中國儲能網(wǎng)訊：長久以來，鋰電池安全問題一直是大眾關(guān)心的話題。常見的鋰電池電解質(zhì)為液態(tài)，其中的電解液一旦分解產(chǎn)生可燃氣體就會產(chǎn)生危險。
也正因此，固態(tài)鋰電池，尤其是全固態(tài)鋰電池，一直是許多相關(guān)領(lǐng)域的科研人員想要突破的關(guān)鍵技術(shù)，但其難度之高，也令業(yè)界驚異。
“在業(yè)內(nèi)，全固態(tài)鋰電池，被譽為鋰電池的‘圣杯’?！?strong>上海屹鋰新能源科技有限公司董事長，上海交通大學機械與動力工程學院教授、博士生導師張希說道。
從“炒菜模式”到“分鐘級仿真”
長期以來，探索更高效、更安全的新型儲能技術(shù)，一直是社會各界關(guān)心的話題。2022年，《上海市科技支撐碳達峰碳中和實施方案》發(fā)布，將“研究固態(tài)鋰離子、鈉離子電池等更低成本、更安全、更長壽命、更高能量效率、不受資源約束的前沿儲能技術(shù)”列為“低碳/零碳/負碳前沿技術(shù)研究”中的“前沿儲能技術(shù)”。多年來，上海市科委也多次通過地方匹配資金等方式給予固態(tài)鋰電池相關(guān)項目支持。
如今，這一前沿儲能技術(shù)正一步步走向千家萬戶。目前，位于上海奉賢的上海市2024年第1批入庫科技型中小企業(yè)屹鋰科技正在推動硫化物全固態(tài)電池的中試進程，中試基地二期產(chǎn)能達到300m wh/年，即將完成三期建設(shè)，三期結(jié)束之后，則將繼續(xù)推動2g wh的量產(chǎn)建設(shè)。
“硫化物全固態(tài)電池，首先應該說是本質(zhì)安全的，不會產(chǎn)生爆炸，因為其中沒有電解液，不會分解產(chǎn)生可燃氣體，并且在續(xù)航里程、能量密度方面，也會有一個顯著提升?！睆埾Ｏ蛴浾呓榻B道。
據(jù)張希介紹，目前其研究的硫化物全固態(tài)電池則能達到400 wh/kg甚至更高，遠遠超過液態(tài)鐵鋰電池180 wh/kg和三元電池260 wh/kg的指標。而更具有顛覆性的，則在于全固態(tài)電池在低溫性能的明顯提升，“在零下四十度的情況下，我們依然可以正常工作”，而目前許多新能源車往往會遭遇嚴寒情況續(xù)航“打折”的窘境，全固態(tài)電池若能“上車”，則將會為新能源車進一步拓寬市場帶來貢獻。
“目前我們第一條產(chǎn)線，因為它的周期比較短，可以快速的商品化，我們想實現(xiàn)全國該領(lǐng)域第一個真正從技術(shù)到產(chǎn)品到商品的閉環(huán)驗證?！?
企業(yè)開發(fā)新的技術(shù)，常常需要考慮經(jīng)濟價值，而從學界帶來的眼光卻往往“更前一步”，在“更前一步”的洞察力和企業(yè)生存所必需的經(jīng)濟價值中，張希必須找到一個平衡點。
據(jù)張希介紹，這條產(chǎn)線將首先應用于消費電子領(lǐng)域的硫化物全固態(tài)電池嘗試，“與汽車不同，消費電子領(lǐng)域中，電池在產(chǎn)品中的價格占比相對不那么大，存在提升價格的空間，對于我們來說，這就給了我們一個商業(yè)化落地的可能?！睆埾Ｕ劦?，希望能從消費電子側(cè)形成量產(chǎn)規(guī)模的驗證，并進一步推動規(guī)?；当?，等驗證完善后再進一步“上車”。
據(jù)悉，當前屹鋰科技正全力加速推動全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化進程?！捌炫灐碑a(chǎn)品硫化物固態(tài)電解質(zhì)已為頭部電池廠商、車企研究院及高?？蒲性核嗉抑匾蛻艄┴?。屹鋰科技已與江淮、長安、上汽等中國龍頭汽車企業(yè)開展合作。
在張希看來，產(chǎn)線得以快速推進的背后，首先是方式的創(chuàng)新：材料信息學加快了電解質(zhì)研發(fā)迭代效率。
“以前都是‘炒菜模式’，用配方把電池做出來，再經(jīng)過長周期循環(huán)驗證，就像是要品嘗菜的口味，才能判定配方好不好?！睆埾＝榻B道，“但這個周期非常長，可能長達大半年甚至一年?！?
而現(xiàn)在的電池創(chuàng)新則已經(jīng)可以通過計算機模擬仿真實現(xiàn)“分鐘級”的配方驗證，“不對的地方很快就能發(fā)現(xiàn)，不用再把配方做成電芯、電池，再去進行驗證，所以迭代快了很多?！?
而ai的加入則能進一步為驗證加速，“可能剛開始由于沒有大規(guī)模生產(chǎn)，ai需要的數(shù)據(jù)量相對有限，但按照底層的物理和化學規(guī)律，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動的ai手段，用這樣一個可解釋的模型來幫助進行配方的優(yōu)化，我們覺得是比較實用的，現(xiàn)在也已經(jīng)在使用了?！?
“在最開始做硫化物全固態(tài)電池時，我們也對比過其他技術(shù)路線，比如氧化物或聚合物，但我們發(fā)現(xiàn)硫化物在離子電導率和在電解質(zhì)膜的這樣的成膜工藝方面是具有很大優(yōu)勢的。”張希談道，“在界面問題的解決等方面，硫化物還是獨具一格，所以我們也是將硫化物全固態(tài)電池作為最后的技術(shù)路線?！?
從0建起一條產(chǎn)線有多難？
與許多有成熟經(jīng)驗的產(chǎn)業(yè)不同，硫化物全固態(tài)電池在工業(yè)化生產(chǎn)階段，可以說是一片空白。
“目前的液態(tài)電池的設(shè)備，不能復用到固體電池容量電池的生產(chǎn)中。”張希解釋道，以一個簡單的界面問題為例，液態(tài)電池靠液體之間的物理接觸，就可以把這個接觸面做得非常貼合，但固態(tài)電池中，固與固的接觸，會存在一些空洞，這些空洞會增加界面的阻抗和發(fā)熱，加快電池老化。
“設(shè)備需要去解決這方面的需求，根據(jù)這個需求，然后我們提出設(shè)備研發(fā)的相關(guān)設(shè)想，才能去針對性的把這個問題解決?！睆埾Ｕ劦?，這也只是設(shè)備研發(fā)的冰山一角。
生產(chǎn)裝備帶來的挑戰(zhàn)，可以說是產(chǎn)業(yè)化面臨的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)?！皩嶒炇依?，我們可以‘手搓’電池，來探索機理問題、材料問題，并嘗試簡單的工藝，但是到了產(chǎn)線里不能繼續(xù)‘手搓’?！睆埾Ｕf道，工業(yè)化生產(chǎn)一定需要自動化的裝備生產(chǎn)線。
“所以，在這個方面不能有任何僥幸心理，必須要跳出，甚至摒棄原來液態(tài)電池中的思維。從新的角度、新的工藝需求，反推出設(shè)備的設(shè)計?！?
從本科的信息控制，到博士畢業(yè)后從事的車輛工程，再到轉(zhuǎn)向全固態(tài)電池，張希的學科交叉背景，為硫化物全固態(tài)電池的裝備制造提供了一個開闊的視野，例如在電池生產(chǎn)中有一個設(shè)備，需要完成非常均勻壓力等靜壓的一個功能。“這其中正需要用到很多電氣和機械方面的背景知識。如果沒有這些知識，電池很可能永遠是實驗室狀態(tài)，不能形成規(guī)模生產(chǎn)的裝備和工藝?！?
“大工業(yè)”和“大科研”需要更多“交叉點”
“現(xiàn)在已經(jīng)到了學科交叉融合的一個新時代，一個學科可能發(fā)展了幾百年，本身在這個方向上面很難有太原始的創(chuàng)新了，必須要從其他學科汲取靈感和啟發(fā)，引導學科向新的方向發(fā)展。”
一方面，學科之間需要更多交叉點，放棄對學科邊界的“執(zhí)念”，才能在大工業(yè)生產(chǎn)時代和大科研時代迎來重塑的可能；而另一方面，在科研與工業(yè)這兩者之間，也需要有更多的交叉，才能打通實驗室與產(chǎn)線之間的鴻溝。
“我們在2017年做全固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究時，就發(fā)現(xiàn)國外在這方面已經(jīng)有很多年的積淀，并且性能優(yōu)勢相當顯著?！睆埾Ｕf道，“一旦國外在這領(lǐng)域取得產(chǎn)業(yè)化突破，那么國內(nèi)在新能源汽車上的領(lǐng)先很有可能被‘超車’?！?
從2017年開始做硫化物全固態(tài)電池，到2021年上海屹鋰新能源科技有限公司正式成立，伴隨全固態(tài)電池從實驗室走向生產(chǎn)線，張希也完成了一次身份的蛻變。
“我骨子里其實是做科學研究的。做成果轉(zhuǎn)化當然很難，但是你要真正做一件事兒，你認可這個事兒其實對國家、社會來說是有益的，你就不會被眼前的一些困難所折服。只要克服這樣的心理障礙，我覺得科學家一樣可以把科技成果轉(zhuǎn)化做好。”
作為全固態(tài)鋰電池這一全新賽道的國內(nèi)領(lǐng)跑者，屹鋰科技牽頭編制并成功發(fā)布了國內(nèi)首項硫化物全固態(tài)電池產(chǎn)品標準，建立了國內(nèi)首個關(guān)于全固態(tài)電池產(chǎn)品的iso9001質(zhì)量認證體系。公司核心技術(shù)已成功申請知識產(chǎn)權(quán)超過100項，其中國內(nèi)發(fā)明專利近80項，有近30項知識產(chǎn)權(quán)已獲授權(quán)，并申請國際pct專利4項。
