中國儲能網(wǎng)訊：“充電10分鐘，續(xù)航1000公里”“針刺不燃、碰撞不爆”……
近幾年，“固態(tài)電池”頻繁出現(xiàn)在大眾視野，不僅讓新能源車主翹首以盼，更成為科技圈、產(chǎn)業(yè)界、投行界追捧的“香餑餑”。
只是，大家心心念念的“終極電池”，到底還要多久才能走進日常生活？其研發(fā)的“攔路虎”、技術(shù)路徑有哪些？
2月2日，湖南日報專訪長期從事全固態(tài)鋰離子電池基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的中南大學教授、博士生導師李薦。
固態(tài)電池憑什么圈粉無數(shù)？
安全性拉滿，理論上能讓電動車續(xù)航輕松突破1000公里
李薦介紹，要讀懂固態(tài)電池的“走紅密碼”，就離不開現(xiàn)在廣泛使用的傳統(tǒng)鋰離子電池（俗稱鋰電池）。
不管是手機、平板，還是新能源汽車，其使用的電池內(nèi)部都裝著易燃的液態(tài)電解液，“這就像穿著一身浸了汽油的衣服在廚房走動，一旦電池發(fā)生穿刺、碰撞、短路，很容易起火甚至爆炸，安全隱患始終存在?！?/span>
李薦補充道，液態(tài)電池的續(xù)航天花板也越來越明顯。隨著人們對電動車長續(xù)航、手機長待機的需求不斷提升，單純優(yōu)化液態(tài)電池的結(jié)構(gòu)和材料，已經(jīng)很難實現(xiàn)大的突破，續(xù)航成為影響行業(yè)發(fā)展、用戶體驗的核心痛點。
“而固態(tài)電池，正是為解決這些痛點而來的‘救星’?！崩钏]告訴記者，它最大的革新，是將液態(tài)電解液換成了固體電解質(zhì)，相當于把“汽油服”換成了“防火磚”，從根源上杜絕了起火、爆炸的風險，安全性直接“拉滿”。同時，固態(tài)電池能通過正負極材料合理搭配、結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化來承載更多電量，能量密度遠超液態(tài)電池，理論上能讓電動車續(xù)航輕松突破1000公里，這也是它成為下一代電池核心方向的關(guān)鍵原因。
量產(chǎn)最大的攔路虎
兩座“倉庫”之間的“物流系統(tǒng)”受阻“
固態(tài)電池仍是鋰電池，量產(chǎn)最大的攔路虎是固相界面問題?！崩钏]解釋，這與鋰電池的工作原理及結(jié)構(gòu)相關(guān)。
“可以將鋰電池想象成一個特殊的‘倉庫+物流系統(tǒng)’?！崩钏]介紹，電池的正極和負極就像是兩座儲電的核心倉庫，它們由鈷酸鋰、石墨等粉末構(gòu)成，并附著在金屬箔上，專門用于儲存電荷。而鋰離子，則是往返其間、負責搬運電荷的“搬倉鼠”。填充在正負極之間的電解液，便是“搬倉鼠”的“運輸通道”。
當液態(tài)鋰電池充電時，外部電流驅(qū)動鋰離子從正極“倉庫”出發(fā)，快速穿過這條通道，嵌入到負極的微觀結(jié)構(gòu)中，從而將電能轉(zhuǎn)化為化學能。當電池放電時，過程逆轉(zhuǎn)。
因此，電池工作的本質(zhì)，就是鋰離子在正負極之間的循環(huán)“搬家”。液態(tài)電解液就像一條平坦的“高速公路”，讓離子的通行高效、順暢。
“這得益于液態(tài)電解液與正負極材料的完美浸潤?！崩钏]說，就像水滲入海綿一樣，電解液與電極固體材料實現(xiàn)原子級別的無縫接觸，讓“搬倉鼠”猶如在泳池中游泳，從電極材料“下水”或“上岸”都毫無阻礙。
（固相界面問題是固態(tài)電池面臨的核心挑戰(zhàn)。）
然而，固態(tài)電池的目標是用堅固且不易燃的固態(tài)電解質(zhì)取代這條易燃的“運輸通道”。設(shè)想雖好，一個根本難題隨之而來：如何讓固體正負極和固體電解質(zhì)之間，也能完美浸潤、“親密無間”？
李薦補充道，這就像將三塊玻璃緊貼，肉眼看來很貼合，但在納米尺度的微觀世界里，表面其實布滿凹凸與空隙，其真實接觸面積可能不足1%。
對于更微小的鋰離子“搬倉鼠”而言，這些空隙無異于通勤路上突然出現(xiàn)的懸崖峭壁，它無法從一塊固體表面“跳”到另一塊固體上。離子傳輸受阻，電流就無法有效形成，這便形成了固態(tài)電池面臨的核心挑戰(zhàn)——固相界面問題。
破局前行
三條大道推動“固態(tài)高速路”走向現(xiàn)實
面對固相界面這座“大山”，全球研究者正從不同路徑尋求突破。目前，主流技術(shù)方案主要圍繞硫化物、氧化物和聚合物三類核心材料展開。
這些材料，本質(zhì)上是構(gòu)建固態(tài)“運輸通道”——固態(tài)電解質(zhì)的不同選擇。
硫化物路徑是當前投入最多、也被眾多大型車企選定的主流方向。
其思路是選用質(zhì)地相對較軟的硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)，通過施加高壓，像按壓橡皮泥一樣，使其與電極正、負材料緊密貼合，從而改善界面接觸。李薦介紹，該路徑技術(shù)可行性明確，已有原型產(chǎn)品問世，但其生產(chǎn)工藝復雜、設(shè)備投入大、成本高，規(guī)?；慨a(chǎn)仍需克服工程與成本上的巨大挑戰(zhàn)，且存在易產(chǎn)生硫化氫這種劇毒氣體的隱患。
2011年，一直從事新能源材料及電池的研發(fā)的李薦創(chuàng)辦湖南省正源儲能材料與器件研究所，通過多年研究，在固態(tài)電池領(lǐng)域取得重要進展。2024年，他創(chuàng)立湖南長固新能源科技有限公司。在固態(tài)電池的攻關(guān)上，除了對硫化物路線深入研究外，公司還重點選擇了另外兩條路徑。
“聚合物路徑能最大程度兼容現(xiàn)有電池生產(chǎn)工藝、設(shè)備，提供了另一種更貼近現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的思路。”李薦告訴記者，該技術(shù)采用特殊的有機高分子材料，它在注入電池前是液體，能像現(xiàn)有電解液一樣充分浸潤電極，隨后在內(nèi)部固化，變成固態(tài)，即“原位固化”，從而實現(xiàn)優(yōu)異的界面接觸。
目前，長固公司研發(fā)的聚合物固體電解質(zhì)離子電導率已穩(wěn)定突破10?3 S/cm，這一數(shù)值標志著其離子導電能力已與當前液態(tài)電解液處于同一數(shù)量級。
“該技術(shù)在安時級軟包電池中得以運用，通過了電池的性能及安全性檢測，這相當于完成了實驗室的‘原理樣機’研制?！崩钏]告訴記者，這表明了該技術(shù)路線的根本可行性。
下一步的重點是“工程放大”。長固公司團隊正致力于解決材料在大規(guī)模生產(chǎn)中的一致性、長期循環(huán)穩(wěn)定性以及與現(xiàn)有產(chǎn)線更深度適配的工藝細節(jié)問題。
我們離固態(tài)電池還有多遠？
“那一天，或許就在眼前”
“氧化物路徑最具創(chuàng)新性與想象力。”李薦告訴記者，它采用質(zhì)地堅硬的氧化陶瓷類材料，不怕氧、安全性高，無硫化氫等有毒有害氣體的產(chǎn)生，但缺點是質(zhì)地很硬，無法像硫化物那樣通過加壓解決固相界面問題。
為此，長固公司的研究人員采用了一種叫磁控濺射鍍膜的工藝——先把材料做成一塊“靶子”，再用高能粒子去“打”靶，讓靶的原子一個個飛出來，均勻地落在電極表面，使其像一層極薄的“皮膚”一樣慢慢生長。
“這樣就能在電極上形成一層只有微米級厚度、致密又連續(xù)的固態(tài)電解質(zhì)膜，使固體電解質(zhì)與正負極材料實現(xiàn)原子級別的緊密接觸，讓鋰離子順利通行?！崩钏]介紹，通過該技術(shù)，長固公司已成功制備出面積達數(shù)平方厘米、厚度低于10微米的全固態(tài)薄膜電池樣品。
由于薄膜全固態(tài)電池是個新生事物，應(yīng)用場景是當前最大挑戰(zhàn)與機遇。
李薦告訴記者，因為大小問題，這類超薄電池難以用于電動車或儲能系統(tǒng)，“但它可以在幾乎任何固體表面制造，可與光伏電池、芯片直接集成在一起，從而產(chǎn)生多種應(yīng)用。”李薦介紹，團隊正主動對接腦機接口、AR/VR眼鏡、微型醫(yī)療植入設(shè)備、穿戴設(shè)備及特種微型無人機等前沿領(lǐng)域，探索定制化供電方案。
“我們正站在固態(tài)電池從實驗室走向特定市場的臨界點上，每條路徑都在推動‘固態(tài)高速路’走向現(xiàn)實。”在李薦看來，真正的“見面”，不是等固態(tài)電池裝進每輛電動車，而是當用戶的AR眼鏡、智能手表或醫(yī)療設(shè)備里，悄悄用上一塊不起火、更安全的固態(tài)電池。
“那一天，或許就在眼前。”李薦說。
