網(wǎng)絡(luò)，不僅有利于其薄層化，更有利于耗散電池運行過程中的不均勻內(nèi)應(yīng)力，降低力機械失效風險。

圖1 硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜的照片和SEM展示以及SX-CT對應(yīng)力耗散機制的解析。圖片來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所官網(wǎng)

研究團隊以正極和薄層電解質(zhì)的界面熔融粘結(jié)為策略，制備出的一體化全固態(tài)電池，適配鋰銦負極，707次循環(huán)后容量保持率大于80%；適配純硅負極（μSi），478次循環(huán)后容量保持率大于80%，可循環(huán)2000次。在高負載NCM83（28.5 mg·cm-2）||μSi全電池中，經(jīng)過9200小時、1400次循環(huán)后，其面容量保持大于2.5 mAh·cm-2，循環(huán)壽命超過10000小時，進一步提升NCM83載量到53.1 mg·cm-2，其能量密度超過390 Wh/kg，1020 Wh/L，高于目前文獻所報道的高鎳三元體系的硫化物全固態(tài)電池。研究團隊基于該策略分別組裝了Bipolar（5-8.5V）和高面載量（2.79 mAh/cm2）單片軟包二次電池，表明熔融黏結(jié)技術(shù)具有出色的實用性潛力，對硫化物全固態(tài)電池的商業(yè)化具有重要意義，為全固態(tài)電池未來科學研究和工藝技術(shù)發(fā)展提供有力參考。

圖2 一體化硫化物全固態(tài)電池的長循環(huán)性能。圖片來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所官網(wǎng)

據(jù)悉，基于硫化物固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)二次電池被認為是最具潛力的下一代新能源體系之一，其中聚合物/硫化物復合薄層化電解質(zhì)的制備是該類電池大幅提升能量密度和大規(guī)模生產(chǎn)的最關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是干法制造技術(shù)，因其環(huán)保、經(jīng)濟效益高、利于制備厚電極并規(guī)避有機溶劑等優(yōu)勢，受到廣泛青睞。現(xiàn)今主要基于聚四氟乙烯（PTFE）粘結(jié)劑成纖化的主流無溶劑工藝存在粘結(jié)性不佳、機械性能差、界面電化學不穩(wěn)定等劣勢。

據(jù)證券時報，目前，液態(tài)電池為全球鋰電池主流技術(shù)，工藝及供應(yīng)鏈成熟，成本低，但電池本征安全問題及能量密度限制其進一步發(fā)展。全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)替代易燃易爆的電解液，實現(xiàn)電池本征安全，同時可以應(yīng)用更高比容量的正負極材料，打開鋰電池能量密度天花板，成為全面提升鋰電池性能的必然選擇。

根據(jù)不同的電解質(zhì)類型，固態(tài)電池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術(shù)路線。相比其他兩類材質(zhì)的固態(tài)電池，硫化物電解質(zhì)離子電導率最高，電化學窗口寬，柔度和可塑性好，是目前最理想的固態(tài)電解質(zhì)之一。

目前海外主要企業(yè)如Solid Power、豐田、三星SDI等企業(yè)均選擇硫化物路線作為固態(tài)電池技術(shù)方向，并以研發(fā)全固態(tài)電池為主；國內(nèi)企業(yè)如衛(wèi)藍、清陶等均選擇氧化物路線，并先行研制、生產(chǎn)半固態(tài)電池。雖各企業(yè)技術(shù)路徑選擇具有一定差異，但從現(xiàn)有趨勢來看，氧化物與半固態(tài)、硫化物與全固態(tài)成為主流搭配，硫化物或成為全固態(tài)電池終局技術(shù)路徑。

該研究團隊的研究成果對硫化物全固態(tài)電池的商業(yè)化具有重要意義，為全固態(tài)電池未來科學研究和工藝技術(shù)發(fā)展提供了有力參考。

A股市場上，多家公司近期通過互動平臺透露了其布局進展情況。

藍海華騰投資的高能時代硫化物全固態(tài)鋰電池研發(fā)進展順利，目前已經(jīng)完成20Ah級全固態(tài)電芯A樣開發(fā)，同時高能時代正在搭建中試線，預計2024年年底可以實現(xiàn)5Ah以內(nèi)小電芯量產(chǎn)。該股近期表現(xiàn)強勢，月K線已三連陽，股價自2月低點的最高漲幅超200%。

廈鎢新能在固態(tài)電池正極材料方面，聚焦于正極材料與固態(tài)電解質(zhì)的匹配問題，在鹵化物和硫化物全固態(tài)電池均實現(xiàn)初期量產(chǎn)。

容百科技已完成硫化物、氧化物等多種固態(tài)電解質(zhì)材料的開發(fā)，并且成功開發(fā)濕法、干電極制備固態(tài)電解質(zhì)膜技術(shù)，已與海內(nèi)外客戶展開合作，并獲得客戶好評。

當升科技在固態(tài)鋰電正極材料及固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域已開展多年研發(fā)投入，已系統(tǒng)布局氧化物、硫化物、聚合物等主流固態(tài)電池用關(guān)鍵材料技術(shù)路線，可應(yīng)用于半固態(tài)及全固態(tài)電池，相關(guān)固態(tài)鋰電產(chǎn)品已實現(xiàn)批量銷售。

恩捷股份在3年前就布局了全固態(tài)項目，主要從事全固態(tài)硫化物、固態(tài)電解質(zhì)等相關(guān)材料的研發(fā)工作，并于2023年實現(xiàn)了技術(shù)和量產(chǎn)上的突破。

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封面圖片來源：每經(jīng)記者 孔澤思 攝