2024年3月15日，中國電動汽車百人會論壇(2024)在京開幕。圍繞“鞏固和擴大新能源汽車發(fā)展優(yōu)勢”這一核心議題，中國電動汽車百人會論壇(2024)將舉辦1場高層論壇、1場國際論壇、2場閉門會議、10場主題論壇，全面強化高端前瞻、全球視野、跨界融合的論壇特色。

　　在3月17日上午舉行的動力電池論壇上，中國科學(xué)院院士孫世剛發(fā)表了“電動交通固態(tài)電池的挑戰(zhàn)和發(fā)展”的演講。

　　中國科學(xué)院院士孫世剛

　　以下為演講實錄：

　　大家早上好，我今天的題目是“電動交通固態(tài)電池的挑戰(zhàn)和發(fā)展”。幾個方面：

　　第一，電動交通對動力電池的需求。

　　第二，固態(tài)電池的挑戰(zhàn)

　　第三，固態(tài)電池的發(fā)展

　　第四：結(jié)論。

　　電動交通就是新能源汽車。發(fā)展新能源汽車是我國的國情，我們國家的原油結(jié)構(gòu)是“煤多油少氣少”，每年買很多油來用。2019年開始燃油的對外依存度超過70%，去年總共消費了7.66億噸，產(chǎn)量差不多2億噸，買了差不多5.64億噸，把5.64億噸的油除以我們用的油叫對外依存度，對外依存度超過73%。對外依存度如果超過70%就是一個安全事件，這是我們要發(fā)展新能源汽車的一個重要的驅(qū)動力。

　　新能源汽車不僅減少對原油的依賴，同時也減少二氧化碳的排放，同時可以促進可再生能源開發(fā)。

　　可再生能源是間歇式的發(fā)電，它不是連續(xù)的，我們一定要想辦法儲存和轉(zhuǎn)化。一方面，我們把這些電轉(zhuǎn)化成燃料，比如把水變成電跟綠氫，我們把二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料，把氮變成氨，通過燃料電池驅(qū)動汽車，儲存起來作為動力電池來驅(qū)動汽車。

　　我們國家發(fā)展的新能源車，卡車、巴士、運營車用燃料電池，因為它的續(xù)航里程長、能量密度大，動力電池用于小車。

　　我們這些年的發(fā)展非?？?，最近這五年增長不是線性的，實際上是一個指數(shù)性的增長。去年底保有量2041萬輛，汽車總量是3.36億輛，只占6%，還有很大空間。2030年到2035年我們要8千萬到1億輛電動車，我們的增長速度還會非?？臁Ｈ剂想姵剀噷π履茉磥碚f是非常重要的一環(huán)，去年保有量18740輛，是全球商用車最多的國家。

　　我們的發(fā)展趨勢，這幾年也是呈現(xiàn)一個指數(shù)增長的方式，不是線性，增長速度很快。所以，我們不能忽視燃料電池的發(fā)展，昨天萬鋼的報告里強調(diào)這一點。

　　另外一個驅(qū)動力，一些國家都提出了停售燃油車時間表，大家注意到最近有些國家說要推遲，但是還沒有出臺，但是并不是說會停止，這個驅(qū)動力對于發(fā)展電動車也是一個最大的受益。歐盟說可以通過禁售非零排放，用綠電來合成這些燃料，也推動了零排放，是為了達到碳中和的目的。

　　碳中和是全世界達成的一個協(xié)議，大家都要努力去發(fā)展，特別是我們國家的任務(wù)非常緊的。

　　電動交通包括飛機和船舶。三峽氫舟1號，已經(jīng)在長江三峽運營，利用三峽大壩晚上的電來制氫來用。

　　燃料電池的飛機和船舶同樣也是有些大的發(fā)展?，F(xiàn)在低空域飛機，燃料電池的驅(qū)動非常重要。

　　航空對動力電池的要求更多，動力電池的需求密度是非常大的。

　　總的來說，電池的發(fā)展，無論是哪類電池，面臨的是提高它的能量密度、功率密度、安全性、極端環(huán)境適應(yīng)、低成本，是全方位的。發(fā)達國家和我們國家都制定了國家級的一些發(fā)展戰(zhàn)略，在固態(tài)電池方面，比如我們國家的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》，科技部“十四五”重點研發(fā)計劃專項，國家自然科學(xué)基金委去年實施了重大研究計劃，包括超越傳統(tǒng)的電池體系，包含今年剛啟動的一個重大項目，叫高性能全固態(tài)鈉電池關(guān)鍵材料。其它各個國家，日本、韓國、英國、歐盟、美國都有一些國家級的計劃來推動電池的發(fā)展，固態(tài)電池是一個很重要的方面。美國就叫《鋰電池藍圖計劃》，重點還是要發(fā)展電動汽車、先進電池和聯(lián)網(wǎng)汽車，這些資金大部分用于固態(tài)鋰金屬電池和快充技術(shù)研究。

　　二，固態(tài)電池的挑戰(zhàn)。

　　從科學(xué)技術(shù)層面來看。液態(tài)電解質(zhì)存在一些問題，比如說電解液容易泄露，容易燃燒，還有一些界面副反應(yīng)，電化學(xué)窗口窄，正極活性物質(zhì)的穿梭效應(yīng)。當換成固態(tài)電解質(zhì)，1.安全性的問題，固態(tài)電池不燃燒、沒有液體泄露。2.電化學(xué)窗口寬，提高能量密度。電池的能量密度和電壓是成正比的。3.寬溫域。這都是我們希望得到的。

　　不管是哪一類的電池，我們的固態(tài)電池是把電解液換成固態(tài)電解質(zhì)而已，但是儲能仍然是儲能在材料方面，能量是在正極、負極的反應(yīng)里面。從反應(yīng)機理來看，公式上可以看到，它的能量密度跟它的反應(yīng)電子數(shù)、電位和質(zhì)量相關(guān)，我們就需要選擇合適的元素，同時需要大的元素來做，這是一個原則。電池能量密度的高低最重要的還是正極材料。從這個角度來看，我們要做高能量密度的固態(tài)電池，我們要選擇低電壓負極+高容量、高電壓的正極。不管是現(xiàn)在的鋰離子電池，到后面的鋰硫電池到鋰空氣電池都是這個原則在往前面走，每往前走一步都有著很多挑戰(zhàn)。

　　高能量固態(tài)電池，鋰金屬目前是電位數(shù)最低的、能量密度最高，它的一個問題是鋰枝晶的生長。到了固態(tài)電解質(zhì)以后，面臨的問題，1.固態(tài)鋰離子傳輸比較慢，鋰枝晶不是不生長，一樣會生長，只要里面有電子流過來都會生長鋰枝晶，還不是完全阻擋鋰枝晶的一個辦法。2.固固界面兼容性差、離子傳輸阻力大，導(dǎo)致電池動力性能差。高比容量的電極，在高壓下也是不穩(wěn)定的，像三元、高鎳、富鋰，高電壓都會導(dǎo)致電極材料的衰減。這些問題不解決，我們要發(fā)展高能量密度的固態(tài)電池都會面臨著新的挑戰(zhàn)的問題。

　　我們做的工作，首先是鋰金屬負極本身要解決這些問題，有很多辦法，比如人工智能、人工SEI膜、表面修飾、三維結(jié)構(gòu)鋰金屬負極等等。我們的觀點還是說通過添加劑的方式，因為鋰枝晶生長是一個成核增長過程，我們?nèi)绻軌蛲ㄟ^間接的方式，控制成核增長方式，這樣我們可以完全抑制鋰枝晶的生長。電解液添加少量的添加劑就可以了。但做這個工作是很困難的，因為首先你知道鋰枝晶的生長規(guī)律，都是很重要的。

　　還有一種方法，怎么來通過添加劑的方式解決鋰枝晶的問題呢?比如雙功能塑化劑。電解質(zhì)加上PEO-聚環(huán)氧乙烷，加上LAGP-磷酸鍺鋁鋰、丁二腈的方式調(diào)控鋰枝晶的生長，這是它的原理。通過它，我們就可以形成一個穩(wěn)定的鋰的生長過程，有效提高它的循環(huán)壽命。

　　第二個問題，固固界面問題，這個很重要，怎么形成一個穩(wěn)定的界面呢?現(xiàn)在一個辦法是找一個液體，叫“半固態(tài)電解質(zhì)”，目的是解決間隙問題。我們的考慮很重要的是如果能夠形成一個固固相融的界面，就很好解決這個問題。

　　三，固態(tài)電池的發(fā)展。

　　針對固態(tài)電池現(xiàn)有的一些缺陷，怎么來提高它的性能?固態(tài)電池最大的一個挑戰(zhàn)是離子電導(dǎo)率低，與固態(tài)電池電極材料的界面相容性差和穩(wěn)定性比較差。

　　無機固態(tài)電解質(zhì)分為兩類，一類是氧化物，還有一類是硫化物甚至是鹵化物。固態(tài)氧化物機械和熱穩(wěn)定性好，缺點是離子電導(dǎo)率低，界面問題嚴重。鹵化物的優(yōu)點是離子電導(dǎo)率高。缺點是穩(wěn)定性差、成本很高。這樣的問題，我們解決它的發(fā)展過程，包括后面在用的時候都要考慮。比如一些文獻報道，比如用表面化學(xué)方式來提升固態(tài)電解質(zhì)的性能，還有通過調(diào)控鋰的遷移能壘，通過能壘降下來，提高性能。對于硫化物來說通過元素取代，用其它離子到晶格位點，提升它的周期循環(huán)和穩(wěn)定性。另外，通過界面調(diào)控，提升快速充放電。

　　對于聚合物電解質(zhì)，優(yōu)點是柔軟性比較好，容易加工，良好的界面接觸。缺點是離子電導(dǎo)率低。怎么解決這個問題?我們通過分子設(shè)計，設(shè)計合成和原位聚合的一種新的氟化主鏈和寡聚體增塑固態(tài)聚合物電解質(zhì)，它的離子電導(dǎo)率比較高，而且離子遷移數(shù)特別高，還有5.1V的的寬電化學(xué)窗口。同時它與鋰金屬負極和不同的正極材料，包括LFP和NCM811在內(nèi)的多種正極形成相容穩(wěn)定的界面，顯著提升鋰金屬電池的可逆循環(huán)穩(wěn)定性。

　　比如通過添加增塑劑，通過在原位聚合物的前驅(qū)體中加入，提升它的性能。

　　聚合物固態(tài)電解質(zhì)可設(shè)計性比較好，架構(gòu)性比較好，通過高壓聚合物電解質(zhì)設(shè)計，提升它的高壓性能。也通過低溫聚合物電解質(zhì)，提升低溫性能。我們的觀點來看，聚合物電解質(zhì)也是最近發(fā)展的非常好的一個方向。

　　復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)，把無機和聚合物融合起來叫復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)，它的界面穩(wěn)定性和相容性比較差，因為有固態(tài)在里面。包括異質(zhì)結(jié)的設(shè)計，通過化學(xué)嫁接法，通過這樣一些方法提升它的性能。

　　我們在固態(tài)電池發(fā)展里面最核心的，一個是固態(tài)電池本身怎么樣提升它的離子電導(dǎo)率、離子遷移數(shù)，怎么擴展它的電化學(xué)窗口，形成良好的固固界面，界面的兼容性和穩(wěn)定性這兩塊解決是我們的一個核心。

　　結(jié)論：

　　固態(tài)電池的安全性好，能量密度高，是電動交通下一代動力電池發(fā)展的重要方向。高能固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)主要是來自如何進一步提升固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、與鋰金屬和高比能電極材料的匹配性，和構(gòu)筑相對穩(wěn)定的固固界面。已經(jīng)發(fā)展的各種提升固態(tài)電解質(zhì)的性能的策略并取得重要進展，但還需要加大力度推進固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。我們不光是在應(yīng)用方面，在源頭的技術(shù)研究更重要，我們可以從源頭上設(shè)計更好的電解質(zhì)，做出性能更好的電池。