曾經(jīng)轟動一時的三星Note7爆炸事件，引起了人們對鋰電池質(zhì)量安全的極大關(guān)注。鋰電池電解液不可避免地會因為手機固件過熱而蒸發(fā)膨脹，最終導致爆炸事故。固態(tài)鋰電池因為其能量密度高、安全性能好、工作溫度范圍廣和循環(huán)壽命長成為電池行業(yè)的聚焦熱點。近些年來，越來越多的國內(nèi)外企業(yè)和科研院所將研發(fā)重心轉(zhuǎn)移到了固態(tài)鋰電池上。本文將對國內(nèi)外固態(tài)鋰電池的研發(fā)布局和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀做梳理和總結(jié)。

國外固態(tài)鋰電池研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

國際上，美國、日本、韓國和歐洲很早就開展了固態(tài)電池的相關(guān)研發(fā)工作。2017年，全球范圍有1198篇文獻和117個專利的主題是固態(tài)鋰電池。其中，涉及金屬鋰負極、固態(tài)電解質(zhì)以及電解質(zhì)和電極界面問題的研究文獻有1096篇，涉及固態(tài)鋰電池的組裝和檢測的文獻有102篇。中國發(fā)表的相關(guān)文獻數(shù)量占據(jù)第一位，日本占據(jù)國際發(fā)明專利數(shù)量的一半以上。世界上主要開發(fā)固態(tài)鋰電池的公司見圖1。

圖1 世界上主要開發(fā)固態(tài)鋰電池的公司

       和鋰電池最初的發(fā)展歷程一樣，日本在固態(tài)鋰電池方面的研究也走在世界的前列。從1980年開始，東京工業(yè)大學R.Kanno小組堅持開發(fā)鋰離子固態(tài)電解質(zhì)，到2011年，發(fā)現(xiàn)了環(huán)境溫度25℃（室溫條件）離子電導率為12mS/cm的Li₁₀GeP₂S_12，基本上相當于現(xiàn)有的液態(tài)電解質(zhì)電導率。2016年，該小組又發(fā)現(xiàn)了室溫條件下，離子電導率達到25mS/cm的電解質(zhì)Li_9.54Si_1.74P_1.44S_11.7Cl_0.3。

      上世紀70年代，法國Araoand教授開始研究聚合物電解質(zhì)。并且后來已經(jīng)完成了技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，法國博洛雷公司(Bollore）的子公司BatScap成功生產(chǎn)了聚合物電解質(zhì)固態(tài)鋰電池，并且批量應用于電動汽車(EV“Bluecar”)，同時，它還采用了磷酸鐵鋰材料作為正極，金屬鋰材料作為負極，這是世界上第一個采用固態(tài)鋰電池的電動汽車案例。目前巴黎汽車共享服務項目共投放了大約2900輛Bluecar，但是需要溫控系統(tǒng)將電池加熱到60℃以上來保持固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率正常運作。

專注于固態(tài)聚合物電解質(zhì)的美國SEEO公司是勞倫斯伯克利國家實驗室唯一授權(quán)擁有核心專利的電池公司，2015年被德國博世全資收購。當時，已生產(chǎn)出能量密度為350wh/kg的固態(tài)鋰電池，遠遠高于同體積的液態(tài)鋰電池。除了科研單位，領(lǐng)先的電池企業(yè)如索尼、松下、LG化學、三星、CATL、豐田、博世、大眾等，開始布局新的固態(tài)電池的研發(fā)。

國內(nèi)固態(tài)鋰電池研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

中國從第六個五年規(guī)劃就開始研究固態(tài)電池，目前，已經(jīng)形成了多支貫穿產(chǎn)業(yè)鏈的固態(tài)金屬鋰電池研究隊伍，見圖2。

圖2 中國固態(tài)鋰電池研發(fā)隊伍

中科院系統(tǒng)的長春應化所、沈陽金屬所、物理所、化學所、大連化物所、寧波材料所、上硅所，國防科大和北大深圳研究生院院等已經(jīng)在固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料、固態(tài)鋰電池制造裝備和電芯制造技術(shù)上已經(jīng)取得了一定的成就。但主要研發(fā)成果產(chǎn)出以中科院系統(tǒng)為代表，表1為中科院固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)進展。

表1 中科院固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)研究發(fā)展

來源：中科院

同時，國內(nèi)鋰電池技術(shù)的優(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)、天齊鋰業(yè)、天津中能等也已開始布局固態(tài)鋰電池技術(shù)開發(fā)。混合固液電解質(zhì)及全固態(tài)電池的研發(fā)需要原創(chuàng)的系列解決方案，難度不低于液態(tài)鋰離子電池，并非短期內(nèi)能迅速突破，當然需要扎實連續(xù)的基礎研發(fā)，絕大多數(shù)企業(yè)尚未能研制出性能優(yōu)異的大容量電芯。

固態(tài)鋰電池目前主要技術(shù)瓶頸

目前，兼顧力學與離子傳導特性的高耐氧化電位、高鋰離子電導率的聚合物復合固態(tài)電解質(zhì)膜，并且能夠在全壽命周期完全阻止鋰枝晶穿刺尚未突破。固態(tài)電解質(zhì)層與電極層界面電阻較大。

循環(huán)過程中固態(tài)電解質(zhì)相與電極內(nèi)顆粒接觸變差。鋰沉積位點及形貌不易控制。純金屬鋰電極存在較大體積變化。高速高效率固態(tài)電池的制造工藝和裝備尚不成熟。固態(tài)電池低溫特性尚需改善。全壽命周期固態(tài)鋰電池安全性與熱失控行為機理不清楚。

有業(yè)內(nèi)專家大膽預計，所有問題有可能在3年之內(nèi)找到解決方案，5年之內(nèi)實現(xiàn)小試，8年進入大規(guī)模應用。

承擔了國家863計劃及中國科學院納米先導專項相關(guān)課題的中國科學院寧波材料所許曉雄研發(fā)團隊，從事固體電解質(zhì)及固態(tài)鋰電池的研發(fā)攻克了很多固態(tài)鋰電池研發(fā)瓶頸。他們開發(fā)的固態(tài)鋰電池能量密度達到240wh/kg，循環(huán)500次容量保持88.7%。目前該團隊已經(jīng)成立了浙江鋒鋰新能源科技有限公司，主要專注于鋰電池核心材料、高比能固態(tài)鋰電池電芯技術(shù)開發(fā)。    

       結(jié)語

       從全球范圍來看，固態(tài)鋰電池有很多基礎研究和工藝技術(shù)問題亟待解決。目前，固態(tài)鋰電池還不能滿足作為動力電池的技術(shù)需求，改善現(xiàn)有固態(tài)鋰電池的性能又兼顧能量密度和安全性還將面臨很多挑戰(zhàn)，并且很多技術(shù)改善也僅僅停留在實驗室研發(fā)階段，無法真正走向應用市場。我國應加大發(fā)展固態(tài)鋰電池的研發(fā)力度，爭取在不久的將來解決所有的技術(shù)瓶頸，推進固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。