论坛回顾丨张久俊院士：全固态锂电池和固态电解质的发展！
11月25日，在“2023（第十七届）动力锂电池技术及产业发展国际论坛”上，福州大学新能源材料与工程研究院院长，加拿大皇家科学院/加拿大工程院/加拿大工程研究院三院院士张久俊作题为《全固态锂电池和固态电解质的发展》的演讲，他从全固态锂电池和固态电解质目前的发展现状、存在的挑战以及未来的展望进行了深入的分享。
加拿大皇家科学院/加拿大工程院/加拿大工程研究院三院院士张久俊作题为《全固态锂电池和固态电解质的发展》的演讲
发展固态电池是提高能量密度和改善电池安全性的有效策略
锂电池由于具有较高的能量密度、功率密度，被用于车用动力电池。但它存在电池寿命短、内阻高，及一定的安全性隐患方面的问题。为改善上述不足，张久俊院士认为下一步要发展全固态锂离子电池。目前张久俊院士团队在固态电池方面的研究，主要是通过对新型纳米材料的研究，去进一步提高电池能量密度/功率密度、循环寿命、安全性能。
同时，他进一步分析指出，当前锂电池的十大挑战，包括能量密度、功率密度、安全特性、循环寿命、日历寿命、自放电、快充性能、温度范围、资源环境、成本等方面。目前动力锂电池除了日历寿命、循环寿命能基本达到预期外，能量密度和比能量较目标值500Wh/l和235Wh/kg还有较大差距，另外仍需要继续提升动力电池其他方面性能，以达到预期水平。其中，能量密度和安全性是产业研发中最受关注的指标，被认为是技术更新换代的重要标志。张久俊院士认为，发展固态电池是提高电池能量密度和改善电池安全性的有效策略。不过，他同时指出，当前固态电池的产业化发展面临三个主要挑战，第一是离子电导率一般较低，第二是电极/电解质界面接触有问题，第三是部分材料成本相对较高。
固态电池发展将呈现从凝胶态、半固态到全固态逐步颠覆发展态势
张久俊院士认为固态电池发展趋势，为液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。在产业发展过程中，全固态电池不能一步走到全固态，还是要采取逐步颠覆的策略，比如从液态过渡到凝胶态、半固态一直到全固态，最后的目标是达到500Wh/kg的目标。
目前多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划，加快固态电池发展。比如美国、日本、德国和中国都在研发固态电池，并发布了包括性能目标和未来发展的目标。
欧美日韩等国家积极布局固态电池产业，相关企业参与固态电池研发包括企业像宝马、福特、大众都在发展全固态电池。中国企业亦在积极布局固态电池产业、越来越多企业参与固态电池研发，包括宁德时代、国轩高科、辉能科技、天齐锂业等。
表2 海外企业布局固态电池的研发进展
表3 固态锂电池研究的发展态势
表4 中国企业布局固态电池的情况
固态电解质技术路线：氧化物体系进展最快
当前固态电解质典型技术路线有氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、卤化物固态电解质、氢化物固态电解质、薄膜固态电质、聚合物固态电解质等6种技术路线，其中，聚合物、氧化物、硫化物为三大主流固态电解质技术路线，且其性能参数各有优劣，以氧化物体系进展最快，而硫化物体系和高能聚合物体系紧随其后。
目前，全固态电池的量产仍存在技术和成本的双制约。其中，电解质是制约固态电池性能的最关键部件，因而发展高导电性、高稳定性、高电极适配性固态电解质是实现全固态电池大规模发展的必须！
使用复合固态电解质，将成为固态电池有效解决方案!
张久俊院士指出，单组分固态电解质很难达到电池性能要求，使用复合固态电解质已成为必然，将成为有效解决方案!
目前复合固态电解质有四种，第一种是无机颗粒填充复合固态电解质，第二种是二维层状结构复合固态电解质，第三种是三维连接结构复合固态电解质，第四种是开放骨架结构复合固态电解质。
零维颗粒状无机材料填充于聚合物中可形成的复合固态电解，相对单相固态电解质材料，所形成的复合固态电解质的室温离子电导率可达10-6-10-3 S cm-1，提高了几倍到上百倍；一维、二维（纳米线/棒/二维片状）无机惰性材料填充于聚合物中形成的复合固态电解质可提高材料的离子电导率及机械性能；多维层状结构有利于提高电解质层与电极之间的界面接触及提高耐氧化/还原性能，从而增强电池的电化学稳定性；三维连续结构复合固态电解质能有效降低材料内部的界面电阻、提高离子传输性能、增强固态电解质的机械性能、优化锂离子的传输路径、避免锂离子“走弯路”；开放骨架结构材料的引入有利于形成独特的快速离子传输通道、促进离子对的解离进而提高离子迁移数。
先进计算模拟及人工智能技术运用，可优化固态电池研究
新兴表征、模拟、人工智能技术的技术，包括原位XPS、NDP、TEM、cryo-EM和原位AFM-ETEM。张久俊院士认为，利用先进原位或现场表征技术有利于深入探究固态电池中的构效关系。而利用先进计算模拟技术有利于提前 预测和深入理解固态电池材料中的微观行为；此外，利用人工智能/机器学习可有效用于固态电池中的材料筛选、结构优化和机理探究。
固态电池发展总结与展望
张久俊院士认为，固态锂电池的进一步开发是实现电动汽车电池500Wh/Kg能量密度目标及安全性的必要策略。而提高能量密度/功率密度/寿命仍然是固态电池开发的研究重点，探索低成本的高性能电极/固态电解质材料是关键因素，张久俊院士建议，要从以下三方面着手：（1）要深入研究复合固态电解质的锂离子传导机理和材料行为，优化材料和结构以进一步提高其常温/低温的离子电导率；（2）要优化固态电解质与电极之间的界面接触及其化学、电化学稳定性；（3）要提升高电压、宽温度范围下固态电池的长期运行稳定性，从而实现进一步提高固态电池的技术成熟度和经济可行性以促进其真正的商业化应用。
（来源：深圳市电池行业协会，以上内容根据嘉宾发言内容整理，未经嘉宾审核，转载请注明来源）
