全固态电池技术新突破，从材料革新到产业化冲锋
编辑：转自：电子发烧友
发布时间：2025-06-06
在当今能源存储领域，全固态电池技术正成为全球科研人员关注的焦点。作为一种有望取代传统液态锂离子电池的新型电池技术，全固态电池以其更高的安全性、能量密度以及更广泛的适用性，展现出巨大的发展潜力。近期，中国科研团队在全固态电池技术上取得了两项重大突破，为这一领域的未来发展带来了新的希望和机遇。近期，北京大学深圳研究生院的潘锋/杨卢奕团队长期致力于全固态锂电池关键材料的研究。此前，团队在2016-2019年承担并圆满完成了“材料基因工程研发全固态锂电池及关键材料”的国家重点研发专项。在这期间，他们创建了固态锂电池界面纳米润湿（Nano-wetting）新方法，还揭示了固态锂电池临界电流短路的起因是锂枝晶在晶界瞬间生长的机理。这些前期成果为后续的研究奠定了坚实基础。本次的发现，具有“一维材料”结构特征的氯化物有望实现锂离子的快速传输。这种材料在一维方向有化学键连接，而在其他两个维度方向没有化学键连接，类似于石墨烯的结构。基于这一发现，团队利用具有类无机聚合物链状结构的一维ZrCl4基质，实现了多种锂盐（如LiCl、Li2SO4和Li3PO4）的解离，制备了一系列玻璃态氯化物电解质。通过差示扫描量热法（DSC）、原子对分布函数（PDF）、固态核磁（ssNMR）、聚焦离子束-透射电镜（FIB-TEM）等表征手段，证实了电解质的玻璃态特性，并结合分子动力学模拟（MD）验证了独特的离子传输模式。具体而言，解离的Li+与[ZrCl6]八面体配位并沿着ZrCl4链快速传导，表现出与聚合物类似的离子传输。同时，ZrCl4的路易斯酸性能够捕获阴离子，从而实现接近1的高锂离子迁移数。这种新型玻璃态电解质在性能上表现出色。1/3Li3PO4@ZrCl4电解质表现出高离子电导率（1.2mS/cm）、宽电化学窗口和低成本，能够实现LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||Li-In电池的长效循环。此外，这种设计策略还可以拓展到钠离子导体的合成，制备的1/3Na3PO4@ZrCl4具有0.3 mS/cm的高离子电导率。这一成果不仅为全固态电池电解质的设计提供了一种新的思路，而且为开发高性能全固态电池开辟了新的路径。与此同时，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的王春阳研究员联合国际团队，在全固态电池研究中也取得了重大突破。他们将研究重点放在解决全固态电池短路失效这一阻碍其商业化应用的关键难题上。团队创新性地运用原位透射电镜技术，这一技术如同给研究人员装上了一双“微观透视眼”，能够在材料发生电化学反应的动态过程中，实时、直观地观察材料内部的微观结构变化，为深入探究固态电解质的短路机制提供了前所未有的技术手段。通过原位透射电镜的细致观察，团队首次在纳米尺度上清晰地揭示了无机固态电解质中的软短路-硬短路转变机制，以及背后隐藏的析锂动力学过程。这一发现犹如一把钥匙，为解决全固态电池的短路问题打开了新的思路。基于上述重要发现，研究团队进一步发挥创新思维，利用三维电子绝缘且具有机械弹性的聚合物网络，成功开发出无机/有机复合固态电解质。这种复合电解质巧妙地融合了无机材料和有机材料的优势，能够有效抑制固态电解质内部锂金属的析出和互连现象，从而避免了由此引发的短路失效，显著提升了固态电解质的电化学稳定性。该研究不仅为深入理解固态电解质的纳米尺度失效机理提供了全新的认知视角，更为新型固态电解质的开发提供了坚实的理论依据，有力地推动了更安全、高性能锂电池的研发进程。相关研究成果已于5月20日发表在《美国化学会会刊》上，为全固态电池领域的发展贡献了重要的科研力量。这两项研究成果的取得，标志着全固态电池技术在理论和实践上都取得了重大进展。从理论层面来看，失效机制的揭示和玻璃态电解质的设计原理的提出，为全固态电池的研究提供了新的理论基础。这些理论成果不仅有助于科研人员更深入地理解全固态电池的工作原理，而且为未来电池技术的研究和发展提供了新的方向和思路。随着全固态电池技术的不断突破，全固态电池的商业化应用前景愈发广阔。全球市场都在加码固态电池市场，例如政府投入2000亿日元，丰田、本田、日产组建联盟，计划2030年实现硫化物电池量产，专利数量全球占比超60%。而韩国三星SDI开发出5Ah硫化物全固态电池，能量密度达900 Wh/L，计划2028年应用于无人机市场。而中国拥有全球最大锂电池产业链、快速迭代的工程化能力，并且国内的国轩高科、宁德时代、亿纬锂能、恩捷股份等企业，都已经在固态电池上有所突破。例如国轩高科已经发布金石固态电池，宁德时代预计到2027年有望实现小批量生产固态电池，亿纬锂能则在近期公开透露，公司将于2026年推出主要应用于混合动力领域的高功率全固态电池，2028年逐步推出能量密度高达400Wh/kg的高比能全固态电池。尽管全固态电池技术已经取得了显著进展，但其商业化应用仍面临一些挑战。例如，全固态电池的制造成本较高，需要进一步降低以提高其市场竞争力；全固态电池的生产工艺仍需优化，以提高电池的一致性和可靠性。此外，全固态电池的回收利用问题也需要进一步研究，以实现电池的可持续发展。未来，随着科研人员的不断努力和技术创新，全固态电池技术有望在这些方面取得进一步突破。通过优化电池材料和生产工艺，降低制造成本；通过加强电池回收技术研发，提高电池的回收利用率；通过完善电池标准和规范，推动全固态电池的商业化应用。我们有理由相信，全固态电池技术将在未来能源存储领域发挥重要作用，为人类的可持续发展提供强大的动力支持。
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