新能源汽車產(chǎn)業(yè)一路風(fēng)馳電掣，以銳不可當(dāng)之勢(shì)重塑出行版圖。然而，電池?zé)崾Э厥鹿蕝s似高懸的“達(dá)摩克利斯之劍”。2024年的行業(yè)數(shù)據(jù)敲響警鐘——我國新能源汽車起火案例中，80%是電池?zé)崾Э?ldquo;興風(fēng)作浪”。

與此同時(shí)，消費(fèi)者深陷續(xù)航焦慮與充電困境的泥沼。而“高能量密度與安全性難以兼得”這一技術(shù)魔咒，更是將行業(yè)技術(shù)迭代困于瓶頸。將于2026年7月1日正式實(shí)施的《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》提出，熱失控后2小時(shí)不起火、不爆炸。這恰似一場(chǎng)倒計(jì)時(shí)的安全大考，讓技術(shù)升級(jí)迫在眉睫。

憑借高能量密度與安全性的卓越優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池脫穎而出，行業(yè)巨頭紛紛將其定為下一代核心技術(shù)，計(jì)劃2027年前后量產(chǎn)。但全固態(tài)電池界面穩(wěn)定性差、電解質(zhì)薄層化難等，成為阻礙量產(chǎn)的“攔路猛虎”。

近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所(以下簡(jiǎn)稱青島能源所)研究員、固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心主任崔光磊團(tuán)隊(duì)傳來好消息，研究團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池正極、負(fù)極、電解質(zhì)三大核心材料領(lǐng)域接連取得突破性進(jìn)展，不僅為深空、深海等極端場(chǎng)景提供可靠解決方案，更為民用動(dòng)力電池打通安全與續(xù)航的“任督二脈”。

團(tuán)隊(duì)提出的“剛?cè)岵?jì)”“均質(zhì)化正極”等設(shè)計(jì)理念，正精準(zhǔn)破解這些瓶頸。從為深潛器提供保障的聚合物固態(tài)電池到反哺民用市場(chǎng)的技術(shù)方案，團(tuán)隊(duì)用“極端場(chǎng)景技術(shù)反推民用創(chuàng)新”的路徑，為固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化按下“加速鍵”。

正極“均質(zhì)化”革命：零應(yīng)變、“零添加劑”

長(zhǎng)期以來，商用正極活性材料電導(dǎo)率低的問題，一直是制約電池性能的“卡脖子”問題。

傳統(tǒng)方案不得不添加非活性導(dǎo)電導(dǎo)離子劑，但這種“補(bǔ)丁式”設(shè)計(jì)卻陷入兩難：添加劑雖提升了導(dǎo)電性，卻與充放電時(shí)體積變化顯著的層狀氧化物正極“水火不容”，加劇了“電-化-力”耦合副反應(yīng)，最終導(dǎo)致電池能量密度與循環(huán)壽命都打折扣。這種異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，成了全固態(tài)鋰電池性能躍升的“阿喀琉斯之踵”。

“如果能研制出兼具優(yōu)異離子、電子混合導(dǎo)電性的正極材料，徹底擺脫對(duì)導(dǎo)電添加劑的依賴，就能一舉攻克這個(gè)行業(yè)痛點(diǎn)。”在青島能源所的內(nèi)部研討會(huì)上，崔光磊提出的這一構(gòu)想迅速點(diǎn)燃團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)熱情。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)充分論證，“均質(zhì)化正極” 被確定為核心技術(shù)突破口。

團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)十種候選材料展開系統(tǒng)性篩選與改良，最終成功合成零應(yīng)變正極材料鋰鈦鍺磷硫硒。該材料在保持250毫安時(shí)/克高比容量的同時(shí)，體積變化率僅1.2%;采用它制成的均質(zhì)化正極使全固態(tài)鋰電池在室溫下實(shí)現(xiàn)超萬次穩(wěn)定循環(huán)，能量密度達(dá)390瓦時(shí)/千克，成為固態(tài)電池發(fā)展的重要里程碑。

團(tuán)隊(duì)骨干、青島能源所鞠江偉博士介紹：“這種新設(shè)計(jì)范式徹底顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯，實(shí)現(xiàn)能量密度與循環(huán)壽命的‘雙贏’，其穩(wěn)定性已完全滿足電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能的嚴(yán)苛要求。”

實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，這種新型正極在長(zhǎng)期循環(huán)中未出現(xiàn)性能衰減，更重要的是，該技術(shù)路線對(duì)固態(tài)鈉電池等其他儲(chǔ)能體系同樣具有普適性。

目前，團(tuán)隊(duì)正加速推進(jìn)材料放大制備。崔光磊信心十足：“這項(xiàng)技術(shù)有望沖破儲(chǔ)能領(lǐng)域多年的‘能量-功率-壽命’的不可能三角。”

相關(guān)成果已發(fā)表于《自然-能源》，不僅為下一代電池技術(shù)開辟新路徑，更彰顯了中國科研團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵材料領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力。

電解質(zhì)膜攻堅(jiān)：從“散沙難聚” 到 “剛?cè)岵?jì)”

全固態(tài)電池要實(shí)現(xiàn)“充電一次跑千里”，還有一個(gè)關(guān)鍵是讓電解質(zhì)膜“瘦身”——膜越薄，電池儲(chǔ)能越多。但核心材料硫化物敏感難用：顆粒像散沙難粘成膜，怕水怕氧，尤其對(duì)極性溶劑和部分粘結(jié)劑敏感，制備30微米以下超薄膜難度極高。濕法涂布時(shí)，硫化物的敏感性讓材料選擇處處受限;無溶劑干法雖環(huán)保省錢，卻使用聚四氟乙烯作粘結(jié)劑——既要精準(zhǔn)控制剪切力使其成纖維，又要經(jīng)過精密的多級(jí)連輥減薄，成膜強(qiáng)度差，還容易被還原。

“要是能結(jié)合聚合物的柔性和硫化物的高導(dǎo)電性，做出又柔又韌、離子跑得還快的薄膜，問題不就解決了?”崔光磊的這一想法，再次為團(tuán)隊(duì)指明了方向。

經(jīng)過數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)確定“剛?cè)岵?jì)-三相滲流”的解決方案，分別突破干法與濕法的材料、技術(shù)瓶頸。

干法上，團(tuán)隊(duì)摒棄傳統(tǒng)聚四氟乙烯，改用熱塑性聚酰胺作“柔性膠水”，將其與硫化物顆粒提前混合，在140℃下輕輕壓制，聚酰胺便像溶化的糖一樣，滲進(jìn)硫化物顆粒的縫隙中，冷卻后結(jié)成“彈性網(wǎng)”。最終制成的膜厚度控制在25微米以內(nèi)，既柔又韌不易破，室溫下離子電導(dǎo)率還高。用同步輻射X光“透視”電池內(nèi)部，即便充放電時(shí)電極像“呼吸”般膨脹收縮，電解質(zhì)膜也能牢牢貼合。團(tuán)隊(duì)將這種正極與超薄膜組裝成一體化電池，高負(fù)載場(chǎng)景下甚至能穩(wěn)定工作1萬小時(shí)，能量密度顯著提升。

濕法工藝的瓶頸也被團(tuán)隊(duì)突破。過去因硫化物怕極性溶劑，濕法只能用非極性粘結(jié)劑，既粘不牢又限制性能。團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控漿料中的分子相互作用，讓原本“水火不容”的極性粘結(jié)劑與較低極性溶劑“和平共處”，最薄可制成12微米的薄膜。更關(guān)鍵的是，鋰鹽還能與極性聚合物結(jié)合，進(jìn)一步提升離子傳導(dǎo)效率，面電阻低至0.69歐姆·平方厘米，性能優(yōu)于所有文獻(xiàn)報(bào)道。

“‘三相滲流’不是單條路發(fā)力，而是讓硫化物、聚合物、界面相協(xié)同幫離子傳輸，提高了傳輸?shù)乃俣群屯俊?rdquo;團(tuán)隊(duì)骨干、青島能源所胡磊博士解釋道。

為適配量產(chǎn)，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了熱轉(zhuǎn)印工藝，將電解質(zhì)膜快速貼合到電極上，大幅降低工業(yè)化難度。

“我們一直干法、濕法兩條路并行，干法是未來趨勢(shì)，濕法目前更成熟。”團(tuán)隊(duì)骨干、青島能源所研究員董杉木補(bǔ)充道。

如今，這些成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》《德國應(yīng)用化學(xué)》等國際期刊。值得一提的是，更切實(shí)的進(jìn)展在產(chǎn)業(yè)化端：青島市城陽區(qū)的硫化物全固態(tài)電池潔凈車間正在建設(shè)，預(yù)計(jì)2027年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)200萬平方米的30微米級(jí)硫化物薄膜生產(chǎn)。這意味著，消費(fèi)者用上長(zhǎng)續(xù)航、高安全固態(tài)電池的日子已不再遙遠(yuǎn)。

負(fù)極 “以柔克剛”：蠕變局域化

提升固態(tài)電池能量密度，高容量負(fù)極是重要方向。但科研界長(zhǎng)期面臨一個(gè)棘手問題：已知的高容量負(fù)極材料，循環(huán)時(shí)體積會(huì)像氣球充氣般劇烈變化，充入的鋰越多，體積膨脹越明顯。而固態(tài)電解質(zhì)硬度高，無法像電解液那樣 “隨形貼合”，一旦正負(fù)極與電解質(zhì)分離，鋰離子便“無路可走”，電池隨之快速衰減，性能遠(yuǎn)落后于預(yù)期。固態(tài)電池一般需施加幾十甚至上百兆帕的壓力，這相當(dāng)于給書包大小的電池施加幾輛10噸級(jí)卡車的重量，顯然無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圍繞這一方向，團(tuán)隊(duì)結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)部分電化學(xué)性能優(yōu)異的合金材料雖“剛性強(qiáng)、難屈服”，卻能通過“蠕變”與固態(tài)電解質(zhì)緊密貼合。其中，銦錫鉍合金表現(xiàn)突出，在室溫下有超高蠕變能力。團(tuán)隊(duì)成員、青島能源所劉濤博士發(fā)現(xiàn)該易蠕變的合金會(huì)隨循環(huán)從負(fù)極表面沿封裝邊緣緩慢“爬行”，最終觸及正極，導(dǎo)致電池短路。

“蠕變是把雙刃劍：既能‘以柔克剛’貼合電解質(zhì)，也可能‘越界’引發(fā)短路。我們要做的，就是給它套上‘劍鞘’，讓蠕變可控。”關(guān)鍵時(shí)刻，崔光磊給出了判斷。

攻關(guān)組借鑒此前聚合物電解質(zhì)的“剛?cè)岵?jì)”理念，提出將高蠕變性的合金負(fù)載在高慣性矩的鈦網(wǎng)上，利用鈦網(wǎng)的彎曲剛度分散并均勻化負(fù)極內(nèi)部應(yīng)力，把合金的蠕變行為“鎖定”在與固態(tài)電解質(zhì)接觸的界面處。

這一設(shè)計(jì)成效顯著，使用該負(fù)極，低外壓下固態(tài)電池可穩(wěn)定循環(huán)超3000次;即便面容量提升至商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)5倍的20毫安時(shí)/平方厘米，電池仍能穩(wěn)定充放電。相關(guān)成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》，為高能量密度固態(tài)電池提供了全新技術(shù)路徑。

多維度突破 夯實(shí)產(chǎn)業(yè)化根基

從電解質(zhì)膜“瘦身”突破硫化物成膜難題，到正極材料擺脫導(dǎo)電添加劑依賴、實(shí)現(xiàn)“零應(yīng)變”超萬次循環(huán)，再到負(fù)極“蠕變局域化”破解界面接觸困境，崔光磊團(tuán)隊(duì)以“全鏈條創(chuàng)新”思路，系統(tǒng)性解決了硫化物固態(tài)電池商業(yè)化的核心痛點(diǎn)。

當(dāng)前，這些突破不僅停留在實(shí)驗(yàn)室原始創(chuàng)新層次，更通過青島城陽硫化物全固態(tài)產(chǎn)線的建設(shè)，更好支撐全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

對(duì)于新能源產(chǎn)業(yè)而言，這一系列技術(shù)不僅意味著更安全、更長(zhǎng)續(xù)航的動(dòng)力電池將加速落地，更將為大規(guī)模儲(chǔ)能、特種裝備等領(lǐng)域提供“中國方案”。

“我們希望將‘剛?cè)岵?jì)’‘均質(zhì)化’‘蠕變局域化’等創(chuàng)新理念持續(xù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，進(jìn)一步提升中國在全球固態(tài)電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的話語權(quán)，為‘雙碳’目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型注入更強(qiáng)動(dòng)能。”崔光磊說。