中國儲能網(wǎng)訊：2021年由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨首屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新儲能、新動力、新發(fā)展”。
會后，為了能讓參會代表有更深入的行業(yè)交流，小編經(jīng)過演講專家本人同意和審核，將演講專家的速記整理如下：
郭新：在正式開始報告之前，首先介紹一下我自己實驗室在干什么。我的實驗室叫做固態(tài)離子學實驗室，固體材料中的離子傳導是我們實驗室的科學基礎，在這個科學基礎上，在信息領域，我們主要是做類腦芯片及人工智能，這是第一個研究領域；第二個研究領域是固體電解質(zhì)和固態(tài)電池，稍后我會詳細地向大家匯報我們在這個領域的工作；第三個研究領域是氣體傳感器和人工嗅覺。
我們實驗室的三個研究領域基本上涵括了從應用研究、產(chǎn)業(yè)化一直到前沿探索，類腦芯片與人工智能肯定是屬于前沿探索，在氣體傳感器方面，我們主要做的工作是應用研究和產(chǎn)業(yè)化，固態(tài)電池是屬于中間的一個狀態(tài)，我們希望再經(jīng)過3～5年的時間能夠把固態(tài)電池做到實用化。三個研究領域開始時是互相獨立發(fā)展的，但是經(jīng)過這么多年的發(fā)展以后，我希望這三個研究領域能實現(xiàn)交叉融合。例如，電池和傳感器領域交叉，用傳感器來監(jiān)測電池的產(chǎn)氣，這是一個交叉；又例如，通過傳感器和類腦芯片的融合可以實現(xiàn)人工嗅覺。目前為止，我們實驗室就是這三個研究領域。
下面正式開始我的報告，《固體電解質(zhì)及固態(tài)電池》，下面的小標題是《兼論固態(tài)電池的實用化與量產(chǎn)》。我們做的電池研究不是純基礎研究，而是應用基礎研究，甚至是應用研究。無論是應用基礎研究還是應用研究，它的目的就是要做出有實用價值的東西。
我是2013年開展固態(tài)電池的研究，在國內(nèi)我們算是比較早的。我們從陶瓷基固態(tài)電解質(zhì)研究起步，比如LLZO和LLTO類陶瓷材料，然后是研究LLZO和PEO復合固體電解質(zhì)，另外我們還開發(fā)一些新型的固體電解質(zhì)，比如說LiTaSiO5，還有MOF-derived electrolyte，諸如此類。我們實驗室最開始是研究一些關鍵性的科學問題。第一個科學問題是LLZO中的離子電導通道，在這個基礎上，我們把LLZO陶瓷材料的室溫離子電導率提高到了1.62mS/cm，當時是一個非常高的數(shù)值。第二個科學問題是，金屬鋰是否能夠浸潤LLZO陶瓷表面？通常是認為不能浸潤，但是我們從實驗研究和理論計算兩個角度，都證明金屬鋰完全可以浸潤LLZO陶瓷外表面，不需要任何中間鍍層，這和主流的觀點不一致。另外一個科學問題是，為什么LLTO陶瓷材料的晶界電導率會比體電導率低4個數(shù)量級？下面一個科學問題是關于復合固體電解質(zhì)，比如說LLZO納米顆粒放在PEO基體中所形成的復合固體電解質(zhì)，這類復合固體電解質(zhì)的離子導電機理。另外兩個科學問題涉及到新型固體電解質(zhì)，比如LiTaSiO5材料，這是一個被設計出來的新型鋰離子導體，之后我們還把它合成出來了；另外一個是MOF-derived electrolyte，就是用鋯基MOF來吸附離子液體，用這種方式來制作不同的固體電解質(zhì)。綜上所述，我們開始是做一些應用基礎研究，解決一些關鍵性的科學問題，當然這些研究的目的都是指向固態(tài)電池。
固態(tài)電池現(xiàn)在很熱，通常認為固態(tài)電池是下一代電池。固態(tài)電池的優(yōu)點主要有：第一、高安全性，沒有電解液的泄漏、揮發(fā)，所以它不會著火；第二、數(shù)分鐘超急速充電；第三、高能量密度，低自放電；第四、電池設計自由度增加，多層化成為可能。因為有這些優(yōu)點，所以固態(tài)電池被稱為下一代電池。
在2020年5月21日的一個ZOOM會議上， 2019年諾貝爾化學獎得主Whittingham這樣評價固態(tài)電池，他認為固態(tài)電池是發(fā)展方向，肯定更安全，但真正的挑戰(zhàn)是能否利用現(xiàn)有的技術以經(jīng)濟的方式生產(chǎn)固態(tài)電池。我想我們得認真地考慮一下這個問題。
不單是固態(tài)電池，所有的電池都有正極、電解質(zhì)、負極，還有兩個電極和電解質(zhì)的界面，整個電池基本上可以分為這么五個部分。固態(tài)電池如果要實用化，甚至是量產(chǎn)，我們基本上要考慮下面三個問題：第一、固態(tài)電池的性能要比現(xiàn)有的液態(tài)電池好，或者至少要相當；第二、要與現(xiàn)有的電池生產(chǎn)技術兼容，電池生產(chǎn)企業(yè)投資了好幾百億，已經(jīng)建成了完整的生產(chǎn)線，不可能說為了固態(tài)電池就把現(xiàn)有產(chǎn)線拋棄掉，完全從頭來過，那是不可能的；第三、固態(tài)電池成本要小于或者等于液態(tài)電池成本，因為還沒有量產(chǎn)，第三個問題可先不考慮，目前要著重考慮第一和第二個問題。
第一個問題，固態(tài)電池性能是否能比現(xiàn)有的液態(tài)電池更好？我們做一點簡單的分析。以LLZO陶瓷為例，它的室溫離子電導率已經(jīng)做到1.62 mS/cm，非常高的電導率，離子遷移數(shù)是1，這是陶瓷本身的優(yōu)點，通常認為陶瓷類材料電化學窗口大于6伏，而且陶瓷是不可燃的。從固體電解質(zhì)本身來說，氧化物陶瓷非常好。但是，電解質(zhì)好是否意味著電池的性能也會好？把陶瓷組裝成固態(tài)電池，大概像這個圖片所展示的，有負極、固體電解質(zhì)、正極，還有界面，因為是固固界面，所以面臨著固固界面的點接觸情況。在充電和放電過程中，正極和負極都發(fā)生巨大的體積變化。像這里給大家展示的這種固固界面，它是否能夠維持住這個界面的穩(wěn)定性？顯然是不太可能的。但是，一個電池要能夠穩(wěn)定地工作，它必須有最大的電極界面面積，而且在充放電過程中界面必須要穩(wěn)定。有很多人在研究電極/陶瓷電解質(zhì)界面，但能否解決這個界面問題，現(xiàn)在還不好說。
我們實驗室從氧化物陶瓷材料到氧化物和聚合物復合材料，再到聚合物。那么聚合物怎么樣？和陶瓷相比，聚合物當然柔性更好，它可以任意折疊而不發(fā)生斷裂；聚合物通常認為是可燃的，但我們已經(jīng)做到了比較好的阻燃性；另外，聚合物有自愈合性，裂開后經(jīng)過一段時間它會自愈合。而且，聚合物可以用比較簡單的方式進行3D打印，可以做成比較復雜的結構。
這里給大家看看聚合物固體電解質(zhì)我們已經(jīng)做出了哪些性能。熱穩(wěn)定溫度可以達到350度，在350度以下，聚合物電解質(zhì)都不會出太大的問題；電化學穩(wěn)定窗口可以達到6.5伏，離子電導率0.87mS/cm，大概是陶瓷的一半；鋰離子的遷移數(shù)是0.92，和陶瓷幾乎相當。這么好性能的聚合物電解質(zhì)，如果我們?nèi)匀幌褡鎏沾苫姵匾粯?，先把聚合物固體電解質(zhì)做出來，然后在上、下兩面各貼上正、負極，是否可以做出很好的電池性能來呢？實際上做不到。與陶瓷相比，聚合物電池性能會好一些，但是仍然面臨著界面問題，即使利用聚合物仍然解決不了界面問題，只能說比陶瓷好些，怎么樣才能解決界面問題？如果解決不了界面問題，所做出來的固態(tài)電池的性能肯定不好，這是其一。
其二、如果固態(tài)電池要能夠?qū)嵱?，必須和現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝兼容。這里給大家展示的是一條全自動的電池生產(chǎn)線，我在網(wǎng)上查到的每個GW大概是5億的投資，不可能說，做出個固態(tài)電池，工業(yè)界就把已投了幾十億甚至幾百億的產(chǎn)線扔掉。大學的研究必須要向工業(yè)界靠攏，不能指望工業(yè)界來將就大學的研究，因為大學也就花了幾十萬、幾百萬的錢，工業(yè)界卻是投資了幾百億、幾千億，不可能投了幾百億、幾千億的人來將就花了幾百萬的人，這是不可能的。大學實驗室做的東西如果要能夠有用，所做的研究工作必須要考慮到和現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝兼容。那么看能不能兼容？現(xiàn)有的電池生產(chǎn)工藝包括配料、涂布、干燥、輥壓、裁片、疊片裝配、注液、化成等工藝，大家都是類似的工藝。一個重要的一環(huán)就是注液以后，電解液要徹底地浸潤正、負極，而且把電極中的孔洞填充起來，這是注液和化成以后的的情況。
現(xiàn)在再回到我剛才提到的兩種固體電解質(zhì)材料，陶瓷材料能否和現(xiàn)有的電池工業(yè)生產(chǎn)技術兼容呢？顯然是不可能兼容的。那么聚合物呢？倒是有這個可能性，這取決于具體如何操作。
剛才我提到，注液以后電解液要充分浸潤正、負極，在工業(yè)上使用的正極和負極都是顆粒材料，注液以后，正極和負極是完全浸泡在電解液當中的。在這種情況下，電極和電解質(zhì)之間的接觸面積非常大，會比固固界面至少大3到4個數(shù)量級。另外，因為中間包含了液相，電池完全能夠容忍在充放電過程中電極產(chǎn)生的體積變化，而不會像使用固體電解質(zhì)時一樣，在充放電過程中電極和電解質(zhì)發(fā)生脫離。
從這個角度來分析，一個性能好的固態(tài)電池是怎樣的？從結構上來講，固態(tài)電池必須接近使用電解液的電池，而不是說拿一塊陶瓷片，在正面、反面各貼上一個正、負極就可以了。以陶瓷片為例，比如1平方厘米的陶瓷片，貼上正、負極后，電極和電解質(zhì)的接觸面積肯定小于1平方厘米。而通過注液的方式，正極和負極的顆粒完全浸泡在電解液中，接觸面積可能是一千平方厘米、一萬平方厘米，甚至更高，而且這種界面非常穩(wěn)定。如果要獲得一個性能好的固態(tài)電池，從結構上來說，它的界面結構必須接近這種基于電解液的電池。
怎樣才能做到這一點？這需要用到原位聚合技術。仍然是正極、負極、隔膜，然后注入電解液，把它們組裝成電池以后，再通過原位聚合技術把電解液聚合為固體電解質(zhì)，這樣就獲得了固態(tài)電池，它的正、負極的界面結構非常接近于使用電解液的電池。
現(xiàn)在我們看看原位聚合技術是否和現(xiàn)有的電池生產(chǎn)工藝兼容？所有的工藝完全兼容，仍然是正極、負極、隔膜，然后仍然是注液化成，化成后只須增加一個原位固化工藝?，F(xiàn)有的產(chǎn)線完全可以保留，只是在化成后增加一個原位固化的工藝，僅此而已。利用原位聚合技術，第一、可以獲得非常好的電池性能，第二、它和現(xiàn)有的電池生產(chǎn)技術是完全兼容的。
下面給大家看看我們實驗室所做的一些電池的性能。
第一個電池使用磷酸鐵鋰做正極，金屬鋰做負極，聚合物電解質(zhì)是PVDF，這種電解質(zhì)具有非常好的柔性，可以任意折疊，在2C的倍率下固態(tài)電池可以在室溫循環(huán)2000次，仍然有超過88%的保持率。
下面的電池仍然是使用磷酸鐵鋰和金屬鋰，在100度下和30度下固態(tài)電池的充放電循環(huán)情況幾乎是一模一樣，使用電解液的電池不可能在100度下工作。甚至在120度下，固態(tài)電池也能穩(wěn)定工作，能夠穩(wěn)定循環(huán)60圈。把電池放在200度下保溫10分鐘，然后把它拿出來降溫到室溫，它仍然能夠工作，也就是說電池經(jīng)過200度以后，仍然能夠穩(wěn)定地工作，這是電池的高溫性能。再看看低溫性能如何？這是零下20度，仍然使用磷酸鐵鋰和金屬鋰，固態(tài)電池可以穩(wěn)定循環(huán)200圈，幾乎沒有顯著的衰減。
除了磷酸鐵鋰，下面看看高鎳三元電極行不行。使用NCM811正極、金屬鋰負極，電池在室溫下循環(huán)500圈后還有80%的保持率，與磷酸鐵鋰相比還是有差距，但是NCM811能做到循環(huán)500圈已經(jīng)算是相當不錯了。下面看看超高電壓下的情況，即使用4.7伏的電壓，使用超高電壓使得固態(tài)電池的克比容量達到最高：230毫安時每克，其他情況下大多是一百多，我們可以做到230。這個電池仍然是使用NCM811正極，可在10C倍率下進行充放電，前面說到固態(tài)電池的一個優(yōu)點是超急速充電，這大概可以算是超急速充電。另外，使用NCM811和金屬鋰的固態(tài)電池也可以在低溫下工作，在零下20度循環(huán)200圈，比容量沒有顯著的衰減，甚至在零下30度下，電池仍然能夠工作。這個視頻給大家展示了所謂的冰浴，也就是0度，把整個固態(tài)電池放在冰浴中仍然可以正常工作，所以電池的低溫性能也非常好。最后看看安全性，比如折疊、剪切、用火烤等，NCM811電池都能夠正常工作，因為我們使用的是固體電解質(zhì)，在剪切后固態(tài)電池沒有液體流出來。
我們還做了一些固態(tài)鈉電池的研究。通常來說鈉電池倍率性比較好，我們可以做到15C的倍率，在5C的倍率下固態(tài)鈉電池循環(huán)1000圈后，仍然有80%的保存率，還是相當不錯的。
下面再向大家簡單介紹一下結構電池。結構電池是什么含義？電池必須集成在某個系統(tǒng)中，比如集成在汽車中，特斯拉汽車中有約500公斤的電池。我們的思路是把這500公斤電池拿出來，把它做成汽車的結構件，那么500公斤的電池重量被減掉了，而且被電池替換的結構件的重量也減掉了。結構電池一方面要能夠存儲能量，另外還要能承受機械載荷，結構電池是用電池作為結構件，使得整個系統(tǒng)減重，據(jù)估算，結構電池可使汽車的續(xù)航里程大概提高70%。
現(xiàn)在給大家看一下我們做出來的第一個結構電池。仍然是使用NCM811正極和金屬鋰負極，電池能夠?qū)崿F(xiàn)充放電，用2公斤的重量壓在豎立的電池上，電池不會垮，一般的軟包電池沒有這么結實，為什么這個結構電池會這么結實？因為我們使用碳纖維增強電池的各個部分，這是我們在結構電池方面的第一個工作。
下面概括一下我們在固體電解質(zhì)和固態(tài)電池領域的研究工作。我們從陶瓷電解質(zhì)起步，但現(xiàn)在基本上以聚合物電解質(zhì)為主，我們實驗室專注于固體電解質(zhì)，不做正極，也不做負極。使用的正極材料有NCM811、622、磷酸鐵鋰和其它商業(yè)正極，負極使用金屬鋰和商業(yè)負極。我們電池的室溫充放電循環(huán)最高可以做到2000圈，最高克比容量可以做到230，工作溫度范圍從零下30度到120度，甚至到200度。有了固態(tài)電池以后，再往前一步的衍生概念就是結構電池，用固態(tài)電池來做系統(tǒng)的結構件，比如汽車的結構件，或者是把手機中的電池做成手機的背板等，這樣可以使整個系統(tǒng)減小體積和重量。
那么固態(tài)電池是否已經(jīng)到了實用化和量產(chǎn)的前夜呢？現(xiàn)在我還不敢吹牛皮，但是我感覺好像是有些希望了。
以上所有的研究工作都是我?guī)讉€學生做的。我們團隊人數(shù)很少，2013年到現(xiàn)在，固態(tài)電池領域我們只畢業(yè)了2位博士生和1位碩士生，現(xiàn)在在讀的也只有2位博士生和1位碩士生。
最后請大家批評指正，謝謝大家！
