全固态电池取得阶段性重大突破
在科研领域，固态电池的发展聚焦于硫化物、氧化物和聚合物三大技术路线，每条路线的产业化之路都充满挑战。因此全球科研机构正集中力量，力求取得突破。这其中，硫化物固态电解质因其卓越的电导率特性和合适的软硬度，而被众多科研人员看好其前景。然而，尽管硫化物固态电池在实验室级别的研究中展现出显著的优势，但在工程化道路上仍需克服诸多困难。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊团队在硫化物固态电池领域取得重要科研成果，这标志着我国在固态电池技术研发方面取得阶段性重大突破。
崔光磊在接受《中国汽车报》记者采访时介绍，研发团队在科研工作中取得了显著突破，成功设计出均质化零应变正极材料，这一创新成果有效解决了硫化物固态电池在材料方面所面临的问题。同时，团队还运用熔融黏结技术，通过干法制备工艺制备出具有出色柔韧性的超薄硫化物固态电解质膜，突破了硫化物固态电池工程化应用的一大技术瓶颈。
01 界面稳定性缺陷极大限制着硫化物固态电池的实际应用
行业专家普遍对固态电池持有共识，认为其具备显著的安全性能、高能量密度、优异的循环性能，以及广泛的应用范围。在当前阶段，硫化物、氧化物及聚合物固态电池虽然在某些性能指标上已达预期标准，然而各自仍存在需要突破的关键技术难题。
中南大学教授张永柱在接受记者采访时指出，界面阻抗问题始终是固态电池领域的一大挑战。而硫化物因其出色的接触性，使得整体离子电导率性能表现卓越。在当前人类所开发的固态电池材料中，硫化物是唯一一种能够超越液态电解液离子电导率水平的材料。然而，尽管硫化物材料在电导率方面表现出色，但其存在的致命短板却成为了其工程化应用的障碍。
硫化物因其极高的化学活性，易与空气、有机溶剂以及正负极活性材料产生剧烈的化学反应。尤其在与水接触时，会迅速生成有毒且具有刺激性气味的H₂S，这种气体对人体健康构成严重威胁。硫化物的高化学活性导致了其界面稳定性极为低下，尽管它具备良好的电导率，然而界面稳定性不足将使得其性能迅速衰减，从而给生产、运输和加工等环节带来极大的挑战。硫化物在界面稳定性方面的严重缺陷，极大地限制了其在实际应用中的广泛推广。
“硫化物对于环境的要求极其严格，实验室环境的特定条件无法直接应用于日常生活中。”崔光磊明确指出。
02 均质化零应变正极策略提供新思路
单纯依赖硫化物材料来制造固态电池并非可行之举。面对挑战，众多研究者试图通过其他方法或材料来限制其活性，但寻找合适的技术路径或材料相当困难。崔光磊团队不仅成功找到了适用的材料，还探索出了有效的技术方法。
崔光磊团队提出并制备的均质化正极材料Li₁.₇₅Ti₂(Ge₀.₂₅P₀.₇₅S₃.₈Se₀.₂)₃兼具高离子电导率（0.2 mS cm⁻¹）、高电子电导率（225 mS cm⁻¹）及高比容量（250 mA h g⁻¹）。其离子和电子电导率高于传统层状氧化物正极材料3～5个数量级，比容量超过目前高镍正极材料，这种材料构筑的正极不需要额外引入异质导电添加剂，从根本上解决了异质组分间的电-化-力不匹配问题。
固态电池在充放电过程中，体积会发生变化，膨胀与收缩容易导致晶体碎裂。崔光磊团队打造的新材料与新方法对此也有较好的解决办法。据介绍，该材料在充放电过程中仅发生1.2%的体积形变，低于传统层状氧化物正极材料50%，且与硫化物电解质的能级匹配，从而赋予全固态电池优异的充放电可逆性。
“我们提出的正极均质化策略可以克服能量存储器件在能量、功率和寿命等方面进一步提升面临的瓶颈问题，为器件的实用化和商业化铺平道路。”崔光磊介绍说。团队开创性设计出的均质化零应变正极材料，颠覆了目前全固态锂电池正极需复合离子和电子导体的范式，从根本上解决了正极因复合而带来的电-化-力耦合失效的瓶颈问题，进一步制备出兼具高能量密度、高功率密度、长循环寿命、宽工作温度的全固态锂电池。均质化零应变正极策略为全固态电池性能的进一步突破提供了新的解决思路。
03 工程化应用取得重大进展
新技术、新材料必须工程化才能走向商业化，否则只能停留在实验室阶段。事实上，早在10多年前，日本丰田汽车的研发人员就发现了硫化物材料的特性，但一直没能工程化，导致丰田汽车宣布推出的电动汽车一再推迟。
崔光磊团队在硫化物全固态电池工程化上也取得了重大进展，团队利用熔融黏结技术，干法制备出具有出色柔韧性的超薄硫化物固态电解质膜，其优异的力学性能、离子电导率以及应力耗散特性可有效抑制电池内部应力不均导致的机械力失效。“聚合物/硫化物复合薄层化电解质的制备是该类电池大幅提升能量密度和大规模生产的最关键技术之一。”崔光磊说。
当前，干法制备工艺存在各组分分散不均的问题，崔光磊团队提出低压力制备的熔融粘结策略，研究人员在粘流态下将低粘度的热塑性聚酰胺（TPA）与硫化物Li₆PS₅Cl进行预混，进而热压成型，诱导TPA在硫化物颗粒间隙渗透，构建聚合物逾渗网络，制备出兼具优异的柔韧性、热塑性、可弯曲性、拉伸性和较高离子电导率的超薄硫化物固态电解质膜。
“我们使用同步辐射X射线断层扫描（SX-CT）对循环过后的对称电池进行观测，发现该超薄膜能够有效抑制循环过程中因电极体积膨胀带来的界面分离和电解质碎裂等问题，保持界面稳定。这证明，在固态电解质内部构建完整的聚合物逾渗网络，不仅有利于其薄层化，更有利于耗散电池运行过程中的不均匀内应力，降低力机械失效风险。”崔光磊介绍说。
在工程化过程中，崔光磊研究团队基于所研发的新型均质正极材料和薄层电解质的界面融合为策略，使用纯硅负极，制备出一体化全固态电池。据介绍，该种电池能量密度超过390 Wh/kg （660 Wh/L），在4000次充放电循环后容量保持率大于80%，使用寿命可超过10000小时。经过检测，该策略制备的高电压Bipolar和软包电池具有较高的实用价值和产业化潜力，对硫化物全固态电池的商业化具有重要意义，可为全固态电池未来的科学研究和工艺技术发展提供有力参考。