中國儲(chǔ)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?xì)怏w就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。
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(yù)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(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師張希說道。
從“炒菜模式”到“分鐘級(jí)仿真”
長期以來，探索更高效、更安全的新型儲(chǔ)能技術(shù)，一直是社會(huì)各界關(guān)心的話題。2022年，《上海市科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)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(chǔ)能技術(shù)”列為“低碳/零碳/負(fù)碳前沿技術(shù)研究”中的“前沿儲(chǔ)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(xiàng)目支持。
如今，這一前沿儲(chǔ)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(dòng)硫化物全固態(tài)電池的中試進(jìn)程，中試基地二期產(chǎn)能達(dá)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(dòng)2g wh的量產(chǎn)建設(shè)。
“硫化物全固態(tài)電池，首先應(yīng)該說是本質(zhì)安全的，不會(huì)產(chǎn)生爆炸，因?yàn)槠渲袥]有電解液，不會(huì)分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w，并且在續(xù)航里程、能量密度方面，也會(huì)有一個(gè)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(dá)到400 wh/kg甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液態(tài)鐵鋰電池180 wh/kg和三元電池260 wh/kg的指標(biāo)。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(huì)遭遇嚴(yán)寒情況續(xù)航“打折”的窘境，全固態(tài)電池若能“上車”，則將會(huì)為新能源車進(jìn)一步拓寬市場(chǎng)帶來貢獻(xiàn)。
“目前我們第一條產(chǎn)線，因?yàn)樗闹芷诒容^短，可以快速的商品化，我們想實(shí)現(xiàn)全國該領(lǐng)域第一個(gè)真正從技術(shù)到產(chǎn)品到商品的閉環(huán)驗(yàn)證?！?
企業(yè)開發(fā)新的技術(shù)，常常需要考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而從學(xué)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(jì)價(jià)值中，張希必須找到一個(gè)平衡點(diǎn)。
據(jù)張希介紹，這條產(chǎn)線將首先應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的硫化物全固態(tài)電池嘗試，“與汽車不同，消費(fèi)電子領(lǐng)域中，電池在產(chǎn)品中的價(jià)格占比相對(duì)不那么大，存在提升價(jià)格的空間，對(duì)于我們來說，這就給了我們一個(gè)商業(yè)化落地的可能。”張希談道，希望能從消費(fèi)電子側(cè)形成量產(chǎn)規(guī)模的驗(yàn)證，并進(jìn)一步推動(dòng)規(guī)?；当荆闰?yàn)證完善后再進(jìn)一步“上車”。
據(jù)悉，當(dāng)前屹鋰科技正全力加速推動(dòng)全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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┴洝Ｒ黉嚳萍家雅c江淮、長安、上汽等中國龍頭汽車企業(yè)開展合作。
在張?？磥?，產(chǎn)線得以快速推進(jìn)的背后，首先是方式的創(chuàng)新：材料信息學(xué)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(yàn)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(gè)周期非常長，可能長達(dá)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(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)現(xiàn)“分鐘級(jí)”的配方驗(yàn)證，“不對(duì)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(jìn)行驗(yàn)證，所以迭代快了很多?！?
而ai的加入則能進(jìn)一步為驗(yàn)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(duì)有限，但按照底層的物理和化學(xué)規(guī)律，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ai手段，用這樣一個(gè)可解釋的模型來幫助進(jìn)行配方的優(yōu)化，我們覺得是比較實(shí)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(shí)，我們也對(duì)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(dǎo)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(shì)的?！睆埾Ｕ劦?，“在界面問題的解決等方面，硫化物還是獨(dú)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(yàn)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(fù)用到固體電池容量電池的生產(chǎn)中?！睆埾＝忉尩?，以一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)接觸面做得非常貼合，但固態(tài)電池中，固與固的接觸，會(huì)存在一些空洞，這些空洞會(huì)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(gè)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(duì)性的把這個(gè)問題解決。”張希談道，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?shí)驗(yàn)室里，我們可以‘手搓’電池，來探索機(jī)理問題、材料問題，并嘗試簡(jiǎn)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(dòng)化的裝備生產(chǎn)線。
“所以，在這個(gè)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(jì)?！?
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(xué)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(gè)開闊的視野，例如在電池生產(chǎn)中有一個(gè)設(shè)備，需要完成非常均勻壓力等靜壓的一個(gè)功能。“這其中正需要用到很多電氣和機(jī)械方面的背景知識(shí)。如果沒有這些知識(shí)，電池很可能永遠(yuǎn)是實(shí)驗(yàn)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(diǎn)”
“現(xiàn)在已經(jīng)到了學(xué)科交叉融合的一個(gè)新時(shí)代，一個(gè)學(xué)科可能發(fā)展了幾百年，本身在這個(gè)方向上面很難有太原始的創(chuàng)新了，必須要從其他學(xué)科汲取靈感和啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)科向新的方向發(fā)展?！?
一方面，學(xué)科之間需要更多交叉點(diǎn)，放棄對(duì)學(xué)科邊界的“執(zhí)念”，才能在大工業(yè)生產(chǎn)時(shí)代和大科研時(shí)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(shí)驗(yàn)室與產(chǎn)線之間的鴻溝。
“我們?cè)?017年做全固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究時(shí)，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(shì)相當(dāng)顯著。”張希說道，“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(shí)驗(yàn)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(shí)是做科學(xué)研究的。做成果轉(zhuǎn)化當(dāng)然很難，但是你要真正做一件事兒，你認(rèn)可這個(gè)事兒其實(shí)對(duì)國家、社會(huì)來說是有益的，你就不會(huì)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(xué)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(xiàng)硫化物全固態(tài)電池產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，建立了國內(nèi)首個(gè)關(guān)于全固態(tài)電池產(chǎn)品的iso9001質(zhì)量認(rèn)證體系。公司核心技術(shù)已成功申請(qǐng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)超過100項(xiàng)，其中國內(nèi)發(fā)明專利近80項(xiàng)，有近30項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)已獲授權(quán)，并申請(qǐng)國際pct專利4項(xiàng)。
